项玲芳周禄龙翔
中国建筑第八工程局有限公司青岛分公司山东省青岛266061
摘要：当施工场地受限，用地红线、基坑边缘线距离较近，混凝土桩（墙）支护结构难以实施时，微型钢管桩结合预应力锚索（杆）便成为大家首选的支护形式，既解决了工作面狭小混凝土桩（墙）施工机械无法实施的困难，又保证的基坑及周边地物的安全稳定。
本文对微型钢管桩支护结构的计算分析进行阐述，希望对类似工程有一定的指导意义。
关键词：微型钢管桩预应力锚索弹性支点法变形控制
随着城市建设的高速发展，建筑施工周期越来越短，深基坑支护的设计与施工则成为地下空间结构施工的重中之重。既要保证基坑及周边地物的安全稳定又要快速完成基坑支护结构施工，为地下空间结构的施工创造条件。目前常用的深基坑支护形式主要有排桩或、地下连续墙结合内撑或锚杆支护体系、土钉墙支护体系、SMW工法体系，其中以混凝土桩（墙）体系为主。但当场地受限时，就需要一种施工简易便捷、支护体量小的支护形式代替混凝土桩（墙）。微型钢管桩支护体系应运而生，它的诞生与应用对于保障地下空间的安全稳定，加快施工进度有着非比寻常的意义。
微型钢管桩是指桩径不超过300mm，桩长与桩径比不小于30的钢管桩基，多用于建筑、桥梁以及输电线路设备基础的加固与改造工程中。由于其施工快捷、作业面小，其适宜性和经济性比混凝土桩（墙）有很大优势。本文以某工程为例，就微型钢管桩设计中的一些问题进行探讨。
一.工程概况
某商业工程设计地下二层，占地面积275m×1145m，按地表算基坑深度9m，基坑四周均为市区二级道路，2倍基坑开挖深度范围内无暗埋管线（构筑物）等影响基坑开挖的障碍物。拟建建筑物地下室外墙线距离用地红线6m，坡顶2m范围内卸载，地下室外墙线距离垂直支护面1m，坡顶距离用地红线仅3m。由于工作面狭小，混凝土桩（墙）机械所需工作面大而无法实施，经计算分析后采用钢管微型桩结合预应力锚索支护体系。微型钢管桩采用Φ127×5mm无缝钢管，间距@700mm，锚索共设3道，长度分别为16m、12m、9m，第一、二、三排预应力锚索水平间距均为2.1m。具体如图1所示。
图1微型钢管桩结合预应力锚索支护结构剖面
施工时先进行2m范围内的土方卸载施工，然后采用锚杆钻机施工微型钢管桩。钢管桩施工完毕后进行冠梁施工然后随土方逐层开挖进行预应力锚索及钢腰梁施工。土方开挖严格控制开挖标高，每层土方均开挖至锚索标高下500mm，然后施工预应力锚索，等锚索索体强度达到设计强度70%且大于15MP时（一般为注浆后10d，具体应根据抗压强度结果确定）进行张拉锁定后方可进行下层土方开挖，如此逐层开挖、逐层施工预应力锚索直至开挖至基底。
二.地质概况及计算参数
根据地表调查和钻探揭露，场地地层主要有第四系全新统填土层及燕山晚期侵入岩层。岩土特征自上而下分述如下：
①素填土（Q4ml）：黄褐色～灰褐色，稍湿～饱和，松散，主要以风化砂、黏性土为主。层厚0.50～5.20m，层底标高-0.63～3.88m，层底埋深0.50～5.20；
②粉质粘土（Q4ml）：黄褐色～灰黑色，饱和，软塑～可塑，刀切面光滑，韧性中等、干强度中等，粘性较好。层厚0.30～3.10m，层底标高-2.15～2.38m，层底埋深2.00～5.00m；
③中粗砂（Q4al+pl）：黄褐色～青灰色，饱和，稍密，主要成分为石英、长石，磨圆度较差，级配较差，砂质不纯，含约10～20%的粘土。层厚0.80～4.20m，层底标高2.70～5.40m，层底埋深-1.43～1.41m。
④全风化花岗岩（γ53）：黄褐～青灰色，中粗粒花岗结构，块状构造，组织结构基本破坏。岩芯呈砂土状，干钻易进，岩体完整程度为极破碎，岩石坚硬程度为极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。该岩层遇水具有可软化性、崩解性。层厚0.50～6.10m，层底标高-4.77～1.27m，层底埋深3.20～8.50m。
⑤强风化花岗岩（γ53）：黄褐色～青灰色。中粗粒花岗结构，块状构造，结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育。主要矿物为长石、石英。岩芯呈砂土状、砂状、角砾状。岩石坚硬程度等级为极软岩，岩体完整程度为破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。该岩层遇水具有可软化性、崩解性、开挖后有进一步风化的特征。层厚0.40～21.50m，层底标高-20.81～1.91m，层底埋深2.20～24.50m。qsk
表1基底以下各土层基坑支护设计参数
三.微型钢管桩预应力锚索支护结构计算分析
微型钢管桩预应力锚索支护结构与钢筋混凝土桩（墙）预应力锚索支护结构计算原理基本相同，因钢管桩刚度相对较小，钢管桩结构计算又有不同于钢筋混凝土桩（墙）之处。
1.支护结构位移及内力计算
微型钢管桩就其受力特点而言是承受水平土压力的受弯构件，按照相关规范规定的计算方法应先计算各工况下主动区水平荷载与被动区水平抗力，然后根据所得的主动土压力与被动土压力进行结构计算。
本工程基坑支护微型钢管桩结构计算采用弹性地基梁法计算，预应力锚索视为弹性支点。其主要工况下位移及内力如图2-4所示，从图中可以得出微型钢管桩最大位移23.5mm，最大弯矩13.1KN.m，最大剪力42.4KN。
2.微型钢管桩桩身强度验算
结构计算完毕后，需根据计算所得最大弯矩、最大剪力来验算钢管桩的桩身强度。
（1）钢管桩抗弯强度按公式1进行验算。
（公式1）
式中，Mx、My分别为同一截面处绕x轴和y轴的弯矩；Wnx、Wny分别为对x轴和y轴的净截面模量；γx、γy分别为对x轴和y轴截面塑性发展系数，对圆形钢管截面，γx=1.15，γy=1.15；f为钢材的抗弯强度设计值，对于壁厚≤16mm的Q235钢材，f=215N/mm2。
（2）钢管桩抗剪强度按公式2进行验算。
（公式2）
式中，Q为计算截面剪力；A为计算截面面积；fv为钢材的抗剪强度设计值，对于壁厚≤16mm的Q235钢材，fv=125N/mm2。
本工程基坑支护钢管桩选用Φ127×5mm无缝钢管，其截面特征参数为Wnx=56.24cm3，A=19.16cm2，钢管桩桩身强度验算结果如下：
微型钢管桩的抗弯强度、抗剪强度均满足规范要求。
3.预应力锚索计算
基坑工程预应力锚索的计算是一项重要内容，由于锚索施加预应力，可有效控制基坑支护结构的水平位移。确定基坑支护结构最大可接受的水平位移值是一个影响因素很多的问题，很难一概而论。诸如土质情况、支护结构形式、基坑深度、基坑周边环境复杂程度、邻近既有建筑物的刚度以及其对地基变形的敏感程度等都与确定支护结构最大允许位移密切相关。实践中往往凭借工程师的经验支护结构水平位移计算值是否适宜，在邻近既有建筑距离基坑近、既有建筑结构刚度差、对地基变形敏感的情况下，支护结构水平位移要从严控制。在一般情况下，支护结构允许水平位移可参照基坑深度的0.2%～0.3%来确定。
根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）的规定，土层锚索的计算包括六部分的内容：一是作用在挡土桩上的土压力计算；二是挡土桩的入土深度和土层锚杆索的水平拉力计算；三是土层锚杆的抗拔计算（以此确定土层锚杆非锚固段的长度和锚固段的长度）；四是钢拉杆截面的选择计算；五是土层锚杆深部破裂面的稳定性验算；六是土层锚杆的整体稳定性验算。本工程基坑支护结构最大水平位移计算值为23.5mm，这个位移值在本基坑工程中是可以接受的。关于预应力锚索的具体计算，诸多文献均有介绍，在此不作赘述。
四.结语
通过本工程实践，说明微型钢管桩基坑支护中，尤其是在场地狭小的条件下应用是一种理想的替代结构，不仅能够满足基坑稳定要求而且具有施工简单、快捷、经济的优点。微型钢管桩在设计计算时应考虑其刚度与混凝土桩的差异，刚度差异导致受力及变形的差异，另外由于微型钢管桩体型小管壁薄，必须核算钢管桩的抗弯和抗剪强度。
参考文献：
[1]中国建筑科学研究院.JGJ120-2012《预铺防水卷材建筑基坑支护技术规程》[S].北京：中国建筑工业出版社.2012
[2]任望东.微型钢管桩支护结构在北京某基坑工程中的应用.《国防交通工程与技术》（增刊），2007第1期