孫 康

（沈陽(yáng)帝鉑建筑工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110031）

1 概述

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種空間組合類懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)，近些年來(lái)在深基坑支護(hù)工程中得到廣泛應(yīng)用。所謂雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是指沿基坑側(cè)壁排列設(shè)置的由前、后兩排支護(hù)樁和梁連接成的剛架及冠梁組成的支擋式結(jié)構(gòu)［1］。具體的說(shuō)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是將密集的單排懸臂樁中部分樁向后移動(dòng)，并在樁頂用剛度較大的連梁把前后排連接起來(lái)，沿基坑長(zhǎng)度方向形成雙排支護(hù)的空間結(jié)構(gòu)體系。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在沒有錨桿（或者內(nèi)支撐）的情況下，利用超靜定剛架結(jié)構(gòu)隨支撐條件及荷載條件的變化而自動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配的特性，發(fā)揮空間組合樁的整體剛度和空間效應(yīng)，并與樁間土協(xié)調(diào)工作，支擋因開挖引起的不平衡力，達(dá)到保持坑壁或坡體穩(wěn)定、變形控制、滿足施工工期和不影響周邊環(huán)境的目的［2］。

2 計(jì)算模型

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)按照平面剛架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分驗(yàn)算，如圖1 所示。

在結(jié)構(gòu)模型分析時(shí)，作用在雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的主、被動(dòng)土壓力與單排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)相同，整體滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算方面同樣采用圓弧滑動(dòng)條分法進(jìn)行驗(yàn)算。不同的是雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在計(jì)算模型分析中存在如下幾個(gè)獨(dú)特的技術(shù)控制點(diǎn)：

①如何發(fā)揮排樁間土層性質(zhì)在支護(hù)結(jié)構(gòu)中影響問(wèn)題；

②如何利用冠梁與連梁組合蓋梁的空間剛度問(wèn)題；

③如何解決雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)整體抗傾覆穩(wěn)定問(wèn)題；

④如何看待前后排樁的沉降差問(wèn)題。

圖1 雙排樁計(jì)算模型

2.1 排樁間土層性質(zhì)在整體支護(hù)結(jié)構(gòu)中影響

根據(jù) 《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱“《規(guī)程》”）給出計(jì)算模型中前后排樁之間土體采用土的側(cè)限約束假設(shè)，樁間土對(duì)前后排樁的土反力與樁間土的壓縮變形有關(guān)，將樁間土看做水平向單向壓縮體即土彈簧，按照土的壓縮模量確定土彈簧水平剛度系數(shù)。樁間土的水平剛度系數(shù)（kc）可按式（1）計(jì)算：

式中：Es-計(jì)算深度處前、后排樁間土體的壓縮模量（kPa）；當(dāng)為成層土?xí)r，應(yīng)按計(jì)算點(diǎn)的深度分別取相應(yīng)土層的壓縮模量。

在前后排樁排間距和樁徑已經(jīng)確定時(shí)，樁間土彈簧的水平剛度系數(shù)與樁間土體的壓縮模量關(guān)系密切，改善土彈簧水平剛度系數(shù)是提高雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)整體抗彎能力的關(guān)鍵所在。

2.2 冠梁與連梁組合蓋梁的空間剛度

前后排樁頂部設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，冠梁將每根支護(hù)樁頂部連接起來(lái)，約束協(xié)調(diào)單根支護(hù)樁的樁頂變形。前后冠梁之間設(shè)置連梁，連梁將前后排樁連接成一個(gè)整體門式剛架，共同承擔(dān)水土壓力。從雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)整體上看沿基坑支護(hù)長(zhǎng)度方向前后排樁頂?shù)墓诹汉蛣偧芰航M成了一道寬度為排樁間距的整體樁頂蓋梁，如何充分發(fā)揮這個(gè)蓋梁的水平抗彎剛度優(yōu)勢(shì)是雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)控制點(diǎn)。

通常冠梁可以看做水平受彎構(gòu)件，可將每個(gè)樁頂水平力視為荷載，基坑一側(cè)排樁支護(hù)長(zhǎng)度視為冠梁計(jì)算長(zhǎng)度，一般情況下（即冠梁位置未設(shè)置支撐或者錨索時(shí)）將計(jì)算長(zhǎng)度兩端的垂直方向冠梁或土體視為支座，按照均布荷載作用下簡(jiǎn)支梁抗彎剛度計(jì)算冠梁側(cè)向剛度，如圖2 所示。冠梁側(cè)向剛度大小與長(zhǎng)度、計(jì)算點(diǎn)位置、截面尺寸、材料性質(zhì)有關(guān)。在冠梁截面尺寸和材料性質(zhì)一定時(shí)，如果冠梁計(jì)算長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，則冠梁側(cè)向剛度過(guò)小，則冠梁對(duì)中間位置支護(hù)樁的約束就變得很微??；反之在冠梁剛度絕對(duì)大時(shí)，則可認(rèn)為冠梁計(jì)算長(zhǎng)度范圍內(nèi)每根樁頂均存在一個(gè)無(wú)變形無(wú)轉(zhuǎn)角的剛性約束如式（2）所示。因此在基坑設(shè)計(jì)使用時(shí)提高冠梁側(cè)向剛度對(duì)控制樁頂變形有很大的有利影響。

圖2 冠梁側(cè)向剛度估算

式中，K-冠梁剛度估算值（MN/m）；a-樁、墻位置（m）；L-冠梁長(zhǎng)度（m）；EI-冠梁截面剛度（MN·m2）；I 表示截面對(duì) X 軸的慣性矩。

2.3 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆驗(yàn)算

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆驗(yàn)算與重力式擋土墻相同，將前排樁底部（即墻趾）視為不動(dòng)點(diǎn)，被動(dòng)土壓力和樁土自重（即抗傾覆力）與主動(dòng)土壓力（即傾覆力）均對(duì)不動(dòng)點(diǎn)取矩，抗傾覆力矩與傾覆力矩比值即為安全系數(shù)，如圖3 所示。由于雙排樁排間距受限因素較多，樁-蓋梁-土自重在抗傾覆驗(yàn)算中的有利影響較重力式擋土墻要小得多。單獨(dú)增加嵌固深度在地基土條件一般或較差時(shí)又可能降低安全系數(shù)，同時(shí)也不經(jīng)濟(jì)。針對(duì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆受力特點(diǎn)，如何簡(jiǎn)單、有效、經(jīng)濟(jì)、合理解決抗傾覆問(wèn)題，是雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)控制點(diǎn)［1］。

圖3 雙排樁抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

式中參數(shù)意義參見 《規(guī)程》 4.12.5 中規(guī)定。

2.4 前后排樁的沉降差

雙排樁支擋結(jié)構(gòu)整體受力模型與重力式擋土墻相同，將前排樁底部（即墻趾）視為不動(dòng)點(diǎn)，要求此處地基承載力滿足支擋結(jié)構(gòu)偏心受壓時(shí)最大基底壓力要求。具體體現(xiàn)在雙排樁剛架結(jié)構(gòu)上時(shí)，即在水平荷載作用下，樁的內(nèi)力除彎矩、剪力以外，還會(huì)產(chǎn)生較大軸力；前排樁處于偏心受壓狀態(tài)，后排樁處于偏心受拉狀態(tài)。因此前、后排樁的沉降差值與雙排樁整體穩(wěn)定性和變形密切相關(guān)。在其他條件不變的情況下，樁頂水平位移、樁身最大彎矩隨著前、后排樁沉降差值的增大成線性增加；同時(shí)抗傾覆安全系數(shù)隨之降低。為減少前排樁沉降可采取如下幾種措施：樁端選擇強(qiáng)度較高的土層、控制孔底沉渣厚度、采用樁底后壓漿工藝。這同樣是雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)控制點(diǎn)。

3 工程案例

針對(duì)雙排樁支擋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及上文中提及的幾個(gè)重要技術(shù)控制點(diǎn)，本文以一個(gè)實(shí)際工程案例來(lái)詳細(xì)介紹雙排樁支擋結(jié)構(gòu)在基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用及注意事項(xiàng)。

3.1 工程概況

沈陽(yáng)某項(xiàng)目基坑工程位于黃河大街與黃山路交匯處，緊鄰沈陽(yáng)地鐵2 號(hào)線陵西站，車站處在運(yùn)營(yíng)階段，地鐵車站及附屬結(jié)構(gòu)采用C30 混凝土。項(xiàng)目基坑開挖深度 7.4m，11.6m 和 12.3m；陵西站B 出口結(jié)構(gòu)最大埋深14.1m，地鐵通道結(jié)構(gòu)埋深10.8m，項(xiàng)目與地鐵結(jié)構(gòu)均采用天然地基。項(xiàng)目基礎(chǔ)外邊緣距離地鐵預(yù)留地距離為6.5m，距離陵西站B 出口結(jié)構(gòu)外邊線距離為9.8m。陵西站B 出口開挖時(shí)采用鋼筋混凝土排樁內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)支護(hù)，B 出口內(nèi)部設(shè)置一部超長(zhǎng)扶梯，對(duì)于橫向變形非常敏感。工程位置概況如圖4 所示。

圖4 項(xiàng)目基坑與地鐵陵西站位置概況

3.2 工程地質(zhì)條件

現(xiàn)場(chǎng)地形較為平坦，屬渾河沖積階地地貌單元，自上至下主要由雜填土、粉質(zhì)粘土、中砂、粗砂、礫砂、圓礫及泥礫等組成。各土層物理力學(xué)性質(zhì)描述見表1?，F(xiàn)場(chǎng)地下水為二層，第一層為上層滯水，水位埋深0.5-4.5m，主要賦存在粉質(zhì)粘土層之內(nèi)；第二層為孔隙潛水，水位埋深為17.5～19.0m，主要賦存在礫砂層和圓礫層內(nèi)。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)表

3.3 設(shè)計(jì)重點(diǎn)

項(xiàng)目基坑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于基坑開挖使用過(guò)程中如何保證地鐵陵西站的正常運(yùn)營(yíng)，特別是B 出口主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部扶梯安全使用。按照要求地鐵出口結(jié)構(gòu)最大水平位移不得超過(guò)6mm，自動(dòng)扶梯的橫向變形不得超過(guò)0.2%，縱向變形不得超過(guò)3°。參考 2011 年“7·5”北京地鐵四號(hào)線自動(dòng)扶梯事故調(diào)查報(bào)告，地鐵超長(zhǎng)扶梯使用過(guò)程中上下兩端水平位移差不宜超過(guò)2mm，否則有扶梯倒行的風(fēng)險(xiǎn)。項(xiàng)目要求基坑需要在二個(gè)月內(nèi)完成開挖，地下結(jié)構(gòu)在三個(gè)月內(nèi)完成。另根據(jù) 《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》 要求，（CJJT202-2013）3.2.4 條要求，基坑支護(hù)樁距離地鐵結(jié)構(gòu)安全距離不小于5m，錨桿、錨索、土釘?shù)染嚯x地鐵結(jié)構(gòu)安全距離不小于6m。

如何在有限的區(qū)域內(nèi)、在較短時(shí)間內(nèi)完成基坑安全開挖，同時(shí)保證地鐵正常運(yùn)營(yíng)是本次基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)實(shí)施的關(guān)鍵所在。

3.4 解決措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，綜合考慮各種限制條件，在無(wú)法采用內(nèi)支撐、外錨拉和逆作法形式時(shí)，設(shè)計(jì)采用雙排樁懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算常規(guī)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足工程要求，根據(jù)前文中關(guān)于雙排樁計(jì)算模型特點(diǎn)的描述，設(shè)計(jì)時(shí)在如下幾方面采取特殊處理措施以滿足要求［2］。

（1）對(duì)前、后排樁之間力學(xué)性質(zhì)較差土體進(jìn)行處理，采用滿布高壓旋噴樁進(jìn)行加固，提高樁間土體的壓縮模量和土彈簧的水平剛度系數(shù)。經(jīng)檢測(cè)結(jié)果樁間土壓縮模量可提高4-5 倍，如此可以較大加強(qiáng)雙排樁與排樁間土體的協(xié)同工作，提高雙排樁結(jié)構(gòu)整體側(cè)向抗彎能力，有效控制了支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

（2）本段雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)位于基坑開挖中間位置，支護(hù)形式和樁頂標(biāo)高均與周邊支護(hù)段均不同且不連接，如按照常規(guī)處理，則此處樁頂蓋梁兩端均屬于自由狀態(tài)，不能對(duì)樁頂位移形成有效約束。設(shè)計(jì)在樁頂蓋梁兩端遠(yuǎn)離地鐵保護(hù)區(qū)位置設(shè)置數(shù)根大預(yù)應(yīng)力錨索。通過(guò)加大鋼絞線截面積，提高軸向拉力，提高錨索支點(diǎn)剛度，以此在蓋梁兩端形成有效水平約束，蓋梁剛度計(jì)算時(shí)將錨索視為蓋梁兩端鉸支座，縮小蓋梁計(jì)算長(zhǎng)度，提高水平側(cè)向剛度。

（3）設(shè)計(jì)采用雙排樁懸臂結(jié)構(gòu)，最大開挖深度12.3m，常規(guī)計(jì)算雙排樁整體抗傾覆安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。為此設(shè)計(jì)采用跳倉(cāng)法抽條開挖土方，每條土方開挖到坑底標(biāo)高后超挖200mm，立即施工300mm 厚鋼筋混凝土配筋墊層，待墊層混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再抽條開挖剩余土方，如此相當(dāng)于在基坑底部設(shè)置一道連續(xù)的剛性支撐，提高抗傾覆安全系數(shù)。

（4）為進(jìn)一步提高懸臂雙排樁結(jié)構(gòu)的抗傾覆安全系數(shù)、控制樁頂變形，有效控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體變形，設(shè)計(jì)要求前排樁采用長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌工藝施工，設(shè)計(jì)樁端持力層為中砂，同時(shí)在前排樁底安放后注漿管，并進(jìn)行樁底后壓漿施工，以控制前后排樁使用過(guò)程中的沉降差。

3.5 設(shè)計(jì)方案

按照上文中提及的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和解決措施，采用雙排樁懸臂結(jié)構(gòu)通過(guò)理正深基坑設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最大水平位移15.26mm，滿足規(guī)范要求支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移不超過(guò)0.15%h（即為 17.4mm），詳見圖 5；其他各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)同樣滿足要求。設(shè)計(jì)剖、立面圖參見圖6、圖7 所示。

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移包絡(luò)圖

圖6 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

圖7 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)立面圖

3.6 復(fù)核驗(yàn)算結(jié)果

在雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算之后，采用數(shù)值分析軟件FLAC 3D 建立三維計(jì)算模型進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，分析預(yù)測(cè)基坑開挖施工過(guò)程中地鐵結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力的變化。在車站出口模型底部施加豎向位移約束，模型四周約束為各面的法向位移約束，地表為自由面。分析結(jié)果見圖8～圖10 所示。

圖8 B 出口最大主應(yīng)力

圖9 B 出口沉降變形

圖10 B 出口橫向水平位移

經(jīng)過(guò)數(shù)值分析，地鐵陵西站B 號(hào)出入口結(jié)構(gòu)所受最大壓應(yīng)力為3.02MPa，最大拉應(yīng)力為1.24MPa，最大沉降變形2.25mm，最大隆起變形為0.75mm，橫向水平位移最大值1.26mm。B 號(hào)出入口結(jié)構(gòu)在雙排樁懸臂結(jié)構(gòu)支護(hù)狀態(tài)下的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均小于混凝土軸心抗壓和軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，最大豎向變形小于其沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，表明地鐵結(jié)構(gòu)在基坑開挖狀態(tài)下的強(qiáng)度和變形滿足規(guī)范要求。

3.7 實(shí)踐效果

現(xiàn)場(chǎng)按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)施，支護(hù)樁均采用長(zhǎng)螺旋壓灌混凝土工藝施工，開挖時(shí)蓋梁處預(yù)應(yīng)力錨索施工位置存在地下障礙，將錨索豎向位置向下調(diào)整1.5m，同時(shí)加大軸向錨拉力。從開挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)和巡視數(shù)據(jù)上看，雙排樁基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)及地鐵結(jié)構(gòu)變形滿足設(shè)計(jì)要求［3］。參見圖11 所示。

圖11 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)開挖效果圖

4 結(jié)語(yǔ)

雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了門式超靜定剛架結(jié)構(gòu)的受力優(yōu)點(diǎn)，可以解決復(fù)雜環(huán)境基坑支護(hù)安全問(wèn)題。

本文通過(guò)一個(gè)典型基坑支護(hù)工程項(xiàng)目，關(guān)于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型幾個(gè)技術(shù)控制要點(diǎn)，分別針對(duì)采取有效技術(shù)措施，完成了復(fù)雜環(huán)境中深基坑的開挖支護(hù)，積累了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。