深基坑工程支護樁侵限切除及加固處理研究

房江鋒，嚴 樹，劉國棟，趙鑫波，李 靜，王傳龍

（深圳宏業基巖土科技股份有限公司，廣東 深圳 518029）

0 引言

隨著城市化建設的不斷深入，城市建設用地越來越緊張，逐步出現了越來越多的項目面臨周邊環境復雜、毗鄰地鐵、高壓電纜、地下室結構無退線等困境，該類項目對基坑支護樁施工的精度和垂直度要求極高，由此給深基坑施工帶來了新的難點。深圳地區深基坑支護多采用咬合樁，而咬合樁施工中采用旋挖硬咬合工藝的較多。硬咬合施工受到地質條件、施工工序、素樁強度、鉆具導向性、操作人員技術水平等諸多因素影響，經常會出現支護樁對地下室外墻的侵限事故。孫玉輝等［1］根據侵限程度，提出了接樁法、補樁法、力傳遞法、增設錨索法等處理方法。謝軍等［2］在地鐵車站圍護結構侵限處理中對比了鉆孔灌注樁+MJS 旋噴樁支護、鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁支護、鉆孔咬合樁及高壓旋噴樁支護等處理方案，認為MJS 旋噴樁施工所需場地小、樁長大、樁間咬合充分，在粉土粉砂層中成樁質量有保證，止水效果好，工程可實施性強。孫一鳴［3］按圍護樁侵限程度不同將侵限事故劃分為輕微、較嚴重、嚴重、極嚴重等4 類，并計算了樁身截面損失引起的承載力變化規律，并提出了不同程度下的處理措施。丁曉軍［4］使用二次逼近法，對工程建設中常見的支護結構侵限問題處理而引起的削樁問題，建立了支護樁局部破除混凝土后的正截面抗彎承載能力計算方法，并與現場實施的工程項目相結合，對侵限削樁后的支護結構體系安全性進行了分析。

本文研究的工程所面對的問題涉及到周邊無施工空間、管廊等級高、建設方用地面積狹小等綜合因素，同時出現連續侵限的情況，處理難度較大；而目前研究的成果均無可借鑒案例。通過借鑒結構加固的施工方法和經驗，對樁截面切削和加固后承載力進行計算，對處理前的深層水平位移監測數據進行反分析、充分考慮基坑體系的空間效應，最終形成粘鋼加固處理方案。處理過程中，加強基坑監測頻次，同時對加固后樁身的深層水平位移監測結果、裂縫等進行分析，討論了樁身剛度變化及土壓力重分布對樁身受力的影響，為今后類似的工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 基坑支護概況

項目位于深圳后海片區，紅線內占地2911.25 m2，場地極為狹小?；又ёo采用咬合樁+3 道內支撐，基坑開挖深度19.6～22.3 m。北側及東西側采用?1.2 m（東南段1.4 m）、間距1.8 m 的葷素咬合樁結合3 道鋼筋混凝土內支撐的支護方式；南側在利用在建項目咬合樁的基礎上，增加了1 排?1.2 m、間距1.8 m 的灌注樁加掛網噴錨支護（本項目比南側在建基坑深3.2～5.4 m）?；游鱾揉徑诮ǖ纳钲诘罔F13 號線后海站，位于地鐵安全保護區范圍內；北側分布有110 kV 高壓電纜，電纜管溝侵入紅線內；東側沿紅線分布有高壓電纜及臨建。因用地緊張，設計肥槽僅預留15～30 cm，基坑典型剖面見圖1。

圖1 典型設計剖面Fig.1 Typical design profile

1.2 侵限情況統計

開挖至基坑底后，利用全站儀分別在坑底及第三道支撐梁施放地下室外墻控制線，使用量尺對每一根支護樁進行了測量，東側剖面統計的侵限樁位示意見圖2。

圖2 侵限樁示意Fig.2 Schematic diagram of invasion limit pile

經現場測量，東側支護樁在底板處樁身入侵地下室結構為20～81 cm，侵限支護樁為16 根。

2 處理方案比選

在土方開挖過程中，隨著土方開挖進度，分別測量每層支撐標高處的侵限情況。經對比、分析結構圖紙和測量數據，侵限影響嚴重的區段為第三道支撐至基坑底部區段；第三道支撐以上部分，侵限程度較低。因此，本次處理的重點區域為第三道支撐以下段的支護樁。結合地質條件、周邊場地條件、地下室結構設計等多種因素，論證了基坑外側補樁+注漿方案［5-7］、地下室外墻退線方案和粘鋼加固方案［8-10］。從地下室面積損失、建筑使用功能、施工可行性、經濟損失等方面綜合考慮，采用粘鋼加固方案處理為最優方案。

3 計算分析

3.1 異形截面建模

《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）（2015 年版）［11］和《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012）［12］等相關規范僅提供了圓截面承載力計算相關理論，尚無法計算樁切除后形成的異形斷面及張貼鋼板后截面的承載能力，因此需進行選取適當的計算工具進行復核計算。

纖維模型有限元計算程序廣泛應用于異形截面分析領域，可以對任意截面進行全過程截面分析。工程中常用來分析各種截面（如異形柱、組合截面等）的非線性特征點及承載力校核。本次采用纖維模型有限元計算程序對支護樁截面進行計算復核。切除侵限部分、粘鋼加固后截面模型見圖3。

本文利用纖維模型有限元計算程序計算支護樁極限受彎承載力設計值，因此材料強度均取用設計值?；炷两Y構設計規范給出的單軸受壓應力-應變曲線可以考慮箍筋約束作用、應變梯度等因素，通過對抗壓強度代表值、峰值壓應變、曲線形狀參數適當修正而得到對應本構關系；鋼筋本構模型采用不考慮強化階段的雙直線型模型，詳見《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）附錄C 及條文說明［11］。

3.2 承載力分析

計算選取東側剖面支護樁進行計算，該部位原設計支護樁樁徑為1.4 m，混凝土為水下C30，樁內鋼筋為28 根C28、HRB400 鋼筋。由原設計可知，在開挖至坑底工況下，支護樁樁身彎矩最大出現在基坑底與第三道支撐之間，彎矩值為3068.70 kN·m，如圖4 所示。

圖4 支護樁設計彎矩Fig.4 Bending moment diagram of support pile

經統計分析，采用粘鋼加固法處理，樁身切除量最大為500 mm，選取該樁作為最不利工況進行計算。此時該樁將切除11 根鋼筋，經計算切除后該樁剩余截面的彎矩-曲率（M-φ）曲線如圖5 所示，鋼板材質為Q355，規格為1000 mm×10 mm。計算結果顯示，樁身切除500 mm，主筋切除11 根，樁身抗彎承載力降低為原樁的31.3%；粘鋼加固后，樁身抗彎承載力為原樁的71.7%，且大于設計工況下樁身彎矩。從各截面的M-φ曲線可知，各截面發揮出有效彎矩抗力時對應的曲率不同，即樁身切除、加固后相較于原樁身的變形將有所增大。

圖5 各截面M-φ 曲線Fig.5 M-φ curves of each section

3.3 監測數據分析

（1）基坑支護樁主要承受側向土壓力，為受彎構件。樁身變形曲線和變形曲率之間的關系可以用如下公式表示：

式中：x——支護樁沿著基坑深度方向坐標數據；R——函數圖象的曲率半徑；φ——函數曲率。

基于彈性地基梁的假設，對支護樁受力進行分析，可以采用如下的微分方程求解支護樁的變形曲線方程：

根據材料力學純彎構件假設，桿件結構的變形函數、變形曲率和桿件所受彎矩M間的關系如下：

式中：EI——桿件截面抗彎剛度；M——截面彎矩。

根據式（3）可以計算出支護樁各個截面上所受彎矩值。

王佳賀等［13］研究了基于深層水平位移監測監測曲線的基坑圍護樁彎矩反分析，通過反分析可以充分掌握樁身實際受力情況。李文廣等［14］提出了光順樣條擬合圍護墻變形求曲率的計算方法，將計算得到的彎矩，與通過鋼筋應力計推算得到的彎矩進行對比分析，發現與通過鋼筋應力計推算得到的彎矩有著相當好的吻合性。王燁晟等［15］研究了多項式擬合法作為基坑圍護結構彎矩反分析的方法，多項式擬合的關鍵在于選擇合理的擬合次數，一般取值范圍為5～8 次為宜。

（2）根據該剖面的深層水平位移監測成果，選取第三道支撐以下的樁身深層水平位移監測數據，采用多項式擬合，擬合次數為7 次，擬合結果如圖6所示。

圖6 處理前深層水平位移實測曲線與擬合曲線的對比Fig.6 Comparison of measured curve and fitting curve of deep horizontal displacement before treatment

由擬合結果可見，樁身最大彎矩出現在第三道支撐梁下3.0～4.0 m 之間，該位置與圖4 所示位置相近。對該擬合曲線求導并計算曲線在彎矩最大點的曲率，代入公式（3），可求得該位置樁身的彎矩約為1382.12 kN·m，該彎矩值小于圖4 所示的設計彎矩值。

3.4 分析結果

經對加固前、后樁身抗彎承載力計算分析可知，通過粘鋼加固的方法對侵限支護樁進行補強，可以補償因截面和鋼筋損失造成的承載力損失。同時，經對樁身深層水平位移監測成果的反分析，判斷在開挖至坑底工況下，樁身實際承受的彎矩較計算值偏小。

經參建各單位多次論證分析，采取粘鋼加固方案可以滿足建設單位地下室功能需求、基坑安全及施工可行性要求，為最優方案。經基坑設計單位復核計算，最終確定需要切除侵限部分的支護樁13根，粘鋼加固支護樁為4 根；充分考慮基坑的空間效應，施工時需要采取分序、跳樁施工。

4 侵限處理施工

4.1 侵限處理原則

4.1.1 分層分序處理，確?；影踩?/p>

充分利用支護體系的空間效應，結合侵界支護樁的分布情況，地下室結構范圍內支護樁分為4 序施工，一序支護樁鑿除完成后，在鑿除樁表面粘貼10 mm 厚Q355 鋼板進行加固，加固完成后鑿除二序侵界支護樁，二序侵界樁鑿除完成樁身加固后，鑿除三序侵界樁并完成樁身加固后，鑿除四序侵界樁并進行加固（見圖7）。

圖7 分序施工示意Fig.7 Schematic diagram of step?by?step construction

4.1.2 加強監測，信息化施工

施工期間除原基坑監測項目外，新增加了樁后土體深層水平位移、粘貼鋼板應變監測，對鑿樁期間的變形進行監測。根據監測數據判斷監測對象是否安全、是否需要采取緊急措施，以確?；庸こ贪踩约肮こ探ㄔO的順利實施。

4.2 粘鋼加固施工

4.2.1 止水帷幕加強

為防止基坑支護樁在切除及加固過程中，樁身咬合量較小或者開叉部位土體流失造成滲漏，采用在基坑內側增加超前小導管注漿的方式預防樁間滲漏。超前小導管注漿施工現場見圖8。

圖8 超前小導管注漿施工現場Fig.8 Advanced small pipe grouting construction site

4.2.2 侵限切除

支護樁侵限處理根據侵限支護樁分布情況，分為4 序進行切樁后加固施工，參見圖7。

切樁施工采用繩鋸切割，人工風鎬輔助的破除形式。切樁工藝如下：施工準備→支撐腳手架搭設→劃線定位→水鉆鉆孔→定位切割→混凝土塊吊裝→場地清理→支架拆除。

4.2.3 粘鋼施工

因受現場工作面及吊裝設備的限制，將加固的鋼板分割為30～40 cm 的條帶狀，更有利于現場組織施工。

粘鋼施工工藝如下：基層處理、打磨→定位、放線→壓條及鋼板鉆孔→下料、制作→安裝、焊接→化學錨栓植入固定→封口→密封檢查→漿料調配→灌漿→空鼓檢驗→空鼓位置處理。 加固施工現場見圖9。

圖9 加固施工現場Fig.9 Reinforcement construction site

粘鋼施工的關鍵在于保證鋼板與樁身切面之間的有效粘結。因此，待結構膠固化后，應采用小錘敲擊鋼板，進行空鼓檢驗，若無空洞聲，表示灌漿密實。灌漿的密實度應＞95%，否則應在適當部位鉆孔補灌，直到滿足要求。

4.3 施工期間監測結果

4.3.1 裂縫監測

支護樁侵限部分被切除后，樁身截面發生改變，樁身剛度退化，該樁外側土體應力重新分布，樁身發生變形，荷載向相鄰樁轉移，直至達到新的平衡狀態。部分樁切割后在切面上出現水平裂縫，為樁身剛度退化、變形所致。裂縫出現后，在裂縫位置設置裂縫監測點，裂縫寬度均比較穩定，未進一步發展。

4.3.2 加固施工期間基坑監測

支護樁切除和加固施工時間為2022 年8 月6—29 日，選取該側基坑（第三道支撐至基坑底部）的深層水平位移監測成果（如圖10 所示）分析，由監測成果可知，支護樁在侵限切除期間，樁身截面改變、剛度退化，水平位移發生變化，待樁后土體應力重分布完成后，位移即收斂穩定，最大水平位移約為21.79 mm，小于深層水平位移控制值（樁體深層水平位移控制值40 mm，報警值32 mm）。施工期間，基坑穩定性良好。

圖10 深層水平位移監測成果Fig.10 Deep horizontal displacement monitoring data

4.3.3 加固處理后基坑監測結果分析

按照前文3.3 節所述的分析方法，對粘鋼加固施工完成后的深層水平位移監測成果（以2022 年10月1 日監測成果作為分析對象）進行擬合分析，擬合次數為7 次，擬合結果如圖11 所示。由擬合結果可見，樁身最大彎矩位置與處理前基本一致，位于第三道支撐梁下3.5～4.5 m 之間。對圖10 所示擬合曲線求導并計算曲線在彎矩最大點的曲率，代入式（3），可求得該區段內樁身的彎矩約為2437.00～2737.00 kN·m，由前述3.2 節分析可知，該區段內彎矩值小于粘鋼加固后截面的受彎承載力。

圖11 處理后深層水平位移實測曲線與擬合曲線的對比Fig. 11 Comparison of measured curve and fitting curve of deep horizontal displacement after treatment

5 結論

經過對侵限支護樁原樁、切除侵限、粘鋼加固等形態的抗彎承載力分析，并結合基坑監測結果進行反分析，確定了粘鋼加固的處理方案，并有效實施，取得良好實踐效果，同時得到如下結論及成果：

（1）支護樁截面和鋼筋的切除對受彎承載力影響顯著，且隨著切除量的增加承載力損失呈非線性增加。支護樁受截面形態和鋼筋分布影響，工作狀態下受力極為復雜。處理方案論證階段，建議對樁身深層水平位移等監測數據進行分析，利用構件截面的M-φ關系，對樁身受力狀態進行研究，為侵限處理提供計算支持。

（2）采用粘鋼加固方法處理切除侵限的支護樁，可以補償因樁身截面和鋼筋損失造成的承載力損失。施工監測數據表明，樁身侵限切除后，受樁身截面及剛度發生改變、土體應力重分布的影響，水平位移值有所增大。經對加固后截面的M-φ關系分析可知，支護樁樁身彎矩也隨之增大，但仍小于加固處理后支護樁的承載力，基坑處于安全狀態。

（3）對于連續侵限的支護樁處理，應充分利用基坑體系的空間效應，合理安排工序，分序、跳樁進行切除和加固施工。施工期間，應加密基坑監測頻率，根據監測結果信息化指導施工。