曾潤忠，張元才

(華東交通大學(xué) 軌道交通學(xué)院，南昌 330013)

基坑在開挖施工中，由于地層應(yīng)力的變化及水土流失的產(chǎn)生，將可能使坑壁土體產(chǎn)生變形破壞，影響基坑的施工及附近建筑物的穩(wěn)定及安全。軟弱地層土體抗剪強(qiáng)度低，土體穩(wěn)定性差，深基坑開挖一般需要采取一定的支護(hù)措施，在施工條件允許的情況下，采用多種措施聯(lián)合對基坑進(jìn)行支護(hù)[1-3]，能減小基坑變形，降低工程造價，提高施工速度，并為后續(xù)工作提供必要的施工條件。

1 工程概況

某市重點道路交通工程，其跨海大橋與國際機(jī)場連接的道路按城市主干道設(shè)計，設(shè)計時速60 km/h，雙向6車道。道路需跨越既有鐵路線，為了不影響鐵路的安全運營，減少施工干擾，連接道路設(shè)計采用淺埋暗挖隧道穿越鐵路，與淺埋隧道相連部分為明挖暗埋段隧道及開敞式U形槽路段。被跨越鐵路線包括國家干線鐵路、車站牽出線、專用線及一組鐵路道岔，且3～4條股道交錯設(shè)置，基坑開挖面局部點距鐵路牽出線路基最小距離約為1.5 m，基坑附近有局部棄土堆及材料堆，平面布置十分復(fù)雜，且受列車行車動荷影響。

明挖暗埋段隧道采用先明挖基坑后進(jìn)行立模澆筑混凝土的施工方法。長大深基坑施工為本工程的關(guān)鍵部分之一。明挖暗埋段基坑長128 m，寬26～30 m，開挖深為5.5～14.0 m，局部開挖深度達(dá)16.5 m(集水井處)。基坑開挖平面圖如圖1所示。

圖1 基坑開挖平面

工程位于階地岸坡、濱海潮間帶灘涂地形處，地層成因復(fù)雜，區(qū)內(nèi)第四系為濱、淺海相與海陸交互相和洪沖積成因的沉積物，其下為時代不明的殘積層直接覆蓋于不同巖性的基巖剝蝕面上，具有層序復(fù)雜、相變劇烈、厚度不均的特點。

工程區(qū)域內(nèi)各地層的力學(xué)性能從新至老如表1。

工程區(qū)域內(nèi)無河、溪水等水系分布，基巖為花崗巖，風(fēng)化層不均，含有少量孔隙水，地下水不發(fā)育。主要受大氣降水補(bǔ)給，地下水位受季節(jié)性控制明顯。

表1 各土層物理力學(xué)性能

2 基坑支護(hù)體系

2.1 原設(shè)計支護(hù)形式

基坑一端緊靠鐵路，右上角點距鐵路牽出線路基約2 m，為確保施工期間鐵路安全運行，降低基坑施工造成的鐵路路基沉降，必須嚴(yán)格控制基坑的變形。原設(shè)計圍護(hù)結(jié)構(gòu)ABC段(圖1)及 FGH段為 φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁，CDEF段轉(zhuǎn)角處為φ 1 200鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)置1 000 mm×1 200 mm鋼筋混凝土冠梁，灌注樁外圍止水帷幕采用φ650 mm深層攪拌樁止水，樁間距450 mm;圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入基底深度原則上按1倍基坑深度控制。基坑支撐為內(nèi)撐式，根據(jù)開挖深度不同，分別設(shè)置1～3層(局部4層)φ609 mm@6 000 mm鋼管(t=16 mm)作為內(nèi)支撐;道路中線采用φ800 mm@9 000 mm鉆孔灌注樁作臨時立柱兼作抗拔樁。

2.2 基坑的聯(lián)合支護(hù)體系

采用鋼管作內(nèi)支撐能有效減小基坑圍護(hù)的變形，降低周圍土體的沉降，保證鐵路的安全運行，但由于一次性用鋼量較大，投入成本過高;且采用多道鋼管支撐，將影響施工進(jìn)度，并嚴(yán)重制約利用明挖基坑對跨越鐵路的淺埋暗挖隧道的超前支護(hù)作業(yè)，進(jìn)而影響整個工程進(jìn)度。

為提高施工效率，節(jié)約施工成本，對基坑采用樁錨加水泥高壓旋噴樁的聯(lián)合支護(hù)方式。即ABC段及FGH段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)仍為原設(shè)計的鉆孔灌注樁，灌注樁外圍為深層攪拌樁止水;取消原設(shè)計鋼管內(nèi)撐，加設(shè)1～3層土層錨桿。CDEF段改為高壓旋噴樁加固土體，旋噴樁加固范圍為基坑外側(cè)2～6 m(靠近鐵路路基C，E點加固范圍較小)。旋噴樁加固土體的作用有三點:首先是為基坑止水;其次提高基坑土體強(qiáng)度，與鉆孔灌注樁及冠梁一起維護(hù)基坑穩(wěn)定;第三是作為下穿鐵路淺埋暗挖隧道洞口段加固措施，與后期的超長鋼管幕一起形成暗挖段的超前預(yù)支護(hù)工程。各段基坑聯(lián)合支護(hù)措施如圖2、圖3所示。

圖2 AC段、FH段基坑支護(hù)示意

圖3 CDEF段基坑支護(hù)示意

2.3 支護(hù)方案分析

2.3.1 AC段、FH段基坑支護(hù)分析

基坑底呈傾斜狀，各部開挖深度不同，錨索支護(hù)也不同。開挖深度在10～14 m段，設(shè)3道錨索;6～10 m段，設(shè)2道錨索;開挖深度6 m以內(nèi)段，設(shè)1道錨索。錨索水平間距2.4 m(每2根灌注樁設(shè)一錨索)，豎向間距3 m，第1道錨索距冠梁4.5 m。灌注樁埋深大，嵌入基巖，基坑整體穩(wěn)定好，故只進(jìn)行錨索參數(shù)計算。

采用理正計算軟件，土壓力為水土合算，灌注樁采用似梁法，取開挖深度最大處斷面計算各錨固點水平拉力如表2。

表2 各計算斷面處錨固力 kN

錨索傾角為20°，按基坑支護(hù)規(guī)程[4]錨桿計算方法，則錨索軸向拉力為

式中，Nu為錨索軸向拉力;Td為錨固點水平拉力;θ為錨索傾角;γs為分項系數(shù)，根據(jù)基坑重要性取值，本例取1.3;d為錨固體直徑;qsik為第i層土體與錨固體的抗剪強(qiáng)度;li為第i層土體中錨固體長度。

則錨索長度為

各道錨索工作參數(shù)如表3所示。

表3 錨固體施工參數(shù)

2.3.2 CDEF段基坑穩(wěn)定性分析

此段基坑開挖深度大，邊坡形狀復(fù)雜，曲折多變，既是基坑的組成部分，又是下穿鐵路暗挖隧道的作業(yè)面，無法采用錨固、土釘墻方式支護(hù)。綜合考慮，決定采用高壓旋噴樁加灌注樁加冠梁加超前環(huán)狀鋼管幕方式進(jìn)行支護(hù)。但基坑局部距鐵路道床很近(圖1)，加固范圍小，不能滿足基坑支護(hù)規(guī)程[4]有關(guān)水泥土墻的加固寬度要求，需進(jìn)行穩(wěn)定性檢算。

如圖3所示，旋噴樁的加固深度按開挖深度0.4倍考慮，不小于開挖基底面以下6.6 m，加固土體28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值不小于 0.4 MPa[5];C，D，E，F(xiàn)四角點設(shè)φ1 200鉆孔灌注樁，基底以下深度按1倍基坑深度控制，或嵌巖0.5 m以上;暗挖隧道超前支護(hù)鋼管幕采用φ300 mm，壁厚16 mm鋼管，隨基坑開挖由上而下密排施作，斷面為暗挖隧道外輪廓形狀。

高壓旋噴樁加固土體整體按重力式支擋結(jié)構(gòu)考慮，超前支護(hù)鋼管幕類似于大型鋼管錨桿，抗拔力為鋼管與水泥土的抗剪力。不計灌注樁及冠梁對邊坡的穩(wěn)定作用(作為邊坡支護(hù)的安全儲備)，根據(jù)鐵路支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[6]，對此段基坑的整體穩(wěn)定性作下述分析。

抗傾覆安全系數(shù)

式中，W為高壓旋噴樁加固土體的重力;b為高壓旋噴樁加固寬度;Ep為墻趾前被動土壓力合力;hp為被動土壓力合力作用點距墻趾點的鉛垂距離;Ey為墻背主動土壓力垂直分量;by為主動土壓力作用點距墻趾點的水平距離;T為鋼管的錨拉力，按鋼管在水泥土中抗拔力計，為水泥土抗剪強(qiáng)度與鋼管錨固體外表面乘積，其中水泥土的抗剪強(qiáng)度可按水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度30% ～40%取值[5];ht為鋼管距墻趾點的鉛垂距離;Ex為墻背主動土壓力水平分量;ha為主動土壓力作用點距墻趾點的鉛垂距離。

抗滑移安全系數(shù)

式中，μ為墻體與其下土體間摩擦系數(shù)，按規(guī)范選取;其他符號意義同式(3)。

選取CDEF段穩(wěn)定性最差的C，E點進(jìn)行分析。1 m基坑長度內(nèi)高壓旋噴樁的加固寬度為2 m，列車荷載值為60 kPa，作用點距基坑邊緣2.5 m，φ300鋼管幕5根，水泥土重度為19 kN/m3，土壓力為水土合算，則抗傾覆安全系數(shù) Kq為2.6，抗滑移安全系數(shù) Kh為3.5，均大于規(guī)范[6]要求。

3 基坑施工及監(jiān)測

3.1 施工工序

正確的施工工序?qū)ΡＷC基坑的施工質(zhì)量與提高工效有重要作用，并及時為后續(xù)的下穿鐵路隧道提供作業(yè)面。本基坑施工的工序為:深層攪拌樁、高壓旋噴樁施工→灌注樁施工→壓頂冠梁澆筑→基坑開挖→鋼管幕施工→土層錨桿施工。

3.2 樁錨及旋噴樁施工

基坑開挖后及時進(jìn)行錨索施工，選用3束7φ5高強(qiáng)鋼絞線，采用錨桿鉆機(jī)成孔，注漿后次補(bǔ)漿，以增大錨固體直徑。在冠梁以下4.5 m，7.5 m，10.5 m處分設(shè)3道腰梁，每道腰梁由2根25B型工字鋼組成，上焊錨碇擋板錨固預(yù)應(yīng)力筋。錨索選用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，第1道錨索張拉鎖定值為150 kN，第2道錨索張拉鎖定值為180 kN，第3道錨索張拉鎖定值為210 kN?，F(xiàn)場抗拔試驗第1道錨索破壞抗拔力為265 kN，第2道及第3道錨索抗拔力達(dá)338 kN及412 kN。

旋噴樁直徑1.2 m，兩樁間的搭接尺寸≥0.2 m，水泥統(tǒng)一采用 P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥摻量20%，水灰比0.55，水泥漿泵送壓力≥0.4 MPa。

超前支護(hù)鋼管幕在基坑開挖間歇期間進(jìn)行，分二步施作，第一步進(jìn)行φ125 mm導(dǎo)向孔施工，第二步根據(jù)導(dǎo)管的施工精度及施工實際情況，擴(kuò)孔φ250 mm采取“前拉后夯”的方法鋪設(shè)φ300 mm鋼管，最后進(jìn)行管內(nèi)灌漿及管間注漿，使鋼管環(huán)狀連接成幕。

灌注樁采用泥漿護(hù)壁成孔，吊放鋼筋籠后，水下澆筑混凝土，混凝土強(qiáng)度為C30;冠梁為灌注樁完工后綁扎鋼筋立模澆筑混凝土，樁體主筋與冠梁的錨固長度按規(guī)范長度設(shè)置。

3.3 施工監(jiān)測

施工監(jiān)測有二套監(jiān)測系統(tǒng)分別進(jìn)行。業(yè)主聘請獨立第三方監(jiān)測單位主要負(fù)責(zé)基坑頂?shù)乃轿灰?、關(guān)鍵部位的測斜觀測、地下水位監(jiān)測和由于基坑開挖導(dǎo)致鐵路路基的沉降及鐵路軌面的平順變形監(jiān)測。第三方監(jiān)測單位定時向監(jiān)理及施工單位通報監(jiān)測資料，遇有監(jiān)測報警值，及時反饋業(yè)主、監(jiān)理單位及施工單位。測點(JK1，…，JK19)布置如圖1所示。

施工期間，施工單位也組織專門人員進(jìn)行施工監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括基坑變形、開挖導(dǎo)致的水土流失、開挖對周邊環(huán)境的明顯影響等方面，并隨時反饋給作業(yè)部門，以指導(dǎo)施工。

4 基坑變形及分析

2007年底開始攪拌樁及灌注樁施工，2008年初進(jìn)行冠梁施工，同時進(jìn)行基坑開挖，初期開挖深度較小，基坑變形值也很小?；娱_挖的高峰期為2月至4月，監(jiān)測顯示期間坑頂水平位移明顯，樁內(nèi)埋設(shè)測斜管監(jiān)測反映灌注樁的變形較大。其中JK11、JK10測點水平位移累計值達(dá)52 mm及43 mm，超警戒值，3月至4月最大位移速率達(dá)1.2 mm/d。JK6、JK10水平位移值也超過30 mm，其他測點的水平位移值為12～29 mm。關(guān)鍵基坑頂點水平位移監(jiān)測值隨時間變化規(guī)律如圖4所示。

觀察坑頂各測點水平位移量發(fā)現(xiàn)，位移最大部位為CDEF段折線(JK11)基坑，原因與此段旋噴樁加固土體對基坑約束剛度不足有關(guān);4月底基坑開挖基本到位，但變形仍繼續(xù)，顯示基坑變形的滯后性;4月底在DE段與FG段之間增設(shè)φ609 mm@6 000 mm鋼管內(nèi)支撐，則 JK6、JK10、JK11、JK12測點水平位移呈收斂狀態(tài)。

圖4 基坑頂水平位移時程曲線

AC段、FH段基坑變形值較小，顯示灌注樁加預(yù)應(yīng)力錨索對基坑支護(hù)作用較好，其中JK6位移值較大，此處設(shè)集水井，基坑開挖深度較其他部位大，固變形值較大。

5 結(jié)語

1)對于復(fù)雜環(huán)境下的基坑，如果條件允許，采用聯(lián)合支護(hù)措施可降低造價，提高施工速度，并為后續(xù)施工提供較好條件。其中錨桿加排樁加止水樁的支護(hù)形式被本工程及其他大量工程證明為一種安全可靠的支護(hù)形式;但水泥土攪拌樁護(hù)墻支護(hù)剛度較差，基坑變形較大，如能適當(dāng)增設(shè)腰梁，增加支護(hù)墻體剛度，并與其他錨桿類支護(hù)形式相組合，則效果更好。

2)基坑的變形存在一定的時間效應(yīng)，即基坑開挖后未及時進(jìn)行支護(hù)時，其變形量較大，施加支護(hù)后變形顯著減小，因此基坑開挖后應(yīng)及時有效地支護(hù)。

3)基坑的變形與基坑的圍護(hù)形式、支護(hù)措施、土體的物理力學(xué)性能有密切關(guān)系。此外，增設(shè)基坑頂貫通的壓頂冠梁及改變基坑圍護(hù)的平面布置形狀，增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗水平土壓力的慣性矩，也能顯著減小基坑的變形。

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