上官士青，楊 劍

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 上海分公司，上海 200082）

關(guān)鍵字：明挖隧道；基坑；被動樁；保護(hù)措施

引 言

堆土或基坑開挖造成的土體水平位移可能會導(dǎo)致臨近的樁基礎(chǔ)撓曲變形，進(jìn)一步引起嚴(yán)重的工程事故。如上海蓮花河畔倒樓案例，其樓房主體結(jié)構(gòu)倒塌主要原因之一為樓房一側(cè)堆土而另一側(cè)開挖基坑造成地基土發(fā)生大范圍水平位移，引起樁基變形過大，整體傾斜后樓房傾倒。又如寶鋼廠房倒塌案例，該廠房經(jīng)過長期重復(fù)堆載-卸載，服役10多年后發(fā)生倒塌，經(jīng)分析其主要原因?yàn)殚L期堆卸載造成的土體發(fā)生水平位移，造成樁基的側(cè)移過大。以上由于土體水平位移造成的樁基失效通常稱為被動樁問題。

對于基坑開挖引起的被動樁問題，文獻(xiàn)[2-7]通過理論分析、案例分析、有限元分析等手段研究了基坑開挖條件下臨近樁基撓曲和樁基附加沉降等問題，取得了較多的有益成果。整體上，基坑開挖下的被動樁問題多采用有限元法進(jìn)行研究，選取的計(jì)算案例有一些為假想案例，實(shí)際工程案例較少，且對被動樁的保護(hù)措施研究較少。在實(shí)際工程中，由于缺少對被動樁有效的保護(hù)措施的研究，通常要求基坑工程與需要保護(hù)的樁基礎(chǔ)保持一定避讓距離，限制了明挖隧道設(shè)計(jì)中道路的線路設(shè)計(jì)。

本文通過對某一明挖隧道工程初步設(shè)計(jì)中的被動樁案例進(jìn)行分析，研究了被動樁和基坑開挖支護(hù)樁變形的關(guān)系，分析和比選了多種被動樁保護(hù)措施，以供工程設(shè)計(jì)人員參考。

1 工程概況

某隧道初步設(shè)計(jì)時(shí)第K22+900至K22+980段從底部穿過既有BRT橋。隧道為雙向六車道，標(biāo)準(zhǔn)段采用單箱雙室鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，隧道凈寬14.05 m，凈高 7.45～7.95 m。該段地下通道采用基坑明挖法施工，將影響 Brt17、Brt18、Brt19、Brt20共計(jì) 4個(gè)橋墩。其中位于隧道基坑中的樁基和 BRT橋擬拆除重建，其他位于基坑外的橋墩擬檢測后重新利用。Brt20號墩位于基坑邊線外側(cè)，擬重新利用。Brt20墩下基礎(chǔ)由1.2 m直徑混凝土樁按2×2正方形排列構(gòu)成，其受到基坑開挖造成的土體位移的影響，屬于小型被動群樁。其最近的樁基距離基坑僅3.58 m（凈距），將會受到基坑開挖的影響。

此處地下通道基坑開挖尺寸大，其地下結(jié)構(gòu)寬度達(dá)到36 m左右，開挖深度為17.02 m。每延米開挖土方量達(dá)500 m3以上，開挖工程將導(dǎo)致周邊土體產(chǎn)生明顯位移，宜采用有限元方法進(jìn)行分析。

圖1 平面布置

2 有限元分析

2.1 計(jì)算方法和建模

采用有限元方法對基坑開挖和Brt20號被動群樁進(jìn)行平面應(yīng)變分析。分析軟件采用 Plaxis。基坑開挖部分按基坑開挖的施工順序進(jìn)行模擬計(jì)算?；邮┕み^程共有12個(gè)工況。該基坑采用3道內(nèi)支撐，分別位于-2.3 m、-6.3 m、-11.9 m處，拆撐時(shí)在-7.61 m處換撐，支撐水平間距為4 m，均為鋼筋混凝土支撐。（以上均為相對高程）。其中支撐剛度等計(jì)算參數(shù)按基坑設(shè)計(jì)計(jì)算書取值。支護(hù)樁為1.2 m直徑鉆孔灌注樁，樁底嵌巖，樁長28 m。

被動群樁Brt20位于基坑外3.58 m（凈距）處，承臺埋入土中。由于承臺角度并未與地下通道走向平行，四根樁基在基坑剖面方向上呈3排排列。被動群樁采用等效板墻法對其剛度進(jìn)行折減，進(jìn)行模擬。對于被動單樁，常對其剛度折減1.5～3倍進(jìn)行計(jì)算。

圖2 模型尺寸示意

根據(jù)對稱性對基坑進(jìn)行簡化，取基坑模型的一半進(jìn)行模擬。模型的邊界條件主要考慮嵌巖樁樁長和基坑開挖的影響范圍，其模型高度為70 m，寬度為70 m。其中邊界距離基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的距離達(dá)到了35 m以上。

2.2 參數(shù)取值

計(jì)算參數(shù)依據(jù)勘察報(bào)告提供的該場地地勘實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值。土層埋深依據(jù)地層剖面圖取值。其中巖體缺乏彈性模量數(shù)據(jù)，巖石模量取經(jīng)驗(yàn)值。

場地中土層主要由填土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘性土三種構(gòu)成，對于填土采用摩爾庫倫本構(gòu)計(jì)算，對于其他兩種土采用硬化土（HS）本構(gòu)計(jì)算，參數(shù)取值情況見表1和表2。基坑開挖為臨時(shí)性工程，通常按不排水分析計(jì)算。

表1 樁身參數(shù)取值情況

表2 土體參數(shù)取值情況

2.3 計(jì)算結(jié)果

主要考察基坑開挖至坑底及換撐拆撐后工況的基坑變形和對Brt20群樁的影響。圖3給出了拆撐后的土體水平位移，可見基坑拆撐后支護(hù)結(jié)構(gòu)為13.42 mm，符合基坑設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)。圖4給出了基坑開挖后土體隆起的情況，可見BRT20群樁承臺隆起量約16～20 mm，支護(hù)樁也有明顯的隆起情況。

本工程基坑采用理正軟件按基坑規(guī)范彈性支點(diǎn)法進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果表明基坑支護(hù)樁最大水平位移為10.4 mm，與本文計(jì)算結(jié)果13.42 mm接近，表明本文有限元模型計(jì)算結(jié)果可靠。

圖 5對比了基坑開挖完畢拆撐后的支護(hù)樁和Brt20群樁前樁（靠近基坑一側(cè)的樁）的變形，可見兩者變形趨勢接近，支護(hù)樁變形達(dá)到了13.4 mm，橋梁樁基變形達(dá)到了 11.8 mm。Brt20承臺水平變形為8.0 mm，承臺傾斜0.029 %。

圖3 拆除支撐后水平變形

圖4 拆除支撐后垂直變形

圖5 基坑支護(hù)樁和被動群樁水平位移對比（拆撐后）

由圖5可見，Brt20橋墩下的被動樁變形與基坑支護(hù)樁的變形趨勢基本一致。被動樁在坑底位置達(dá)到水平變形最大值，但在地表處變形大于基坑支護(hù)樁，這主要是由于本案例被動樁樁頂嵌入承臺，該承臺具有較大的樁頂轉(zhuǎn)角剛度，而支護(hù)樁為樁頂自由狀態(tài)，且受到第一道支撐的有效支撐，支護(hù)樁在埋深較淺的深度下變形更小。

3 保護(hù)措施研究

3.1 被動樁保護(hù)措施調(diào)研

本文整理了被動樁常見的處理措施，并對這些處理措施對于本例的適用性進(jìn)行了分析。

1）方法一：控制土體水平變形

該方法主要是針對公路路堤填筑或堆載下的被動樁提出的保護(hù)措施，具體的方法可以分為地基處理和輕質(zhì)路堤兩種方法。土體的水平位移場與地表的最大沉降量具有一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[9]，若從根本上控制土體水平位移，最直接的方法是控制堆填土施工造成的最終地表沉降量。但該方法并不適合作為基坑開挖下的被動樁的保護(hù)措施，因?yàn)樵谠摋l件下土體水平位移并不是堆載造成的。

2）方法二：應(yīng)力卸荷鉆孔

該方法在被動樁受擠壓一側(cè)進(jìn)行小直徑鉆孔，孔中填入一些毛竹籠或貫入海水。典型孔徑為 80～90 cm。當(dāng)土體位移開始發(fā)展后，該應(yīng)力卸荷孔首先受到擠壓變形，吸收一部分土體水平位移，詳見圖 6。但對于本文所討論的情況，基坑開挖下的被動樁位于基坑主動土壓力一側(cè)，并沒有土體水平應(yīng)力增量，需要采用應(yīng)力卸荷孔進(jìn)行釋放，因此也不適用基坑開挖條件下的被動樁。

3）方法三：采用水泥土加固

在對于寶鋼工業(yè)廠房地基加固項(xiàng)目中，楊敏[10]曾提出兩種主動區(qū)、被動區(qū)加固方案，如圖6所示。主動區(qū)加固為土體水平位移方向設(shè)置阻擋結(jié)構(gòu)，可以是隔離樁或重力式擋墻。被動區(qū)加固為對被動樁變形方向土體進(jìn)行加固，以減小被動樁變形。分析認(rèn)為，主動加固效果要優(yōu)于被動加固，但主動加固必須保證加固體深度達(dá)到硬土層。

圖6 各類被動樁保護(hù)措施示意

4）方法四：采用真空堆載聯(lián)合預(yù)壓

對于路堤堆載的情況，案例表明[11]，采用真空堆載聯(lián)合預(yù)壓可以有效的控制路堤地基的土體水平位移。理論上如能控制土體的水平位移，則可有效地保護(hù)被動樁。但采用該方法對被動樁進(jìn)行保護(hù)的案例尚未有報(bào)道，可以進(jìn)一步研究。

5）方法五：提高樁承臺水平方向剛度

提高樁頂承臺平剛度的方法有以下幾種：增大承臺尺寸、增加樁數(shù)、采用斜樁、采用錨索等。增加被動樁承臺處水平方向剛度可直接減小被動樁變形。但對較大范圍的堆載或基坑開挖，被動樁變形往往呈現(xiàn)整體平移的形式，增加樁頂承臺剛度效果需要通過計(jì)算驗(yàn)算后確定。一般樁基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)時(shí)，只有在明確的意識到該樁基礎(chǔ)為被動樁時(shí)，才會考慮上述結(jié)構(gòu)措施，如堆載場、筒倉、重工業(yè)廠房的樁基可采用斜樁等措施加強(qiáng)樁頂承臺水平剛度。對于大多數(shù)橋梁樁基，并不能在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)見其可能會承受大范圍的土體水平位移。

3.2 本文案例分析

上文總結(jié)的處理措施針對的是廣義的被動樁問題，大多數(shù)是針對大面積堆載如路基填筑等工程條件下的被動樁，因此對于基坑開挖條件下引起的被動樁問題，并不一定具有適用性，應(yīng)逐個(gè)討論分析。

對于方法一，控制土體水平方向變形的思路，本文所討論的基坑開挖的情況仍然適用?？稍黾又踅Y(jié)構(gòu)剛度，以減小地基土開挖造成的土體水平位移。具體的方法為增加支撐平面布置數(shù)量，增加支撐道數(shù)，增加支護(hù)樁樁徑，必要時(shí)采用坑底加固措施，均可減小支護(hù)樁變形，相應(yīng)的減小臨近被動樁的變形。

對于方法三，采用水泥土進(jìn)行主動區(qū)、被動區(qū)加固也適用于本文討論的情況?；娱_挖下的被動樁其主動加固和被動加固可分為以下類型：坑外加固和坑內(nèi)加固，見圖 6。其中坑外加固可采用隔離樁、攪拌樁或旋噴樁，可有效地減小基坑坑外土體的主動土壓力，大幅減小基坑變形，保護(hù)坑外的被動樁?？觾?nèi)加固則是與基坑坑底加固相同，采用攪拌樁等方式，增加基坑內(nèi)部被動土壓力范圍內(nèi)土體的模量和強(qiáng)度，減小支擋結(jié)構(gòu)變形。

經(jīng)過上述討論，選用增加基坑支擋結(jié)構(gòu)措施和坑外加固措施來對被動樁進(jìn)行保護(hù)。本文所討論的案例土質(zhì)條件較好，其坑底為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，因此不再采取坑內(nèi)加固的處理措施。通過有限元驗(yàn)算，對被動樁8 m范圍內(nèi)的土體采用旋噴樁加固后，基坑開挖后樁頂承臺水平位移小于 5 mm，樁身最大水平位移小于10 mm。

4 結(jié) 語

本文將某隧道基坑開挖對臨近橋梁樁基進(jìn)行了計(jì)算分析，并討論了被動樁的各類保護(hù)措施。研究表明：當(dāng)被動樁距離基坑較近時(shí)，基坑開挖引起的被動樁變形略小于支護(hù)樁變形。如不能保持足夠的安全避讓距離，應(yīng)采取保護(hù)措施。適用于基坑開挖條件下的保護(hù)措施有增加支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、采用坑內(nèi)加固、坑外加固等。