深大基坑紧邻边坡后设塔吊基础加固设计与应用

韩建聪

(中国建筑股份有限公司，北京 101300)

随着国际化大型建筑工程日益发展，深大基坑工程越来越多，为满足建筑工程施工进度和成本要求，在深大基坑边坡附近安设塔吊也成为一种发展方向。在实际工程中，工程技术人员如何根据工程现场实际环境合理科学的设置塔吊基础，并对塔基进行有效、安全地加固处理以满足各种承载要求，是我们必须面临和解决的一个课题。本文重点介绍一种针对工程实际情况，研究开发并得到成功应用的深大基坑边坡附近后设塔吊基础加固处理技术。

1 工程概况

北京某大型医院工程位于北京市朝阳区繁华地段，总建筑面积55 000 m2，其中地上 42 000 m2，地下 12 000 m2，建筑高度为90 m，地上19层，地下2层，工程结构类型为钢筋混凝土框架剪力墙结构。基坑开挖面积为87 m×130 m，基坑开挖最深为12 m，边坡上部3 m采用土钉支护，下部采用桩锚支护，工程属于深基坑开挖(见图1)。

2 施工难点

本工程总承包单位进场时，建设单位已经委托其他基坑土方施工单位完成了医院工程的深基坑土方开挖和深基坑支护。因此，当总承包单位在基坑支护完成后进场时，垂直运输机械塔吊的合理布置成为总承包单位的一个难题。

图1 解放军医院工程基坑平面布置图

3 初步设计构想

由于本工程建筑面积与平面占地面积都比较大，约为85.7 m×128 m，垂直运输部署总体思路本着塔吊配置既要满足现场施工进度安全要求，又要尽可能的节约成本支出，实现塔吊配置最优化。为此，总承包项目部经过征求广大工程技术人员的建议意见，集思广益，取长补短，初步提出三个方案。方案一:根据该工程平面面积大、工期紧的特点，在建筑物的北侧、南侧、东侧各布置1台塔吊，其中北侧南侧塔吊布置于基坑内，东侧塔吊布置于远离基坑10 m之外的场地上。方案二:选择在基坑西侧、东侧各布置1台塔吊，西侧、东侧塔吊布置于基坑内。东侧塔吊布置时，需要将东侧部分原有基坑支护拆除，重新挖出塔吊布置空间，之后再对边坡进行支护。方案三:选择在西侧基坑内布置1台塔吊，在东侧基坑边上临近边坡0.9 m处布置1台塔吊，但是需要对塔吊基础进行特殊处理和加固，即对塔吊基础进行微桩加固。

4 设计方案决策

通过工程技术人员对三个初步方案的认真分析比较，总体认为，方案一:设置3台塔吊虽然可以满足工程进度工期要求，但是3台塔吊的机械投入成本较高;方案二:设置2台塔吊，较方案一虽然节约了1台塔吊，但是需要对东侧基坑边坡进行拆除、挖土和重新支护，又需要增加大笔投入;方案三:设置2台塔吊，在方案一基础上减少1台塔吊，同时，不需要对东侧原有边坡进行拆除和重新支护，减少了投入1台塔吊的费用和东侧边坡拆除支护的成本，既能满足工程进度需求，又能节约成本。方案三需要对东侧塔吊基础进行特殊加固处理，以满足使用要求。

东侧塔吊选择1台H3/36B型号塔吊，放置于深基坑边坡处，塔吊基础紧邻基坑边。塔吊厂家说明书要求地基承载力不小于200 kPa。经查看本工程地质勘查报告，场地+0.000 m～-12.000 m深度范围内天然地基承载力无法满足塔吊厂家要求的200 kPa的地基承载力，所以必须对塔吊基础进行加固处理。由于本工程基坑支护工程已完毕，周边环境复杂，若施工基础桩，机械设备已经无法进场实施;如果采用人工挖孔桩，北京市区不允许，因此，我们经过认真研究和征求建筑工程业内专家意见，决定采用“微桩群+土钉群”的加固支护方案来解决这个问题(西侧塔吊放置于基坑内，塔吊基础按照厂家要求制作满足使用要求)。

5 微桩加固技术

5.1 工程地层情况

本工程场地地层以粘性土、粉土为主。其地层如下:

①人工堆积层:房渣杂填土①层，松散～中上密，湿～饱和，较软～硬;粘质粉土素填土①1层，褐黄色，松散～中密，湿～饱和，较软，平均厚度1.5 m。

②第四纪沉积层:层顶标高为18.33 m～42.30 m，平均厚度为24 m。各层如下:砂质粉土、粘质粉土②层，褐黄～褐灰色，中密，饱和，中硬，夹②1层粉质粘土和②2层粉砂。粉砂、细砂③层，灰～褐黄色，中密～密实，饱和，较硬，夹粉质粘土薄层。粉质粘土④层，黄褐～褐黄色，饱和，可塑～硬塑，中硬，夹粘质粉土～砂质粉土④1层。砂质粉土～粘质粉土⑤层，褐黄，密实，饱和，中硬，夹细砂⑤1层。

5.2 微桩群加固技术

东侧塔基混凝土承台平面为5.6 m×5.6 m，厚度为1 350 mm，基础中心离深基坑边壁为3.7 m。设计布置25根微桩，孔径150 mm，微桩内置φ80钢管，整个孔洞用P.O32.5水泥浆注满，每根微桩全长13.85 m，其中伸入土体中12.5 m，超过基坑底部2 m，外露1.35 m将与塔基承台浇筑在一起。微桩均匀布置在承台平面中，微桩之间间距1.1 m，周边微桩离各自承台边壁为1.15。微桩设置见图2。

图2 微桩及土钉布置平面图

5.3 土钉群加固技术

东塔基础西侧离基坑边壁仅0.9 m距离，北侧离基坑边壁5.7 m。在东塔基础北侧离地面1.0 m处，布设一排(4根)土钉，土钉全长为8 m，其中伸入土体分别为5 m，孔径100 mm，土钉间距1.0 m左右;东塔基其他两面离地面1.0 m处，各自均布设一排(4根)土钉，土钉全长12 m，其中伸入土体9 m，孔径100 mm，土钉间距1.1 m左右;共布设12根土钉。外露的土钉钢筋必须与塔基承台浇筑在一起。土钉设置见图2，1—1基础断面图见图3。

图3 1—1基础断面图

6 受力计算

我们须对东侧塔吊进行受力计算。

1)塔吊作用力参数:

2)基础尺寸:厂家给定5 600 mm×5 600 mm×1 350 mm。

3)天然地基参数:fak=100 kN/m2，容重19 kN/m3。

4)基础底面作用力:

5)偏心距:

对于方形基础:ex=0.707e=0.707 ×1.09=0.77 m。

6)微桩群设计参数:

塔吊紧邻基坑，取桩长稍大于坑深L=12.5 m;

桩径150，截面积 0.018 m2，周长 0.47 m，混凝土 C30，fc=14.3 N/mm2;

钢管 φ80 ×4，截面积1 030 mm2，周长251 mm，fy=210 MPa。

6.1 微桩极限承载力

1)承压桩极限承载力。

其中，qpk为桩端承载力，换算为750 kN/m2;qsik为桩侧摩阻力，换算为70 kN/m2;桩体强度核算R1=φ(fcAp+fyAs)=14.3×(18 000-1 030)+210×1 030=458 970 N=459 kN ＞425 kN，满足要求。

2)承拉桩承载力。

抗拉桩自身强度核算Rb=As×fy=1 030×210=216.3 kN＜417 kN，所以以216.3 kN作为承拉桩承载力。

6.2 微桩主要受力计算

1)基底压力计算。

2)受压承载力验算。

微桩群能承受最大压力为 25×425/(5.6×5.6)=338.8 kN/m2＞ Pmax=250 kN/m2。

可以看出，承载力可以由微桩群承担，可保守不考虑天然地基提供的承载力。微桩能够满足塔吊最大应力荷载需求，满足工程要求。

3)抗倾覆验算。

本工程设计的塔基体系有两个抗倾斜因素:第一是与塔基承台浇筑在一起的四周的土钉作用;第二是微桩群与塔基承台内的钢筋浇筑在一起，共同作用的微桩群。尤其是第一个因素，对塔吊抗倾斜有很好、很大的作用，根据以往施工实际结果和土钉力学计算，中心最大倾斜量一般不超过几毫米，抗倾斜是毫无问题的。

为了从量化关系上说明抗倾斜能力，我们保守考虑一种最危险的模型来计算，即最危险情况:塔吊在外部力矩M和水平力H共同作用下，塔吊基础向基槽内倾斜，以塔吊最外侧为支点。并且我们只考虑微桩的抗倾斜能力，不考虑土钉对抗倾斜的作用，也不考虑塔吊本身的重量情况及平衡配重的作用。

倾覆力矩为:M=M'+Hh=3 000+160×1.35=3 216 kN·m。

每根微桩的抗拔力为:Rb=216.3 kN。

每排有5根微桩，抗拔力为P=5Rb=1 081.5 kN。

抗倾覆力矩为:MS=1.1P+2.2P+3.3P+4.4P+5.5P=16.5P=17 845 kN·m ＞M=3 216 kN·m。

抗倾覆力矩远大于倾覆力矩。如果再考虑与塔吊基础浇筑在一起的土钉作用，抗倾斜力矩将会更大，因此，抗倾覆是绝对安全的。

7 微桩群及土钉施工要求

1)采用人工洛阳铲或小钻机成孔，成孔直径及深度应满足设计要求。成孔前，在设计孔位处作显著标志，确保成孔位置准确，成孔结束应及时安置钢管，并使其居孔中心。

2)土钉成孔时技术人员应控制好成孔角度，孔径和孔深度。成孔后将孔内的浮土清除。土层干燥地段用清水湿润。为确保钢筋置中，在主筋上每隔2 m焊接一个托架，然后放入指定的孔中。

3)注浆采用1根φ20 mm的塑料管作导管，孔口设置止浆塞。将搅拌好的水泥浆(水灰比为0.45～0.5)常压注入钻孔底部，自孔底向外灌注，注满后保持压力3 min～5 min，初凝前补浆不少于一次。

4)开挖塔吊基础至设计标高，然后根据设计在基坑四周进行土钉成孔和注浆施工。同时要将土钉端头和微桩钢管连接。

5)塔吊基础钢筋绑扎完毕，将土钉端头钢筋以及钢管和基础钢筋浇筑在一起。

8 结语

由于本工程是先完成深基坑支护后再进行基坑边设置塔吊，且场地条件比较复杂。为此工程技术人员集思广益、大胆创新、严格计算，研究设计出一种能够满足现场复杂环境下的塔吊基础加固处理技术，这种微桩处理技术不仅满足了现场施工需求，而且从总体造价上节约了成本，减少了机械投入，减少了二次拆除护坡重新支护的材料费和人工费。本工程塔吊通过将近一年多的使用，没有出现任何安全事故和安全隐患，得到了业主和监理的好评，创造了良好的经济效益和社会效益，为以后类似塔基处理提供了有力的借鉴。

［1］建筑工程施工手册［M］.第4版.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［2］GB/T 13752-92，塔式起重机设计规范［S］.

［3］JGJ 94-2008，建筑桩基础技术规范［S］.

［4］DB 11/489-2007，建筑基坑支护技术规程［S］.