人工挖孔桩围护技术在限高条件下的应用

摘 要：城市交通越来越多采用下穿隧道形式，特别是市政工程牵涉到临近的建筑（构筑物）较多，明挖基坑围护同时面临着建筑物的保护，施工空间狭小，工期紧等问题，围护方案的选择尤为重要。本文结合合肥龙川路下穿徽州大道深基坑围护工程，介绍人工挖孔桩围护的施工方法，包括围护形式及技术参数、基坑围护结构计算书、钢支撑施工工艺、和基坑监测等内容，对限高条件下基坑围护工程有很强的技术指导意义，并为类似施工提供借鉴。

关键词：深基坑；人工挖孔桩围护；钢支撑；基坑监测

1 工程简介

1.1 工程概况

合肥市龙川路Ⅱ标由中铁十六局承建，主体工程为明挖法施工的框架隧道，工期12个月。本工程隧道在K4+635-K4+685段下穿徽州大道，上有高架桥，受现状桥墩及道路两侧建筑物的影响，限高6-7m。根据地质情况，区域内以粉质粘土为主，无地下水，机械成孔无法满足桥下施工条件，决定采用人工挖孔桩围护后进行基坑开挖。采用围护开挖的基坑里程范围为：K4+635-K4+685段，总长50m。

图1 下穿徽州大道围护桩平面布置图

人工挖孔桩共计74根，其中62根桩长20m，12根桩长10m，桩径1200mm，桩间距2m。在框架隧道中墙位置施做临时立柱桩，间距9m，共计7根；临时立柱桩间设置临时型钢梁，采用I32热轧普通工字钢支撑。横向水平间距3m设置一道?609cm，t=1.2cm钢管横撑。如图1：下穿徽州大道围护桩平面布置图。

1.2 围护桩形式

本工程主体围护结构采用Φ1200@2000人工挖孔桩，人工挖孔桩根据地质情况确认为20m，桩顶设800×1200mm截面混凝土冠梁。本基坑采用明挖顺作法施工，基坑竖向设置一道支撑，支撑采用Φ609的钢管支撑，横断面如图2。

2 基坑验算

2.1 基本信息

图3 排桩支护方案计算示意图

表1 基本信息表

规范与规程 《建筑基坑支护技术规程》 JGJ 120-2012

内力计算方法 增量法

基坑等级 一级

基坑侧壁重要性系数γ0 1.10

基坑深度H（m） 10.000

嵌固深度（m） 11.000

桩顶标高（m） -1.000

桩材料类型 钢筋混凝土

混凝土强度等级 C30

桩截面类型 圆形

桩直径（m） 1.200

桩间距（m） 2.000

有无冠梁 有

├冠梁宽度（m） 1.200

├冠梁高度（m） 0.800

水平侧向刚度（MN/m） 0.001

放坡级数 1

超载个数 2

支护结构上的水平集中力 0

土层数 3 坑内加固土 否

内侧降水最终深度

（m） 11.000 外侧水位深度（m） 2.000

内侧水位是否随开挖过程变化 是 内侧水位距开挖面距离（m） 1.000

弹性计算方法按

土层指定 √ 弹性法计算方法 ---

基坑外侧土压力

计算方法 主动

2.2 土层参数

层号 土类名称 层厚

（m） 重度

（kN/m3） 浮重度

（kN/m3） 粘聚力

（kPa） 内摩擦角

（度）

1 素填土 1.40 18.0 --- 7.00 8.40

2 粘性土 3.00 18.0 8.0 21.00 7.00

3 粘性土 30.00 18.0 8.0 38.50 9.10

层号 与锚固体摩

擦阻力（kPa） 粘聚力

水下（kPa） 内摩擦角

水下（度） 水土 计算方法 m，c，K值 抗剪强度

（kPa）

1 120.0 —— —— —— m法 1.27 ——

2 38.5 21.00 7.00 合算 m法 2.38 ——

3 120.0 38.50 9.10 合算 m法 4.60 ——

2.3 支锚信息

支锚道数 1

支锚

道号 支锚类型 水平间距

（m） 竖向间距

（m） 入射角

（°） 总长

（m） 锚固段

长度（m）

1 内撑 3.000 1.400 —— —— ——

支锚

道号 预加力

（kN） 支锚刚度

（MN/m） 锚固体

直径（mm） 工况

号 锚固力

调整系数 材料抗力

（kN） 材料抗力

调整系数

1 0.00 312.89 —— 2～ —— 2000.00 1.00

2.4 土压力模型及系数调整

弹性法土压力模型： 经典法土压力模型：

层号 土类

名称 水土 水压力

调整系数 外侧土压力

调整系数1 外侧土压力

调整系数2 内侧土压力

调整系数 内侧土压力

最大值（kPa）

1 素填土 合算 1.000 1.000 1.000 1.000 10000.000

2 粘性土 合算 1.000 1.000 1.000 1.000 10000.000

3 粘性土 合算 1.000 1.000 1.000 1.000 10000.000

2.5 工况信息

工况

号 工况

类型 深度

（m） 支锚

道号

1 开挖 1.900 ——

2 加撑 —— 1.内撑

3 开挖 10.000 ——

2.6 结构计算结果

2.6.1 工况1

图4 工况1计算结果图

2.6.2 工况2

图5 工况2计算结果图

2.6.3 工况3

图6 工况3计算结果图

2.6.4 地表沉降

地表沉降见下图：

图7 地表沉降图

2.6.5 整体稳定验算

图8 整体稳定验算简图

计算方法：瑞典条分法

应力状态：总应力法

条分法中的土条宽度： 1.00m

滑裂面数据

整体稳定安全系数 Ks = 1.877

圆弧半径（m） R = 24.336

圆心坐标X（m） X = -0.919

圆心坐标Y（m） Y = 13.244

2.6.6 抗倾覆稳定性验算

抗倾覆安全系数：

Mp——被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩， 对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定；对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值。

Ma——主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

注意：锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。

工况1：

注意：锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。

序号 支锚类型 材料抗力（kN/m） 锚固力（kN/m）

1 内撑 0.000 ——

Ks = 3.580≥1.250， 满足规范要求。

工况2：

注意：锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。

序号 支锚类型 材料抗力（kN/m） 锚固力（kN/m）

1 内撑 666.667 ——

Ks= 4.663≥1.250， 满足规范要求。

工况3：

注意：锚固力计算依据锚杆实际锚固长度计算。

序号 支锚类型 材料抗力（kN/m） 锚固力（kN/m）

1 内撑 666.667 ——

Ks=1.990≥1.250， 满足规范要求。

——————————————————————————

安全系数最小的工况号：工况3。

最小安全Ks = 1.990≥1.250， 满足规范要求。

2.6.7 抗隆起验算

图9 抗隆起验算简图

从支护底部开始，逐层验算抗隆起稳定性，结果如下：

支护底部，验算抗隆起：

Ks= 1.902≥ 1.800，抗隆起稳定性满足。

2.6.8 嵌固深度计算

嵌固深度计算参数：

嵌固深度计算过程：

按《建筑基坑支护技术规程》 JGJ 120-2012单支点结构计算嵌固深度ld：

1） ld按公式：

得到ld=7.250m，ld采用值为：11.000m

2.6.9 嵌固段基坑内侧土反力验算

工况1：

Ps = 778.241 ≤ Ep = 12258.698，土反力满足要求。

工况2：

Ps = 778.241 ≤ Ep = 12258.698，土反力满足要求。

工况3：

Ps = 2030.375 ≤ Ep = 4983.296，土反力满足要求。

式中：

Ps为作用在挡土构件嵌固段上的基坑内侧土反力合力（kN）；

Ep为作用在挡土构件嵌固段上的被动土压力合力（kN）。

3 钢支撑施工工艺

本工程基坑内支撑均采用钢支撑。钢管内支撑采用直径600壁厚12mm的钢管，为方便运输、安装、拆卸，钢管统一制作成标准件，非标准件根据支撑位置及长度现场制作。钢管内支撑纵向间距3米。采用先支护后开挖的原则进行基坑开挖，在施工的过程中采用信息化施工，利用先进的测量检测手段，对整个施工过程进行监测，对开挖过程中围护桩及周边土体进行测量数据的收集分析。

3.1 钢支撑的加工

钢支撑选用符合设计要求的螺旋钢管，将其两端打磨平整，将两根需对接的钢管与法兰盘满焊。钢管法兰盘连接如下图所示。

图10 钢管法兰盘连接图

3.2 钢支撑架设工艺流程

支撑编号—对号运到现场—法兰盘连接—端板F卡钢板焊接—钢支撑就位校正—紧固钢锲—拆除千斤顶。

3.3 钢支撑安装

安装钢支撑前将钢支撑就地拼装，调整长度，长度确定完成后由吊车起吊就位。每根管进行现场实际测量长度，安装就位后撤除吊车。

3.4 钢支撑拆除

钢支撑拆除施工工艺：支撑起吊收紧—拆除钢锲—吊出钢支撑。

当钢支撑下的底板结构施工完毕，混凝土强度达到90%设计值时，便可拆卸钢支撑。在钢支撑拆卸前先在各钢管连接处的螺栓，螺栓卸下后，用吊车将钢管吊到地上。

3.5 钢支撑的使用须符合以下规定

钢支撑规格的选用按设计要求或采用《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）中相关规定选用。

每根钢支撑的配置按总长度的不同配置钢支撑的长度。

钢支撑采用两点吊装，吊点一般在离端部0.2L左右为宜。

钢支撑安装的容许偏差将符合下列规定：

支撑两端的标高差：不大于20mm及支撑长度的1/600；

支撑挠曲度：不大于支撑长度的1/1000；

支撑水平轴线偏差：不大于30mm；

支撑中心标高及同层支撑顶面的标高差：±30mm。

支撑安装完毕后，其端面与围护墙面应平行，并且及时检查各节点的连接状况，经确认符合要求后进行下道工序施工。

钢支撑在使用前进行地面拼装，并检查拼装质量（轴线、螺栓紧固、长度等）。

3.6 钢支撑控制要点

①支撑两端部与挡墙结构接触处紧密结合，使钢与桩密切接触；且法兰端面与轴线垂直偏差≤1.5mm，每道钢支撑的安装轴线偏心≤20mm。

②支撑按照分布、分段、分层开挖及时进行。

③监测信息化要求：在基坑挖土及支撑施工时，定期或根据实际施工情况随时进行监测，提供地墙位移、土体回填、地表沉降、建筑物沉降等监测数据，指导挖土工况。

4 土方开挖

基坑开挖采用“通道纵挖法”。

4.1 开挖及支撑方法

（1）在完成围护桩的施工后，整平场地开挖至支撑位置以下，为后期内支撑的安装提供先决条件，冠梁施工侧表面需要严格控制平整度，防止内支撑与冠梁侧面不能够完全接触。

（2）在施工冠梁期间，施工基坑中心临时支护，由于本工程支护采用325厚壁7mm钢管，钢管拟用振动锤进行施工，振动锤型号为40型，将钢管打入底板以下，振动锤施工直至震动1分钟不下沉停止。钢管桩临时支柱纵向间距采用9米，临时支柱顶面采用I50工字钢作为连接系梁，增加临时支撑立柱的稳定性。

施工过程中确保临时支撑钢管的垂直度，在施工每个节段底板混凝土施工完成时，拆除中间临时支撑钢管以及上部水平支撑桩，侧墙与顶板一次性浇筑完成。

（3）上述工作完成后，进行卸载土方开挖，卸载土方开挖至冠梁底下1m左右后，在基坑中心立柱桩柱上安装I50工字钢连系梁，并安装内支撑钢管，内支撑钢管采用600壁厚12mm的钢管。

（4）纵向开挖施工顺序：由高点向低点进行分层施工取土，施工便道利用基坑中心临时便道，并做好排水工作。

（5）竖向分层：按照每层开挖深度不超过2米控制，本段开挖深度在10米左右，分层开挖。

（6）基坑开挖时以2台挖掘机为一个工作面，中间支撑桩左右各一台，每台挖掘机工作宽度约14米左右。

（7）挖土机械严禁碰撞钢支撑等。为避免挖土机械碰撞钢支撑，采用挖机顺钢支撑方向横向开挖，将土方倒运至钢支撑不易被碰撞的位置再运走。

5 基坑监测

5.1 制定监测方案

在基坑开挖前制定系统的监测方案，在开挖及地下结构施工中，采用仪器、设备和各种手段对支护结构、周边环境的位移、倾斜、沉降、基底隆起及地下水位的动态变化等进行综合监测。并对监测数据进行整理和分析，比较勘察、设计所预期的性状与检测结果的差别，对原设计成果进行评价并判断现有施工方案的合理性，对后续开挖提出建议，对可能出现的险情进行及时预报，当有异常时立即采取技术措施，防患未然，保证安全。

根据总体施工任务安排，这一部分基坑施工监控量测工作，由项目部测量工程师进行重点监测，结合实际地形地质条件、支护类型、施工方法等特点，初步拟定以支护结构顶部水平、垂直位移的量测，支护结构侧向位移，支撑立柱沉降、，道路路面沉降等为量测项目。

5.2 量测断面布置

施工中将设计要求的量测断面间距布置量测断面。各监测项目布置在同一断面附近，以便数据分析。测点布置断面根据实际施工情况适当调整，考虑施工过程中损坏的富余量，确保有效观测数量。具体量测断面布置如下：

①支护结构顶部水平、垂直位移的量测：量测横断面不少于3处。

②桩体全高，测点为基坑中点，且纵向间距为50cm范围内，竖向间距为1m，量测横断面不少于3处。

③基坑内、外观察，基坑地面、建筑底层土质描述以及周围地面裂缝、塌陷、渗透水、超载等随时进行监测。

④地下水位测点布置在基坑角点、中点，且纵向间距为50m范围内。

5.3 量测频率和方法

量测频率和方法见下表：

5.4 监测要求

①在支护结构施工过程中结合现场条件合理布置监测位置，并取得初读数。

②所有测试点、测试设备需在整个基坑支护施工过程中加强保护，以防损坏。

③监测周期为基坑土方开挖到沟槽底层以及侧墙施工的全过程。

④监测频率：在基坑降水及开挖期间，原则上一日一次，具体频率可根据信息反馈结果进行适当调整。

5.5 监测报警界限

①周边管线：市政地下管线报警界限根据管线单位及有关部门要求确定。

②与上跨徽州大道高架桥检测单位进行沟通，在开挖过程中需对相邻的两个墩柱、承台进行监控，防止对上部结构造成影响。

③其他监测内容报警指标如下：

建（构）筑沉降：沉降速率大于3.0mm/d、总沉降值超过30mm或差异沉降大于10mm。

路面沉降：沉降速率大于3.0mm/d或总沉降值超过19mm。

圈梁沉降、垂直位移：沉降速率大于3.0mm/d或总沉降值超过24mm。

5.6 监测数据处理

监测人员在取得监测数据后及时整理分析，并结合实际工况、支护受力及变形情况，进行分析判断，将实测值与允许值进行比较，及时预测变形发展趋势，为下步施工提供可靠信息。

6 结语

人工挖孔桩围护技术在合肥龙川路下穿隧道的基坑支护中取得了良好的效果，围护结构稳定可靠。人工挖孔桩围护的优点有：

（1）围护结构位于高架桥下，克服了机械施工高度不够的困难；（2）人工挖孔桩施工技术条件成熟，在配足劳力的情况下，可同时展开工作面，工期有保证；（3）相比正反循环及冲击钻成孔，人工挖孔桩施工不需设泥浆池，有利于市政工程文明施工的要求。

参考文献

[1] 《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-1999）.

[2] 《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）.

[3] 合肥市高铁片区龙川路道路工程《施工图设计》.

作者简介：劳南兴（1981- ），男，工程师。