pcmw工法深基坑支护的设计与实施

pcmw工法深基坑支护的设计与实施

0桩身支护结构近年来，国家经济的快速发展促进了城市基础设施的快速建设。随着地下项目的增多，埋基保护技术也得到了很大发展，预埋桩也越来越多地用于基础设施保护。对预制桩支护理论研究也日益深入,但研究方向主要集中于预制支护桩的水平方向承载能力及破坏特征。用于支护的预制桩,当采用常规方式沉桩时,势必会产生“挤土效应”。经过多年的实践,摸索出了一种在三轴水泥土搅拌桩中插入预应力管桩形成水泥土止水、预应力管桩承担土体荷载的复合支护结构,简称PCMW工法。经过实践证明,该支护体系可从机理、结构和施工工艺上解决基坑支护的安全问题,与传统的钻孔灌注桩支护结构相比,具有桩身质量可靠、施工便捷、造价低、节能环保等特点。本文以南京邮电大学科研综合楼基坑工程的设计和实施为背景,对PCMW工法中吊桩施工、支护桩与冠梁、围檩的连接及结合支撑的施工栈桥的设计等作详细介绍,并对设计过程所采取的各种技术措施也进行了介绍。1工程概论和地质条件1.1基坑周边现状南京邮电大学科研综合楼由28层主楼、4层裙楼和两层地下室组成,结构体系为框架-剪力墙结构。基础形式为桩基础,桩基础采用钻孔灌注桩。基坑开挖面积约4680m2,周长约290m,开挖深度约11.10~11.70m。基坑北侧地下室外墙与该侧用地红线最近距离约为3.0m,与模范马路最近距离约为3.5m;南侧地下室外墙与该侧用地红线最近距离也约为3.0m,与该侧新模范马路最近距离约为3.5m;东侧地下室外墙与该侧用地红线最近距离约为3.0m,与东侧建筑物最近距离约3.0m;西侧地下室外墙与该侧用地红线最近距离约为3.1m,与该侧道路最近距离约3.5m。周边道路下埋设了众多市政管线。环境保护要求较高,具体环境条件见图1。1.2地形地貌反应。在场地南部,土壤受场地位于南京市新模范马路中段北侧。受人类活动影响,原地貌景观形态已改变,现地形平坦,场地南部原有平房尚未拆除。拟建场地地面黄海高程最大值为11.35m、最小值为10.50m,地表相对高差为0.85m。基坑开挖影响范围内土层参数见表1。1.3地表径流、地下水位场地地貌单元为长江河漫滩,地下水属潜水,主要赋存于(1)层、(2)层以及(3)1层、(3)2层,受大气降水、地表水补给,以蒸发和渗流形式排泄。勘探期间由部分钻孔测得的初见水位埋深为1.80~2.20m,相应黄海高程为8.50~9.01m;稳定水位埋深为1.60~2.10m,相应黄海高程为8.72~9.53m。地下水位的年变幅约为0.5m左右。近年来最高地下水位埋深约为10.00m。2支出结构的设计2.1支护结构及支护方案结合该项目水文地质、工程地质以及周边环境的保护要求,综合以下几点分析:1)考虑支护结构体系的稳定性、可行性及适宜性,优先选用具有成熟经验的支护形式,以满足基坑支护整体及排桩稳定性的要求;2)控制基坑开挖及地下结构施工期间对周边环境的影响;3)在保证基坑及周边环境安全稳定的条件下尽量考虑施工方便;4)在支护结构选定的情况下,尽量节约工程造价。本工程具体支护方案如下:支护结构采用PCMW工法结合两道钢筋混凝土支撑;采用ue788850@1200三轴深搅桩作止水帷幕。预制预应力高强管桩采用GZH-800Ⅲ160-19型,其抗弯设计值为1053.3kN·m、抗剪设计值为718.6kN。基坑顶部设置排水沟,兼做截水作用,坑内采用管井疏干降水。支护结构剖面图见图2。2.2栈桥支撑设计工程施工场地非常狭小,可用的出土口仅有南侧新模范马路一个,且该侧基坑边紧贴人行道,挖土机无法进行挖土,渣土车无法停靠,整个地下结构施工所需的各种材料的垂直及水平运输无法完成,因此设计施工栈桥成为必要的措施。可在基坑开挖阶段建立深入到基坑内部的施工栈桥的平面交通体系,以便于各种施工机械进行挖土和运土操作,可大大提升基坑工程的施工效率。施工栈桥布置在第一道混凝土支撑的对撑与边桁架上(图3),采用矩形双向板以及三角形板的形式。支撑采用对撑形式,且设置于基坑中部,可以同时开挖东西两侧的土方。结合支撑的施工栈桥设计使得该区域的杆件同时承受水平荷载和施工荷载引起的竖向荷载作用。一般的支撑杆件按照水平荷载作用下进行配筋计算,而“一梁两用”的栈桥支撑梁(主梁)除了受竖向自重、桥面传递的活荷载等引起的竖向弯曲作用之外,还同时受到水平方向的土压力,以及水平面内的弯曲作用。栈桥支撑梁应按双向偏心受压杆件进行设计。荷载传递路径为:各类施工活荷载以及栈桥板面自重一起传递到支撑梁上,由支撑梁传递到支撑立柱及立柱桩上。深基坑栈桥结构体系,受力是比较复杂的,栈桥板面传递的竖向荷载应根据栈桥板面形状按照结构设计理论进行分配。图4为栈桥板竖向荷载分配示意图。2.3管桩与钢梁的连接管桩与冠梁的连接是关系到支护是否成功的重要环节之一。管桩顶部端板焊接10ue40b25钢筋,钢筋弯成上大下小的喇叭口。当管桩桩顶标高高出设计标高较多且影响冠梁的钢筋绑扎时,先截断高出桩顶设计标高部分的管桩,保留桩身内钢棒,其他施工方法与正常标高的管桩相同;当管桩的桩顶标高低于设计标高较多时,挖土至桩顶,并使桩头外露500mm,在桩顶板上焊接钢板(周焊),再在钢板面上采用双面焊焊接8ue40b20钢筋,焊缝高度为8mm,钢筋长度应高出冠梁底板500mm,并在该焊接的钢筋四周缠绕箍筋。该箍筋采用ue40b10@150,从上至下一直绑扎至冠梁底。管桩上端1500mm采用钢筋混凝土填芯的方式。管桩孔内的填芯钢筋笼在保证插入桩孔内1500mm的情况下,还应保证伸出被凿除桩头那部分的长度应满足钢筋锚固长度。图5为管桩与冠梁连接示意图。管桩与围檩的连接示意图见图6。施工混凝土冠梁时,同时在冠梁内预埋ue40b25钢筋,并露出钢筋接头,待土方开挖至第二道支撑底部施工围檩时,把预埋的钢筋焊接到围檩内,同时在管桩壁上开孔,植入2ue40b25mm的钢筋,植入钢筋的施工要求满足相关规范的要求即可。2.4管桩起吊和送桩工艺起吊管桩的索具应能自由回转与垂直吊放,以便于送桩、拆除。为防止索具与管桩滑脱,在管桩端部下1.0m处预留ue78860mm孔洞,将带有U形锁扣的ue78850mm钢棒作为固定销插入空洞内。索具、卸卡与其他吊桩等辅助构件的安全系数应大于6,以防断裂与损坏。与吊机连接的接钩索具钢丝绳须符合相应安全系数,同时保证其受力对称。起吊前,沿管桩身纵向作一直线形的墨线,并确保墨线与管桩两端平面垂直。起吊时,钢丝绳与桩的轴线夹角宜大不宜小,夹角宜在45°~60°之间,以防止管桩大幅度转动或晃动。管桩插入前在桩顶管壁拉上十字管桩头线,以便下沉到设计标高时能精确定位,定位时管桩端头的十字线中心与地面处管桩定位型钢标记线中心竖直对齐。下沉管桩时,通过水准仪控制下沉,以确保管桩的竖直下沉。因管桩的设计桩顶标高在原地面之下,直接量测桩顶高程不便,所以先用水准仪测出放置于沟槽之上的钢管的高程,计算出桩顶在钢管之下的距离,然后在三轴钻机钻杆上做标记,从钻头到标记处的距离就是管桩桩头到钢管的距离。在钻头送桩时,当标记线与钢管处于同一平面时即停止送桩。当桩头下沉至距地面1m高时,先卡住管桩,将钢棒及锁扣撤除,换用由9根钢铰线拧成的钢绳,以防止管桩到达设计标高时继续下沉。结束一根管桩的施工后,再进行下一根管桩的施工。图7为吊桩施工现场实景。3测点土体水平位移图8为基坑四周土体水平位移实测值,测点CX1~CX9具体布置见图3,其中工况一为土方开挖至第二道支撑底部,工况二为土方开挖至基坑底。由图8可见,土体的最大变形约在17~22mm之间,土体水平位移总体呈现为上大下小的纺锤状,土体水平位移主要发生在第二道支撑底部至坑底段,这是由于基坑坑底上部是易变形的土体,下部是难变形的砂性土。因为基坑北侧和西侧地面荷载较小,所以图8(a),(d)的测点土体的水平位移相对较小;因基坑东侧有建筑、南侧是新模范马路主干道,这两侧对应临时支护结构,因此图8(b),(c)的测点土体水平位移相对大一些,但并不影响主体结构地下室外墙的正常施工,且满足周边环境的保护要求。通过信息化的监测数据反映,支护结构是稳定可靠的,整个开挖阶段并未影响周边道路和市政管线的正常使用