钻孔灌注桩设计技术在深基坑支护结构中的应用分析

　　摘要：本工程采用钻孔灌注桩的支护结构,成功的解决了城市中心深基坑的施工问题,并取得了良好的安全和经济效益,对类似工程有很好的借鉴意义。
　　关键词：钻孔灌注桩；深基坑支护
　　深基坑工程是当前很受人关注的岩土工程热点，也是技术复杂、综合性很强的难点。深基坑工程的费用在整个工程成本中占有很大的比例，因此，如何选择合适的支护型式以及合理的设计参数是深基坑工程的关键。钻孔灌注桩施工具有无噪声、无振动、无挤土的优点,对周围环境影响小。其作为基坑的围护结构刚度大、抗弯能力强、变形相对较小,支护的稳定性好。
　　1工程实例
　　1.1工程概况
　　该站位于大兴中路和小坝东路相交的十字路口下,是地铁二号线和三号线的换乘站,两线车站成“丁”形换乘方案。三号线主体工程和二号线同期施工。二号线车站主体结构基坑长度209.6m,标准段宽21.5m,基坑深度17.11m,呈东西走向。三号线部分主体结构基坑长度145.65m(含换乘节点),标准段基坑宽度21.7m,深23.16m,呈南北走向。
　　1.2围护结构设计及施工
　　综合考虑以上情况,本站的基坑支护设计方案采用钻孔灌注桩加桩间高压旋喷桩。钻孔灌注桩作为结构的主要受力构件,二号线钻孔灌注桩直径1000mm,桩间距为1300mm,桩长21m三号线钻孔灌注桩直径采用1200mm,桩间距为1600mm,桩长30m。二号、三号线排桩布置大样图分别见图1,图2。钻孔桩应采用隔桩施工,在相邻桩混凝土达到70%的设计强度后,方可成孔施工。采用FRD22D型旋挖钻机进行施工,主要的施工流程如下:
　　1)抄平放线,定桩位。2)埋设护筒。3)成孔。4)第一次清孔。5)下钢筋笼。6)第二次清孔。7)灌注水下混凝土。8)钻机移位。
　　
　　图l二号线排桩布大样圈
　　
　　圈2三号钱排桩布大样图
　　桩间设计采用双重管旋喷桩桩间止水,由于喷射直径和质量受土质组成复杂程度、浆液稠度、喷浆压力的大小及注浆管提升速度等影响,在充分考虑各种不利因素和机械设备可能的条件下,设计喷射直径为600mm。旋喷桩的施工过程大致如下:1)桩架定位及保证垂直度。旋喷机桩架到达指定桩位,对中。施工时桩位偏差应小于5cm,桩的垂直度偏差不超过1%。2)喷水搅拌下沉。待旋喷机的冷却水循环正常后,启动旋喷机电动机,使旋喷机沿导向架喷水切土下沉,边喷水、边旋转,喷水压力为10MPa,旋转速度为15r/min。3)制备水泥浆。按设计要求,拌制配合比为水泥∶水=1∶1的水泥浆,水泥采用425号普通硅酸盐水泥,并在压浆前将水泥浆除渣后注入集料斗中。4)旋喷浆液提升。钻杆下沉到设计深度后,开启灰浆泵将水泥浆压入地基土中,并且边喷浆、边旋转,同时严格按照设计确定的提升速度提升喷头,设计高压喷浆压力为28MPa,旋转速度为15r/min,提升速度为15cm/min。5)移位。待喷嘴提升至设计加固深度的顶面标高后,桩架移至下一个桩位施工。
　　2基坑支护结构设计
　　2．1围护结构设计
　　2．1．1围护结构选择
　　根据结构的特性、场地情况、周围环境、基坑深度、宽度、工期安排、工程地质和水文地质状况，对围护结构进行比较选择。对于含水的软黏土、流砂地层一般采用地下连续墙结构；对于水位不高，或允许大面积降水的黏性土层，可采用人工挖孔或钻孔灌注桩；对于水位较高，且不允许大面积降水的粘性砂土层，可采用钻孔桩+旋喷桩的围护型式；对于自稳性较好的软岩地层或弱风化岩层，可以采用喷锚支护或土钉墙技术。为降低成本，设计时，可根据具体工况，选择一到两种围护结构。
　　2．1．2荷载确定
　　围护结构的荷载一般有地面超压、水土压力。
　　1)地面超压一般按20kpa计，当基坑边沿有建筑物或特殊荷载(如塔吊基础等)时需按实际荷载计算。
　　2)水土压力:在施工阶段，黏性土层或坑内外均进行降水的砂性土层按水土合算，仅坑内降水的砂性土层按水土分算；在使用阶段，为永久结构的安全，不论砂性土层还是黏性土层，均宜按水土分算考虑。
　　2．1．3围护结构计算方法
　　1)弹塑性有限元法:将结构与地层作为一相互作用体，通过理论假定确定地层的本构关系及地层与结构界面的作用模式，按照施工过程逐步模拟地层与结构的作用机理，确定结构内力与变形的变化及周围土层的力学机理及变位。目前采用的计算模型主要有理想弹塑性模型、黏弹性模型、邓肯-张非线性模型等。通用的计算程序有ANSYS程序、2D-σ、3D-σ程序及同济曙光程序等。由于围岩性质极其复杂，很难用一种单一的模型进行模拟，加之地层应力的释放过程与开挖方式、开挖过程、支撑形式支撑刚度等有着密切的联系，使计算过程中的一些参数难于确定，最后导致计算结果难于反应真实的受力情况。因此这种计算方法一般用于定性分析或同一工况下的施工方式比选。
　　2)杆件有限元法:已知基坑面以上的结构荷载，用弹簧模拟基坑以下地层与结构的相互作用，以梁(板)单元模拟结构，随施工的不同阶段按增量法或总量法对受力结构进行计算。目前多采用SAP84程序、理正深基坑计算程序、同济启明星计算程序等。
　　3)理论假定简化法:如假想支点法、等值梁法、m法等。目前设计中，以杆件有限元法应用较为普遍，计算结果或计算精度较为接近实际。
　　2．1．4围护结构设计
　　根据结构受力结果，依照相应的规范按结构的重要性强度、刚度、稳定性、变位及构造要求进行结构设计，在满足上述条件下尽量做到经济合理、便于施工。
　　2．2支撑结构设计
　　2．2．1支撑结构选择
　　首先根据地层条件、地下管线、基坑尺寸、施工要求确定锚拉式或内撑式支撑方式。对于内撑式结构，应根据材料情况、施加预应力方式来确定支撑结构材料。
　　2．2．2撑结构计算
　　1)锚杆计算:锚杆承载力主要由拉杆的极限抗拉强度、拉杆与锚固体之间的极限握裹力、锚固体与土体之间的极限抗拔力确定。一般在软质岩、风化岩层和土层中锚杆的极限抗拉强度、锚杆孔壁与砂浆的摩阻力均低于砂浆对钢拉杆的握裹力，锚杆极限抗拔力受孔壁摩阻力的控制，即取决于沿接触面外围软质岩和土层的抗剪强度，故锚杆的极限抗拔力可按下式计算:
　　
　　式中，Tu为土层锚杆的极限抗拔力；F为锚固体周围表面的总摩阻力；Q为锚固体受压面的总抗压力；D1为锚固体直径；D2为锚固体扩孔部分的直径；τy为深度y处锚固体与土体单位面积上的抗剪强度(摩阻力)；q为锚固体扩孔部分土体的抗压强度；A为锚固体扩孔部分土体的抗压面积；y1-y2、y2-y3分别为锚固体非扩孔部分长度和扩孔部分长度。临时性锚杆抗拔力的设计值为！Tu除以1.3~1.5，永久性锚杆的设计值为Tu除以2~2.5。
　　2)内支撑计算:根据偏心受压构件的强度、平面内及平面外的稳定性进行结构计算，除竖向荷载(支撑自重和支撑顶面的施工活荷载等)产生的偏心弯距外，同时要考虑支撑安装误差造成的偏心影响，其偏心距可考虑支撑计算长度的1/1000。
　　3结语
　　基坑支护型式需综合考虑基坑周边环境、造价、技术上的可靠性等措施。一般而言，在满足基坑稳定和周围环境对基坑变形要求的前提下，尽量选用造价低的支护结构型式，忌盲目提高基坑变形控制标准，而选择造价昂贵的支护型式，造成不必要的浪费。
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