趙文強(qiáng)

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

0 引言

伴隨著城市化進(jìn)程的加快，交通擁堵問題也日益突出，這為城市軌道交通發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇。然而，青島、廣州及大連等城市卻因地層上部第四系土層與下部巖層的上軟下硬現(xiàn)象，在基坑支護(hù)中出現(xiàn)了吊腳樁問題［1－3］。劉紅軍等［2］對(duì)吊腳樁支護(hù)進(jìn)行了模擬分析計(jì)算，得出嵌巖深度與鎖腳錨索的預(yù)加力、吊腳樁巖肩寬度與基坑變形及樁體位移的關(guān)系。王殿斌等［4］對(duì)民建中的巖石基坑及上軟下硬基坑支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。劉紅軍等［5］對(duì)土巖組合地層基坑工程變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，并闡述了基坑施工過程中的變形特點(diǎn)。然而，軌道交通建設(shè)條件一般比較苛刻，周邊交通繁忙，地下管線密集，增加1 m的巖肩平臺(tái)意味著要大量遷改管線，同時(shí)給交通疏解帶來壓力，有時(shí)會(huì)成為制約方案實(shí)施的瓶頸。因此，軌道交通工程一般無法按照常規(guī)的吊腳樁支護(hù)設(shè)置較寬的巖肩平臺(tái)，較小的巖肩平臺(tái)嵌固作用尚不得而知，類似的工程研究也相對(duì)較少。

本文以青島地鐵工程實(shí)例為載體，主要研究在周邊交通繁忙、施工用地條件苛刻、地下管線眾多、沉降位移控制要求嚴(yán)格等復(fù)雜條件下，小巖肩吊腳樁的支護(hù)問題。利用彈性抗力法和等效被動(dòng)土壓力法分別對(duì)上部樁撐(錨)體系和下部巖石邊坡進(jìn)行分析計(jì)算，并對(duì)該類型明挖基坑吊腳樁圍護(hù)問題展開討論，為類似地質(zhì)、環(huán)境條件下的基坑支護(hù)提供參考。

1 工程概況

青島地鐵某站為地下2層10 m島式站臺(tái)車站，主體為雙層雙跨箱形框架結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)179.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬18.8 m。車站頂板覆土厚3.0～4.7 m，結(jié)構(gòu)底板埋深16.1～18.5 m。

車站設(shè)置在2條正交道路的十字路口，周邊建(構(gòu))筑物主要為文物保護(hù)建筑、多層住宅樓及低矮平房。道路寬約20 m，均為雙向四車道，車流量較大。車站擬在十字路口處蓋挖施工，鋪設(shè)貝雷架梁臨時(shí)路面體系以保證跨基坑通行，車站兩側(cè)采用明挖施工，路側(cè)部分輔路及綠化帶作為交通導(dǎo)改臨時(shí)路由。車站總平面如圖1所示。

2 地質(zhì)概況

本站地面起伏較大，東西兩端地面高程差約為4 m，東側(cè)地面下約5 m、西側(cè)地面下約2 m均進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層。圍護(hù)形式擬采用上部樁徑0.6 m、間距1.5 m的排樁+下部錨噴的階梯型組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)。

場(chǎng)區(qū)第四系厚度0～6.50 m，主要由第四系全新統(tǒng)人工填土(Qml4)與上更新統(tǒng)洪沖積層(Qal+pl3)組成。場(chǎng)區(qū)內(nèi)基巖以粗?；◢弾r為主，花崗斑巖、煌斑巖呈脈狀穿插其間，受滄口斷裂構(gòu)造影響，糜棱巖、砂土狀碎裂巖及碎裂狀花崗巖發(fā)育較晚。各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

地下水主要賦存于第四系松散土層及基巖的裂隙中。場(chǎng)區(qū)地下水主要有2種類型:一是松散土層孔隙水，主要分布第四系洪沖積層，屬松散層孔隙潛水;二是基巖裂隙水，風(fēng)化裂隙水及構(gòu)造裂隙水均較發(fā)育。其中，風(fēng)化裂隙水主要賦存于巖石強(qiáng)風(fēng)化帶中;構(gòu)造裂隙水主要賦存于斷裂兩側(cè)的構(gòu)造影響帶及節(jié)理裂隙發(fā)育帶中;基巖裂隙水富水性貧。綜上，場(chǎng)地內(nèi)地下水富水性貧，水量不大。地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱腐蝕性。

3 主體基坑支護(hù)

3.1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)思路及方案

首先，青島地質(zhì)情況變化較大，由于基巖起伏大，基坑支護(hù)類型多樣化，青島地區(qū)(民建)主要采用復(fù)合錨噴墻支護(hù)和樁錨圍護(hù)體系。對(duì)于周邊環(huán)境簡(jiǎn)單、基坑深度較淺且?guī)r面出露較高地段，宜采用錨噴支護(hù)體系。因地鐵基坑深度一般在15 m以上，設(shè)置在城市繁華地帶，周邊臨近建筑物，地面交通繁忙，地下管線密集，必須嚴(yán)格控制基坑位移及沉降。對(duì)于此條件下的土巖組合地質(zhì)，基坑上部一般采用剛度較大的樁撐支護(hù)體系。該體系分為嵌入基底和不嵌入基底2種形式，嵌入基底又分為直接嵌入和間接嵌入，不嵌入樁底的樁錨支護(hù)體系主要適用于有一定放坡空間的支護(hù)地段，本站受周邊環(huán)境制約，不宜采用。

其次，針對(duì)青島基坑地質(zhì)上軟下硬的特點(diǎn)，考慮下部地層為中－微風(fēng)化巖石，完整性好，為充分利用圍巖的自穩(wěn)能力，降低造價(jià)，圍護(hù)樁一般不施作到結(jié)構(gòu)底板下，故而形成了所謂的吊腳樁。同時(shí)，圍護(hù)樁在巖層中一般需要爆破施工，進(jìn)尺小，采用吊腳樁也有利于解決爆破引起的施工風(fēng)險(xiǎn)，加快施工進(jìn)度。結(jié)合本站地質(zhì)和環(huán)境條件，適合采用間接嵌入基底形式的樁錨體系。

再者，考慮周邊交通、管線及施工條件，下部巖石邊坡無放坡條件，采用直壁開挖。采用微型鋼管樁超前支護(hù)，主要作用有:1)超前支護(hù)，解決了分層開挖后支護(hù)前基坑穩(wěn)定及變形問題。2)預(yù)裂巖石，形成開挖輪廓，避免超挖。3)緩沖孔，減小爆破對(duì)基坑巖石和坡頂建(構(gòu))筑物的震動(dòng)影響。

綜合所述，確定了上部鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐剛性支護(hù)，下部微型鋼管樁+錨索(桿)柔性噴錨支護(hù)，巖肩處采用“L”型冠梁和預(yù)應(yīng)力錨索鎖腳的組合支護(hù)方案。車站基坑支護(hù)剖面如圖2所示。

3.2 支護(hù)參數(shù)

車站基坑深17 m，上部吊腳樁樁徑0.8 m，樁間距1.2 m，冠梁上鋼管內(nèi)撐采用外徑609 mm、厚14 mm的鋼支撐，鎖腳錨索采用5φ15.2鋼絞線;下部巖石邊坡采用φ168 mm鋼管樁，鉆孔直徑200 mm，樁間距1.0 m，嵌固基底1.5 m，巖石錨桿采用2φ28螺紋鋼筋，水平、豎直均2 m布置，鉆孔直徑110 mm，錨桿長(zhǎng)5～7 m。

圖2 車站基坑支護(hù)剖面圖(單位:mm)Fig.2 Profile of support of foundation pit of Metro station(mm)

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

由于巖體和土體2種介質(zhì)差異較大，很難用一種計(jì)算模型來解決。一般來講，上部土體按照傳統(tǒng)的彈性抗力法計(jì)算［6］，下層巖體開挖后采用等效被動(dòng)土壓力設(shè)計(jì)方法［1］，即:樁腳嵌固段巖石被挖除后，通過在樁腳設(shè)置錨桿拉力來替換先前的被動(dòng)土抗力，達(dá)到相同的受力效果。巖石邊坡計(jì)算考慮上部土層及超載、錨桿垂直分力作為附加荷載作用在巖體上，根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面傾角、結(jié)構(gòu)面摩擦力和內(nèi)摩擦角采用極限平衡法計(jì)算巖體穩(wěn)定性。

4.1 上部樁撐(錨)體系計(jì)算

參考 JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》［7］，采用彈性支點(diǎn)法計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)。計(jì)算最不利工況，基坑開挖到樁底，圍護(hù)樁按0嵌固計(jì)算(為了便于軟件輸入，按0.001考慮)，不考慮巖肩作用，僅作為安全儲(chǔ)備。計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 計(jì)算模型(單位:m)Fig.3 Calculation model(m)

由圖4計(jì)算結(jié)果可知，圍護(hù)體系采用主筋為14φ18的φ800 mm鉆孔灌注樁，預(yù)加軸力為200 kN的D609鋼管內(nèi)撐，長(zhǎng)度為15 m，錨固體直徑150 mm的鎖腳錨索，通過對(duì)嵌固為0時(shí)的抗傾覆檢算，最終結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 下部巖石邊坡計(jì)算

巖石基坑的穩(wěn)定性主要取決于組成基坑的巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況及其產(chǎn)狀與基坑邊坡的空間位置關(guān)系。當(dāng)結(jié)構(gòu)面非常發(fā)育導(dǎo)致巖體成碎裂結(jié)構(gòu)時(shí)，一般可將其視為散體介質(zhì)，采用土質(zhì)邊坡的圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行分析。當(dāng)組成基坑邊坡的巖體中發(fā)育一組或幾組結(jié)構(gòu)面時(shí)，邊坡巖體常沿著某個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面或幾個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面的組合面滑動(dòng)，根據(jù)軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況，一般分為以下幾種情況:沿單一軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)、沿2個(gè)傾向相同或相近但傾角不同的結(jié)構(gòu)面組成的滑面滑動(dòng)、沿交錯(cuò)節(jié)理構(gòu)成的階梯狀滑動(dòng)以及沿楔形面滑動(dòng)等。沿單一平面滑動(dòng)是巖體基坑中最為常見的滑動(dòng)方式。穩(wěn)定性分析計(jì)算公式為:

式中:H為邊坡高度;W為滑體質(zhì)量;cj，φj分別為結(jié)構(gòu)面黏聚力和內(nèi)摩擦角;T為沿結(jié)構(gòu)面法線方向的錨固力;β為結(jié)構(gòu)面傾角;K為安全系數(shù)。

圖4 計(jì)算結(jié)果包絡(luò)圖Fig.4 Envelope of calculation results

根據(jù)基坑地質(zhì)條件，對(duì)基坑下部巖石邊坡進(jìn)行簡(jiǎn)單平面滑動(dòng)穩(wěn)定分析，并采用理正巖土計(jì)算軟件與極限平衡法計(jì)算巖體穩(wěn)定性。支護(hù)參數(shù)如表2所示，計(jì)算原理方法如圖5所示。

計(jì)算結(jié)果顯示:當(dāng)總下滑力1 554 kN，總抗滑力2 331.4 kN，安全系數(shù)為1.5時(shí)，滿足設(shè)計(jì)要求。另外，對(duì)于微型鋼管樁支護(hù)的計(jì)算，青島理工大學(xué)張明義教授進(jìn)行了專題研究，主要是考慮鋼管本身的抗彎剛度乘以系數(shù)1.2作為鋼管樁本身的剛度(因樁內(nèi)充滿水泥漿，剛度增大)，該項(xiàng)目目前處于試驗(yàn)階段，試驗(yàn)結(jié)果將可能對(duì)類似土巖結(jié)合基坑設(shè)計(jì)帶來巨大影響。如若可行，將大幅度降低基坑支護(hù)的支錨數(shù)量，從而降低工程投資。

表2 基坑下部支護(hù)參數(shù)表Table 2 Support parameters of lower part of foundation pit

圖5 計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.5 Calculating sketch

5 施工現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

目前，本工程基坑開挖已完成，施工過程中無事故發(fā)生。開挖過程中，坑壁平順性較好，無因爆破或基巖裂隙等因素產(chǎn)生倒坡造成的超挖，鋼管樁的預(yù)裂作用明顯;基坑爆破開挖對(duì)周邊建筑物、居民工作生活影響小，建筑物附近的爆破振速不超過1 cm/s，擾民較少，鋼管樁的減振效果顯著。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)斜發(fā)現(xiàn):吊腳樁樁底鎖腳錨索決定整個(gè)基坑工程的成敗，預(yù)加力越大，預(yù)應(yīng)力損失越小，則樁體位移減小;反之，則位移增大?；邮┕み^程中的地表沉降、樁頂位移實(shí)測(cè)值如6和圖7所示。

圖6 2013年地表沉降曲線圖Fig.6 Ground surface settlement in 2013

圖7 2013年樁頂水平位移曲線圖Fig.7 Horizontal displacement of pile top in 2013

6 結(jié)論與建議

1)青島地區(qū)上軟下硬特殊地質(zhì)條件下的基坑支護(hù)，尤其是地鐵結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)條形基坑，在周邊位移及沉降要求嚴(yán)格的情況下，上部第四系土層可采用樁+支撐，下部巖石邊坡采用錨噴支護(hù)的組合支護(hù)方案。通過對(duì)支撐施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力及樁底設(shè)置鎖腳錨索，能夠滿足位移及沉降限值要求。

2)在周邊環(huán)境限制下部放坡的條件下，微型鋼管樁在直壁開挖的巖石邊坡中超前支護(hù)、預(yù)裂及減振作用明顯。因此，在此類基坑支護(hù)體系中設(shè)置微型鋼管樁是合理的。當(dāng)然，在下部微風(fēng)化巖石條件較好的情況下，可僅設(shè)置預(yù)裂、減振孔而省略下鋼管及注漿工序。

3)鑒于當(dāng)前巖土工程設(shè)計(jì)理論的不完善及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的欠缺，吊腳樁支護(hù)系統(tǒng)理論尚未成熟，計(jì)算模型尚不完善，應(yīng)進(jìn)一步研究鋼管樁的剛度作用，考慮其剛度建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，降低支護(hù)費(fèi)用。同時(shí)，工程的實(shí)施須以信息化施工作為重要手段，以達(dá)到驗(yàn)證并改進(jìn)設(shè)計(jì)、推進(jìn)吊腳樁設(shè)計(jì)理論發(fā)展的目的。

［1］ 劉國(guó)彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊(cè)［M］.2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］ 劉紅軍，李東，孫濤，等.二元結(jié)構(gòu)巖土基坑“吊腳樁“支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)值分析［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2009，53 (5):43－48.(LIU Hongjun，LI Dong，SUN Tao，et al.Numerical analysis on design of dualistic foundation pit with“end-suspended pile”［J］.Journal of Civil，Architectural＆Environmental Engineering，2009，53(5):43－48.

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［4］ 王殿斌，呂三和.青島市深基坑工程實(shí)踐［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［5］ 劉紅軍，張庚成，劉濤.土巖組合地層基坑工程變形監(jiān)測(cè)分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(S2):550－553.(Liu Hongjun，ZhANG Gengcheng，LIU Tao.Monitoring and analysis of deformation of foundation pits in strata with rock-soil combination［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(S2):550－553.(in Chinese))

［6］ 陳東.廣州地鐵2號(hào)線江南西站南站廳基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.地鐵與輕軌，2003，16(6):15－21.

［7］ JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［8］ GB 50330—2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.