楊秀仁

(北京城建設(shè)計研究總院有限責任公司 北京 100037)

淺埋暗挖洞樁(柱)逆作法設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

楊秀仁

(北京城建設(shè)計研究總院有限責任公司 北京 100037)

通過對淺埋暗挖洞樁(柱)逆作法的深入剖析，針對其特點，論述洞樁(柱)法結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受力構(gòu)件的設(shè)計技術(shù)要點，包括邊樁、鋼管混凝土中間立柱、中間樁基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)等構(gòu)件的承載力、變形及穩(wěn)定性分析，給出提高土體開挖穩(wěn)定性和地基承載力的措施，以及采用該工法建造地鐵車站時合理埋深的確定原則等。

淺埋暗挖法;蓋挖逆作法;洞樁逆作法(洞樁法);洞柱逆作法(洞柱法);地鐵車站

1 洞樁(柱)逆作法概述

洞樁(柱)逆作法(簡稱洞樁法或洞柱法)是我國近年來推出的一種用于修建地鐵車站的淺埋暗挖施工技術(shù)，此技術(shù)首次在北京地鐵天安門西站工程中得到成功應(yīng)用，由于其在施工安全性及地表沉降控制方面具有較大的優(yōu)勢，因而在后續(xù)的城市軌道交通暗挖車站工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

洞樁(柱)法是在蓋挖逆作法的基礎(chǔ)上演繹形成的，將蓋挖逆作法需要在地面完成的豎向支撐構(gòu)件和頂拱(板)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)到地下進行，即在暗挖形成的導(dǎo)洞內(nèi)分別完成。圖1和圖2分別為明挖蓋挖逆作法和洞樁法結(jié)構(gòu)示意圖，當邊樁或中柱下采用條形基礎(chǔ)時為洞柱法，見圖3。正因如此，洞樁(柱)逆作法被列為淺埋暗挖法，而結(jié)構(gòu)體系的受力特點與蓋挖逆作法沒有本質(zhì)的區(qū)別，包括荷載作用、受力分析及相關(guān)技術(shù)要求等，均應(yīng)滿足蓋挖逆作法結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則和要求。然而，由于主要承載構(gòu)件的施作環(huán)境和條件不同，洞樁(柱)法結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工難度及復(fù)雜性均高于明挖蓋挖逆作法，在實際工程應(yīng)用中，由于經(jīng)驗不足或?qū)Υ斯し夹g(shù)理解上的偏差，尚存在不少問題，甚至有一定的安全隱患。筆者通過對洞樁(柱)法技術(shù)的分析，論述設(shè)計中的幾個技術(shù)關(guān)鍵點，供業(yè)內(nèi)同行參考。

圖1 明挖蓋挖逆作法結(jié)構(gòu)

圖2 洞樁逆作法結(jié)構(gòu)

圖3 洞柱逆作法結(jié)構(gòu)

2 主要受力構(gòu)件承載力、變形及穩(wěn)定性分析

豎向支撐構(gòu)件包括邊樁、中間立柱及中間樁基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)，是洞樁(柱)法重要的承載結(jié)構(gòu)，與蓋挖逆作法一樣，這些構(gòu)件不僅要滿足各階段的承載力、變形及穩(wěn)定性等基本要求，而且在結(jié)構(gòu)底板封閉前的整個施工過程中，應(yīng)嚴格控制豎向支撐構(gòu)件之間的相對隆沉，滿足逆作法結(jié)構(gòu)的允許變形要求。

2.1 邊樁設(shè)計技術(shù)要點

2.1.1 邊樁設(shè)計基本原則

洞樁(柱)法邊樁一般為鉆孔灌注樁或人工挖孔樁，主要承擔底板結(jié)構(gòu)封閉前的側(cè)向土壓力及頂拱作用的豎向荷載，為臨時受力構(gòu)件，按壓彎構(gòu)件及荷載效應(yīng)的基本組合進行承載力設(shè)計。由于邊樁是在暗挖小導(dǎo)洞內(nèi)施作完成，需要局部破除導(dǎo)洞的初期支護，對導(dǎo)洞的穩(wěn)定性和整體沉降有一定的影響，直接關(guān)系到地層變形和地表沉降。因此，在滿足樁體結(jié)構(gòu)受力和樁間土體穩(wěn)定的前提下，邊樁宜采用大直徑大間距的設(shè)計原則，根據(jù)北京地區(qū)已建工程經(jīng)驗，樁間凈距可取到0.5～1.2 m，樁間采用噴射混凝土護壁，必要時設(shè)置鋼筋網(wǎng)片或短鋼筋釘。

2.1.2 洞樁法邊樁入土深度及穩(wěn)定性分析

洞樁法結(jié)構(gòu)的覆土厚度遠大于蓋挖逆作法結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致外圍結(jié)構(gòu)承受的水平和豎向壓力均較大。在施工階段，尤其基坑開挖至基底設(shè)計標高處、而底板結(jié)構(gòu)尚未封閉時的這一工況，當邊樁入土深度偏小、開挖側(cè)基底下的被動土壓力不足以平衡基坑外巨大的水平壓力時，邊樁存在傾覆穩(wěn)定風險;另外邊樁內(nèi)外豎向壓差較大，也可能導(dǎo)致樁端或坑底土體向上隆起。當土體強度較差時，這些穩(wěn)定性問題尤其突出。在目前的洞樁法工程設(shè)計中，技術(shù)人員對邊樁入土深度和基坑穩(wěn)定性驗算的關(guān)注不夠，多數(shù)情況下就忽略了，有可能置工程于風險之中。

總之，洞樁法邊樁入土深度的確定，不僅要考慮底板封閉之前各施工階段的豎向承載力及變形要求，而且還應(yīng)滿足抗傾覆和坑底抗隆起的穩(wěn)定性要求。當中間立柱下為條形基礎(chǔ)時，基坑穩(wěn)定性驗算可計入條形基礎(chǔ)作用于地基上的豎向基底壓力的有利作用。由于本工法施工過程需采取降水措施，因此基坑不存在抗?jié)B流或抗管涌的穩(wěn)定問題。整體失穩(wěn)驗算一般僅在設(shè)置一道支撐的情況下進行，對多道支撐樁墻體系可不進行整體失穩(wěn)驗算。

值得注意的是，穩(wěn)定性驗算應(yīng)采用總安全系數(shù)法，荷載效應(yīng)采用基本組合，但其分項系數(shù)均為1.0。

2.2 中間立柱設(shè)計技術(shù)要點

洞樁(柱)法中間立柱為永久結(jié)構(gòu)柱，由于載荷較大且受施工工藝的限制，一般采用鋼管混凝土柱，設(shè)計應(yīng)結(jié)合本工法實際施工過程和受力特點，滿足施工和使用期間各階段的強度、剛度及穩(wěn)定性要求，除按相關(guān)規(guī)范和規(guī)程設(shè)計外，重點注意以下幾方面。

2.2.1 附加彎矩的考慮

中間立柱的定位是洞樁(柱)法施工的一大難點，施工中應(yīng)嚴格控制其定位精度。現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，允許定位偏差不大于20 mm，垂直度偏差不宜大于1/500，在柱的承載力計算中應(yīng)考慮施工允許偏差的影響，另外還應(yīng)計及地下車站結(jié)構(gòu)跨度不均衡或施工偏載產(chǎn)生的柱頂彎矩的影響。

2.2.2 上下柱腳、中間節(jié)點連接及作用特性

圖4 端承式柱腳

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與其他構(gòu)件之間的連接應(yīng)按剛結(jié)點進行設(shè)計。洞樁(柱)法鋼管柱與上部頂梁和下部條形基礎(chǔ)的連接，一般采用端承式形式，見圖4。柱與連接構(gòu)件之間的約束作用可視為鉸接，并注意驗算頂梁和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與立柱連接處的局部受壓強度，必要時用鋼筋網(wǎng)對局部受壓區(qū)進行加固。

對于洞樁法，中間鋼管柱需插入鉆孔灌注樁基礎(chǔ)內(nèi)一定深度、并采取一定的構(gòu)造措施將鋼管柱予以錨固，見圖5，柱與樁基礎(chǔ)之間的約束作用可視為剛接。由于柱腳與樁基礎(chǔ)之間力的傳遞是以鋼管柱與混凝土間的黏著力為主，而栓釘?shù)葮?gòu)造僅作為輔助措施，因此鋼管混凝土柱腳應(yīng)進行插入深度的計算。

圖5 插入式柱腳

鋼管柱與現(xiàn)澆中樓板梁的連接節(jié)點設(shè)計，應(yīng)滿足梁端的剪力傳遞和彎矩傳遞，連接形式有多種選擇，考慮到地鐵車站箱型框架結(jié)構(gòu)的受力特性，及縱向中樓板梁尺寸和配筋均較地面建筑結(jié)構(gòu)大的特點，建議采用環(huán)形牛腿+雙梁的結(jié)構(gòu)形式，此形式不僅構(gòu)造簡單、受力明確、施工質(zhì)量易于控制，而且不損傷鋼管套箍的完整性，較適用于地下工程。圖6為環(huán)形牛腿及雙梁構(gòu)造。

圖6 環(huán)形牛腿及雙梁結(jié)構(gòu)

2.2.3 計算長度的確定

洞樁(柱)法頂拱結(jié)構(gòu)一旦施工完成，鋼管柱就開始與邊樁共同承擔所有的豎向荷載作用，由于中樓板結(jié)構(gòu)還未形成，此階段應(yīng)是鋼管柱承載力設(shè)計時的最不利工況，在確定其計算長度時，柱子的實際長度應(yīng)取上頂梁底至下部條基頂?shù)木嚯x，按無側(cè)限框架及上下柱腳的約束條件確定各項長度系數(shù)，且鋼管柱的套箍指標和長細比應(yīng)符合規(guī)范的要求。

當鋼管柱下為樁基礎(chǔ)時，在柱子插入樁基礎(chǔ)后，柱周邊的孔隙需要回填，但要想縮短柱的計算長度，使下部未開挖部分出現(xiàn)不動點，就必須把握回填土的性狀，正確選擇回填土及回填方法，以滿足鋼管柱的計算長度所假定的土的密實度和變形要求，但在實際工程中很難做到。因此，建議不論鋼管柱下是條形基礎(chǔ)還是樁基礎(chǔ)，其實際長度的取值原則應(yīng)相同。

2.2.4 鋼管柱吊裝及構(gòu)造要求

洞樁(柱)法在鋼管柱定位前，需在上導(dǎo)洞內(nèi)采用機械鉆孔或人工挖孔的形成吊裝孔，吊裝孔的直徑應(yīng)大于環(huán)形牛腿的直徑，盡量避免牛腿構(gòu)件現(xiàn)場接長。

由于作業(yè)空間的限制，鋼管柱的吊裝需分段進行，鋼管的接長建議采用帶孔的法蘭盤和螺栓連接，并應(yīng)滿足等強度要求。

考慮到鋼管柱需分段接長，且作業(yè)環(huán)境較差，為提高中間立柱的承載安全性，建議在鋼管柱內(nèi)的混凝土中設(shè)置適當?shù)耐ㄩL構(gòu)造鋼筋，并與上下縱梁或條基錨固。由于地鐵車站的中間立柱數(shù)量少，設(shè)置構(gòu)造鋼筋的用鋼量也有限，對工程造價產(chǎn)生的影響有限。

2.2.5 鋼管混凝土柱的抗震設(shè)計

由于外層鋼管的套箍作用及高含鋼率，使鋼管混凝土柱的抗震性能遠遠優(yōu)于普通鋼筋混凝土柱，且在承載力計算中已考慮了長細比影響的折減系數(shù)，因此鋼管混凝土柱沒有軸壓比的限制，也不需像其他構(gòu)件作S≤R/rRE的截面抗震驗算，這是偏于安全的簡化計算作法。

2.3 洞樁法中間樁基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)要點

洞樁法中間立柱采用樁基礎(chǔ)時，其設(shè)計原則和技術(shù)標準同蓋挖逆作法，樁基承載力可根據(jù)計算或現(xiàn)場原位靜力試驗結(jié)果按變形要求控制。不同的是洞樁法的中間樁基是在上部小導(dǎo)洞內(nèi)施作，由于作業(yè)環(huán)境的限制，使得樁基的應(yīng)用受到極大的制約。一般洞樁法結(jié)構(gòu)覆土較厚，單樁承載力設(shè)計值均較大，如果樁端沒有很好的持力層，則樁徑和長度都超常規(guī)大，目前在4.0 m×5.0 m大小的導(dǎo)洞內(nèi)能施作的鉆孔灌注樁，直徑一般不大于1.5 m，能作擴底樁的設(shè)備也很少能在空間有限的導(dǎo)洞內(nèi)施工。另外，對于樁基礎(chǔ)，鋼管柱在導(dǎo)洞內(nèi)的吊裝和準確定位亦困難重重。鑒于上述原因，中間立柱基礎(chǔ)形式應(yīng)進行多方案的技術(shù)、經(jīng)濟比較后確定。

2.4 洞柱法條形基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)要點

2.4.1 條形基礎(chǔ)設(shè)置形式

邊樁和中間立柱下基礎(chǔ)均可采用條形基礎(chǔ)，條基在下導(dǎo)洞內(nèi)施作，可有效避免樁基礎(chǔ)帶來的種種問題。條基有2種設(shè)置方式:一種是設(shè)置在底板結(jié)構(gòu)以下，與底板結(jié)構(gòu)完全脫離，條基僅在施工過程中發(fā)揮其承載力的作用，見圖7;第2種是條形基礎(chǔ)作為底板結(jié)構(gòu)的一部分，底板結(jié)構(gòu)封閉前，條基獨立承擔施工過程的荷載作用，待底板結(jié)構(gòu)封閉后，兼作永久結(jié)構(gòu)的底縱梁及部分底板使用，見圖3。顯然，第1種方式的主要問題是廢棄工程量大，不夠經(jīng)濟;第2種方式是底板結(jié)構(gòu)不能一次性施作，存在較多的施工縫，影響結(jié)構(gòu)的整體性和防水性。

圖7 條基脫離底板設(shè)置形式

2.4.2 地基承載力及穩(wěn)定性分析

影響地基承載力大小的因素很多，除土的性質(zhì)外，還與基礎(chǔ)的形式、大小、埋深及荷載作用等因素有關(guān)。根據(jù)載荷試驗、查承載力表或原位試驗的經(jīng)驗統(tǒng)計等確定的地基承載力標準值，考慮的是對應(yīng)于標準條件或基本條件下的值，對于具體工程，還應(yīng)考慮承載力極限狀態(tài)的基本組合，計入基礎(chǔ)寬度和埋深的影響，即地基承載力標準值應(yīng)進行寬深修正。目前地基承載力的理論研究及設(shè)計規(guī)范均基于明挖條件下施作的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，而對于洞柱法或其他淺埋暗挖法隧道內(nèi)的地基承載力方面的研究和試驗還是空白。仔細分析，兩者存在一定的區(qū)別，主要不同點在于深度修正的確定，有待進一步研究。

1)施作工序?qū)Φ鼗鶓?yīng)力變化的影響。

明挖基礎(chǔ)過程:挖方→基礎(chǔ)施作→加載→填方(基礎(chǔ)埋深)→加載;暗挖基礎(chǔ)過程:導(dǎo)洞開挖→基礎(chǔ)施作→加載→挖方(基礎(chǔ)埋深)。明挖基礎(chǔ)是在地基原始應(yīng)力100%釋放的情況下施作的，隨著上部結(jié)構(gòu)荷載的增加，基礎(chǔ)反力不斷加大，隨之地基應(yīng)力不斷變化和加大，直至達到極限承載力。而洞柱法基礎(chǔ)是在暗挖導(dǎo)洞內(nèi)形成，拱部結(jié)構(gòu)一旦形成，拱頂以上土層壓力通過豎向構(gòu)件傳至基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)換成基底壓力，在地基原始應(yīng)力少量釋放(僅導(dǎo)洞開挖)的情況下，基底壓力基本達到最大值;隨著基坑內(nèi)土體的開挖，基礎(chǔ)埋深才逐漸減小，直至底板結(jié)構(gòu)封閉前，地基原始應(yīng)力釋放達到最大，此狀態(tài)為最不利工況。

2)明挖基礎(chǔ)一般情況埋深較淺，開挖后基礎(chǔ)周邊土體的側(cè)限較弱，而洞柱法基礎(chǔ)埋深通常較大，周圍土體的側(cè)限作用強，應(yīng)力水平較高，對提高地基承載能力有益。

3)洞柱法的小導(dǎo)洞由于隨挖隨支，地層的應(yīng)力釋放受到限制，條基形成時附近地層仍保持了較高的應(yīng)力狀態(tài)，這種狀態(tài)有利于提高地基的承載能力。

目前技術(shù)人員對基礎(chǔ)深度修正所采用的深度值有多種做法，有的從地面標高算起，有的取隧道覆土厚度，有的干脆不修正，比較混亂。為滿足當前開展設(shè)計工作的需要，筆者結(jié)合相關(guān)文獻和規(guī)范的初步分析，建議洞柱法條形基礎(chǔ)埋深d的確定，可執(zhí)行《北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范》DBJ 11—501的相關(guān)規(guī)定，對于邊樁條基，取d=(d1+d2)/2，對于中間條基取d=(3d1+d2)/4，(d1自基坑內(nèi)標高算起、d2自地面標高算起)，這一規(guī)定符合地基承載力確定的原理，且綜合考慮了基坑內(nèi)、外未開挖土體的側(cè)限影響，對于洞柱法形成的結(jié)構(gòu)更趨于合理。

以上所論述的均是指條形基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的地基穩(wěn)定性問題，豎向荷載過大，將導(dǎo)致地基深層的整體滑移破壞而失穩(wěn)。而當邊樁下采用條形基礎(chǔ)時，其作用和受力形態(tài)將發(fā)生變化，除了承受豎向荷載作用外，還承受基坑外不平衡水平側(cè)壓力的作用，在底板結(jié)構(gòu)封閉之前，如果此水平側(cè)壓力過大，其引起的地基失穩(wěn)是沿基底產(chǎn)生的表面滑移破壞。因此，邊樁條基尚應(yīng)進行以上2方面的地基穩(wěn)定性分析。

2.4.3 條形基礎(chǔ)承載力設(shè)計

條形基礎(chǔ)除應(yīng)進行地基承載力驗算外，還應(yīng)滿足自身的抗彎、抗剪和抗沖切等承載力要求，計算時應(yīng)采用荷載效應(yīng)的基本組合及相應(yīng)的分項系數(shù)。如果條形基礎(chǔ)作為永久結(jié)構(gòu)的底縱梁及一部分底板結(jié)構(gòu)使用時，尚需與永久結(jié)構(gòu)的整體框架結(jié)構(gòu)進行包絡(luò)設(shè)計。

3 提高基坑開挖穩(wěn)定性和地基承載力的技術(shù)措施

由于土體強度的不足，下導(dǎo)洞條基往往難以滿足基坑開挖穩(wěn)定性和地基承載力的要求。目前，在工程設(shè)計中較常采用的措施，是在縱向下導(dǎo)洞之間間隔一定的距離設(shè)置一座橫向?qū)Ф?，在橫導(dǎo)洞內(nèi)再施作橫向條基，以形成樁、柱下十字條形基礎(chǔ)，這樣有效提高了基坑開挖的穩(wěn)定性和地基的承載力。

但橫導(dǎo)洞措施帶來的相關(guān)問題不容忽視，例如施工環(huán)節(jié)的增加、底板結(jié)構(gòu)施工縫的增多、作業(yè)空間狹小、工程質(zhì)量難以控制及工程造價的提高等。因此，建議進行多方案技術(shù)、經(jīng)濟比選，如邊樁下導(dǎo)洞下移嵌固、邊樁錨索、加大邊樁插入深度、V字形土體開挖、地基加固等方案。尤其在縱向條基地基承載力能滿足要求的情況下仍采用橫導(dǎo)洞設(shè)置邊樁支撐的作法，在目前的設(shè)計文件中時有發(fā)生，這樣很不經(jīng)濟，應(yīng)引起重視。

4 地鐵車站合理埋深的確定

蓋挖逆作法為了減小中間樁基的荷載、控制邊樁與中間樁基的相對升沉，同時考慮工程的經(jīng)濟性，車站頂板覆土應(yīng)盡量淺，通常情況下取2.0～3.0 m。而對于具有相同受力特點的洞樁(柱)逆作法結(jié)構(gòu)，由于其主要承載構(gòu)件是在淺埋暗挖導(dǎo)洞內(nèi)形成的，因此其除了需要滿足蓋挖逆作法相關(guān)的技術(shù)要求外，還要考慮淺埋暗挖技術(shù)的特點，合理確定車站結(jié)構(gòu)的覆土厚度。

分析北京地區(qū)已建的地鐵工程情況，線路所穿越的地層基本為第四紀全新世(Q4)各時期形成的一般沉積土和新近沉積土，以粉質(zhì)黏土、粉土、砂性土、圓礫卵石為主，基底持力層地基承載力標準值fak一般在250～400 kPa，少數(shù)密實圓礫卵石能達到400～600 kPa，不僅承載力有限，而且由于地層大多以互層形式分布，所以并非地層埋深越大承載力越高。通過大量的理論數(shù)值和工程實踐分析，一般來講，一座12 m或14 m寬島式站臺標準車站，地下二層三跨結(jié)構(gòu)，為了較好地控制施工引起的地表沉降，其拱部覆土不宜小于6.0 m。隨著埋深的加大，雖然地表沉降會隨之減小，但由于覆土重量的增加使基礎(chǔ)的壓力急劇加大，在基底持力層的地基承載力fa增長有限的情況下，過大的埋深將增加基礎(chǔ)的設(shè)計難度和工程風險，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、通過詳細的計算分析后確定車站的合理埋深。就北京地區(qū)的地層條件而言，洞樁(柱)法結(jié)構(gòu)的覆土厚度以不超過18.0 m為宜。

5 結(jié)語

隨著洞樁(柱)法技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用，無論設(shè)計還是施工，對其特點的研究和認識都在不斷的提高，其優(yōu)勢顯而易見，但與傳統(tǒng)的CRD工法或新工法“一次扣拱法”相比，其工程投資大、工期長、作業(yè)環(huán)境差且埋深受到一定限制等問題也不能忽視，在實際工程中應(yīng)作好技術(shù)、經(jīng)濟、安全、工期、工程質(zhì)量、環(huán)境影響等各方面、全方位的比較后方可確定實施方案。

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Analysis on key design technology of Pilot-tunnel＆Pile(Column)top-down method

Yang Xiuren
(Beijing Urban Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd.，Beijing，100037，China)

Abstract:Basic on further analysis on the characteristics of the Pilot-tunnel＆ Pile(Column)top-down method，key design technology points were discussed on the bearing capacity，deformation and stability of the main forced components which include the side piles，the middle concrete filled steel tubular piles，the middle pile foundation，the bar foundation，etc..Some measures for improving the soil stability during the construction and the bearing capacity of soil foundation are presented.Moreover，the principle of the rational buried depth for metro station built by the Pilot-tunnel＆ Pile(Column)top-down method is suggested.

Key words:shallow mining method，cover and cut top-down method，Pilot-tunnel＆ Pile top-down method，Pilot-tunnel＆ Column top-down method，metro station

U231

A

1672-6073(2012)02-0064-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.017

收稿日期:2012-03-20

2012-03-26

作者簡介:楊秀仁，男，總工程師，教授級高級工程師，從事城市軌道交通工程設(shè)計與研究，Yangxr@buedri.com

(編輯:曹雪明)