桩—拱围护体系在厦门某深基坑施工的应用技术

一、工程概况

该大厦地处老市区繁华地带，位于中山路与鹭江道交汇处之东南，西与海滨大厦为邻，相距15m;东临水仙路，距民房10m;南与三条巷民房相距6～7m，北与民房相距2.5~15m。邻近的旧民房均为三四十年代砖混结构的建筑物，场地周围地下有城市下水道和电讯设施。

大厦为 35层内筒外框结构的综合性高层建筑，总高度为 110m，总建筑面积41000m²。设有1层地下室，地下室底板离原地坪（黄海高程5.2m左右）约 8m左右，基础采用62根人工挖孔灌注桩支承在中风化岩层上。

建筑场地原属厦鼓港湾滨海滩地，其地质构造从上而下为;①杂填土层约5~6m，为1928年填海造地而成;②海相淤泥层约1～4m，分布不均，工程地质性能差;③残积亚粘土层约2～10m，可塑硬塑状，系中粗粒花岗岩残积物;④花岗岩层，它穿过厦鼓海峡底部与鼓浪屿的花岗岩连成一体，形成一个极为稳定的巨大岩基。

根据地质部门1990年11月勘察，地下水位在地表下1.6~2.6m，系孔隙水由大气降水补给，水位受季节变化影响较大，且地下水与潮水有极为密切的水力联系。

二、围护结构的设计

根据工程场地的情况，地质较复杂，地下水受每天两次海潮涨落影响，施工场地狭窄和周围旧民房迫近，施工工期要求紧、这无疑给基础施工带来较大的困难。因此，如何采取相应、合理的围护结构成为一个非常关键的问题，要求围护结构设计应做到基坑开挖和降水对邻近建筑物不影响、围护结构安全可靠。便于施工从而达到缩短工期和降低造价。

1.围护结构方案的确定

围护结构方案将直接影响工程的工期、质量、成本、安全。我们考虑下面几个围护方案，分析它们的优缺点，然后选用最优的方案。

（1）悬臂桩方案。沿基坑周围设置悬臂式人工挖孔桩，施工简便，但设计桩长较大，所需钢筋用量很大而便工程造价增高。且随着基坑开挖深度的加深，在土压力作用下桩顶位移量增大，这对临近建筑物和基坑开挖的安全造成威胁。

（2）桩一斜拉锚方案。沿基坑周围设置围护桩，在围护桩上黄标1.7m处设置腰梁，斜拉锚固定在腰梁上，腰梁成为桩的一个支点，但场地的地质分布不均，锚杆长度不一施工不便，且土层锚杆的安全可靠度尚有待于通过抗拔力试验测定，势必影响工期和提高施工成本。

（3）内支撑方案。围护桩沿基坑周边布置，桩顶设锁口梁，在坑内设多道支撑，其支撑跨度最长约为30m，支撑所需的断面大，在长支撑下还宜设支承点，支撑系统将影响基坑土方的开挖和地下室的施工，降低施工速度。

（4）桩—拱围护体系方案。将围护桩沿基坑周边布置，在坑口外面做多个连续圆拱。用拉杆（采用钢筋和钢筋混凝土小梁结合）将围护桩顶部与圆拱联系起来，即将土压力作用在围护桩上支点的水平力由拉杆传给圆拱承受。

经过技术、经济、工期的分析比较，见表1，我们选择采用桩—拱围护体系作为实施方案。我们认为这种桩—拱围护体系方案具有如下优点∶

（1）所有围护桩（除拱脚处外）均按上部为铰支计算，可大大减少桩的配筋用量和桩的锚固长度。

（2）利用圆拱的良好受力性能。将桩顶水平拉力转化为混凝土圆拱的轴向压力，充分发挥混凝土的良好受力性能。

（3所有围护桩沿周边布置，减少基坑开挖土方量。充分提供在有限的场地下组织施工所需的施工用地。

（4）在圆拱与锁口梁之间加几道连系杆增加圆拱的刚度，提高结构的安全度。

（5）钢筋混凝土圆拱施工在地面进行，施工条件好，工艺简便。

（6）可利用拱（圆拱下加支承桩）提供一个安全可靠的145t ·m塔吊支座。2.围护桩的设计

根据桩--拱围护体系，围护桩采用人工挖孔桩，桩按二种形式设计，拱脚处的桩为 d =1500mm的悬臂桩（这是因为拱脚处的桩受力较复杂，故特意加强），拱腹处的桩为 d =900mm的简支桩，并采取空、实桩间隔布置。

沿基坑周边线采用空、实心桩结合。相互间隔布置使之互相咬合，从而基坑周边的坑壁形成整圈密闭的防水痛墙。以堵住坑外地下水及潮水向基坑内渗透，达到既挡土又防水的作用，有利于因基坑降水而不影响周围旧民房产生沉陷。

（1）围护桩的荷载取定。根据施工组织设计的施工总平面布置，基坑边堆料、运输等因素引起的地面荷载不同以及地质条件不同，土的力学性质参数C、g不同等因素，沿基坑周边分成六段进行围护桩设计，每一段桩按该段中具有代表性的钻孔地质资料进行土压力计算，土压力计算采用古典的朗肯理论，并考虑地下水及地面荷载的作用。

（2）桩的平衡计算。土压力按三角形分布作用在围护桩上，每根实心桩所承受土压力范围取为相邻实心桩间距 2.4m。拱腹的围护桩按在土压力作用下两端简支的模式计算，

其上端支点为锁口梁。下端理人坑底土中，反力按两倍安全系数由被动土压力平衡;挑脚的围护桩按主动土压力作用下的悬臂桩计算。桩进入坑底土中深度同样按两倍安全系数由被动土压力平衡，桩底视为固端锚固。

（3）桩的配筋计算。简支的围护桩按单向受弯配筋，取桩截面的内接矩形为计算截面，考虑使矩形截面的抵抗矩最大，按普通钢筋混凝土矩形梁公式计算，短形截面按下式确定为

3.拱梁的设计

桩—拱围护结构体系的关键在于拱梁的设计。但地面连续圆拱结构相当复杂。对连拱进行力学分析的影响因素很多，要完全按实际结构进行计算极其困难，为了便于对连拱的力学分析，我们将实际结构简化为既能反映实际情况又便于计算的力学模型。我们对整个结构体系进行如下简化∶

（1）将所有的结点（如图2中的a、b、c、d、e、g、i、j点）简化为铰点。

（2）在结点上设立饺支座。

（3）忽略支座沉陷对梁拱的内力影响。

（4）忽略相邻圆拱微小变形的相互影响。

这样的简化分析显然与实际结构体系的受力是有一些差别的。首先是结点简化为饺结点，因为在荷载的作用下各结点两边的构件的夹角是不会改变的，但是本结构体系主要是计算圆拱内力，根据力学析可以证明，圆拱的内力以轴力为主。弯矩、剪力较小居次要地位，所以这一简化不会影响整个结构的受力分析，至于圆拱的内力中的弯矩值出入较大，在实际构件截面设计中予以调整。

三、围护结构的施工

（1）在围护结构施工前，我们根据现场的实际情况先用装载机将原有地面降低 1.0m 左右并整平，方便围护结构的施工放样，且降低围护结构的造价。然后进行围护桩施工，围护桩采用实心桩和空心桩间隔布置，实心桩用来承受土压力，空心桩用来连接相邻两个实心桩。形成整围密团的防水善墙和挡土墙，保证基坑开挖时，坑外土方不塌方和堵住坑外地下水及潮水不向坑内渗透，并可利用一部分空心桩作为基坑土方开挖的降水井。见图3。

（2）对在地下水位以上的所有实心桩和空心桩采取全面铺开施工，对在地下水以下的实心桩采取间隔跳挖法，将其挖至一定深度后将空心桩插人与其交叉施工，并采用抽水回灌法。即待先施工的护壁混凝土养护一定龄期后再挖邻孔。将其井内水排至正在进行护座混凝土保养的孔内。这种做法既保证护壁混凝土的质量和强度。又减少因大面积降水而造成邻近建筑物的沉降和开裂。

（3）对处于中粗砂层的围护桩，采用"短节"施工法，根据砂层的颗粒组成和含水量，而缩短每节施工的高度，并采取短钢筋斜插进土体，塞入稻草。避免由于流砂引起塌孔。

（4）工程桩是以入中风化岩1.5倍桩径作为持力层，施工中需进行爆破。为确保整个围护结构的安全，对接近围护结构的部分工程桩采用同时施工，从而避免因工程桩的爆破产生振动波，影响围护桩的质量，使围护桩有效地起着围护的作用。

（5）为保证拱梁受力能符合我们所建立的力学模型。在拱梁腹部设置支承桩，防止拱梁在平面外的沉陷而影响桩一拱围护体系的整体受力。

（6）土方开挖采用分两层施工。第一层全面开挖3~4m。第二层除留车道外从中间向周边开挖，挖至将近基坑设计标高时，从北面淤泥层向南面退挖至基底，并边开挖边施工混凝土垫层。

四、桩一拱围护体系实施和监测结果

由于该力学模型为理想模型，影响整个结构体系受力因素很多。特别是外部荷载，存在差异。直接影响整个结构的受力。为保证整个工程绝对安全可靠、施工时对围护结构进行监测。从监测的数据来看，围护桩的最大变形为14.7mm，拱梁的最大变形为 8mm，周围建筑物的最大沉降量为 4mm，均在允许范围内。

在土方开挖过程，还经受厦门大潮水的考验，特别是8月29日遇到大暴雨和涨潮，海水通过下水道从西南淹没拱梁流入基坑，整个围护结构安然无恙，受力状况是理想的，完全符合设计要求。

设置在基坑内的支撑系统。将会影响地下室墙体的施工。在围护结构体系设计中还考虑了地下室底板混凝土浇捣完毕后，支撑系统拆除后围护结构还能保证具有足够的强度和刚度。实践证明在特定条件下采用桩—拱围护体系是可行的、成功的，可取得较好的经济效益和良好的社会效益。