復雜環境下聯合支護深基坑穩定性分析

曾潤忠，張元才

(華東交通大學 軌道交通學院，南昌 330013)

基坑在開挖施工中，由于地層應力的變化及水土流失的產生，將可能使坑壁土體產生變形破壞，影響基坑的施工及附近建筑物的穩定及安全。軟弱地層土體抗剪強度低，土體穩定性差，深基坑開挖一般需要采取一定的支護措施，在施工條件允許的情況下，采用多種措施聯合對基坑進行支護[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場連接的道路按城市主干道設計，設計時速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，地層成因復雜，區內第四系為濱、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，具有層序復雜、相變劇烈、厚度不均的特點。

工程區域內各地層的力學性能從新至老如表1。

工程區域內無河、溪水等水系分布，基巖為花崗巖，風化層不均，含有少量孔隙水，地下水不發育。主要受大氣降水補給，地下水位受季節性控制明顯。

表1 各土層物理力學性能

2 基坑支護體系

2.1 原設計支護形式

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，必須嚴格控制基坑的變形。原設計圍護結構ABC段(圖1)及 FGH段為 φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁，CDEF段轉角處為φ 1 200鉆孔灌注樁，樁頂設置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;圍護結構插入基底深度原則上按1倍基坑深度控制。基坑支撐為內撐式，根據開挖深度不同，分別設置1～3層(局部4層)φ609 mm@6 000 mm鋼管(t=16 mm)作為內支撐;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 基坑的聯合支護體系

采用鋼管作內支撐能有效減小基坑圍護的變形，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，將影響施工進度，并嚴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作業，進而影響整個工程進度。

為提高施工效率，節約施工成本，對基坑采用樁錨加水泥高壓旋噴樁的聯合支護方式。即ABC段及FGH段基坑圍護結構仍為原設計的鉆孔灌注樁，灌注樁外圍為深層攪拌樁止水;取消原設計鋼管內撐，加設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度，與鉆孔灌注樁及冠梁一起維護基坑穩定;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支護工程。各段基坑聯合支護措施如圖2、圖3所示。

圖2 AC段、FH段基坑支護示意

圖3 CDEF段基坑支護示意

2.3 支護方案分析

2.3.1 AC段、FH段基坑支護分析

基坑底呈傾斜狀，各部開挖深度不同，錨索支護也不同。開挖深度在10～14 m段，設3道錨索;6～10 m段，設2道錨索;開挖深度6 m以內段，設1道錨索。錨索水平間距2.4 m(每2根灌注樁設一錨索)，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，基坑整體穩定好，故只進行錨索參數計算。

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°，按基坑支護規程[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，根據基坑重要性取值，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

各道錨索工作參數如表3所示。

表3 錨固體施工參數

2.3.2 CDEF段基坑穩定性分析

此段基坑開挖深度大，邊坡形狀復雜，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面，無法采用錨固、土釘墻方式支護。綜合考慮，決定采用高壓旋噴樁加灌注樁加冠梁加超前環狀鋼管幕方式進行支護。但基坑局部距鐵路道床很近(圖1)，加固范圍小，不能滿足基坑支護規程[4]有關水泥土墻的加固寬度要求，需進行穩定性檢算。

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無側限抗壓強度平均值不小于 0.4 MPa[5];C，D，E，F四角點設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構考慮，超前支護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定作用(作為邊坡支護的安全儲備)，根據鐵路支擋結構設計規范[6]，對此段基坑的整體穩定性作下述分析。

抗傾覆安全系數

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，為水泥土抗剪強度與鋼管錨固體外表面乘積，其中水泥土的抗剪強度可按水泥土無側限抗壓強度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

式中，μ為墻體與其下土體間摩擦系數，按規范選取;其他符號意義同式(3)。

選取CDEF段穩定性最差的C，E點進行分析。1 m基坑長度內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 Kq為2.6，抗滑移安全系數 Kh為3.5，均大于規范[6]要求。

3 基坑施工及監測

3.1 施工工序

正確的施工工序對保證基坑的施工質量與提高工效有重要作用，并及時為后續的下穿鐵路隧道提供作業面。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

基坑開挖后及時進行錨索施工，選用3束7φ5高強鋼絞線，采用錨桿鉆機成孔，注漿后次補漿，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應力筋。錨索選用高強度低松弛鋼絞線，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。現場抗拔試驗第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。

超前支護鋼管幕在基坑開挖間歇期間進行，分二步施作，第一步進行φ125 mm導向孔施工，第二步根據導管的施工精度及施工實際情況，擴孔φ250 mm采取“前拉后夯”的方法鋪設φ300 mm鋼管，最后進行管內灌漿及管間注漿，使鋼管環狀連接成幕。

灌注樁采用泥漿護壁成孔，吊放鋼筋籠后，水下澆筑混凝土，混凝土強度為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范長度設置。

3.3 施工監測

施工監測有二套監測系統分別進行。業主聘請獨立第三方監測單位主要負責基坑頂的水平位移、關鍵部位的測斜觀測、地下水位監測和由于基坑開挖導致鐵路路基的沉降及鐵路軌面的平順變形監測。第三方監測單位定時向監理及施工單位通報監測資料，遇有監測報警值，及時反饋業主、監理單位及施工單位。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行施工監測，監測內容包括基坑變形、開挖導致的水土流失、開挖對周邊環境的明顯影響等方面，并隨時反饋給作業部門，以指導施工。

4 基坑變形及分析

2007年底開始攪拌樁及灌注樁施工，2008年初進行冠梁施工，同時進行基坑開挖，初期開挖深度較小，基坑變形值也很小。基坑開挖的高峰期為2月至4月，監測顯示期間坑頂水平位移明顯，樁內埋設測斜管監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52 mm及43 mm，超警戒值，3月至4月最大位移速率達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。關鍵基坑頂點水平位移監測值隨時間變化規律如圖4所示。

觀察坑頂各測點水平位移量發現，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;4月底基坑開挖基本到位，但變形仍繼續，顯示基坑變形的滯后性;4月底在DE段與FG段之間增設φ609 mm@6 000 mm鋼管內支撐，則 JK6、JK10、JK11、JK12測點水平位移呈收斂狀態。

圖4 基坑頂水平位移時程曲線

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

5 結語

1)對于復雜環境下的基坑，如果條件允許，采用聯合支護措施可降低造價，提高施工速度，并為后續施工提供較好條件。其中錨桿加排樁加止水樁的支護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形式;但水泥土攪拌樁護墻支護剛度較差，基坑變形較大，如能適當增設腰梁，增加支護墻體剛度，并與其他錨桿類支護形式相組合，則效果更好。

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

3)基坑的變形與基坑的圍護形式、支護措施、土體的物理力學性能有密切關系。此外，增設基坑頂貫通的壓頂冠梁及改變基坑圍護的平面布置形狀，增加圍護結構抵抗水平土壓力的慣性矩，也能顯著減小基坑的變形。

[1]劉建航，侯學淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，1999.

[2]徐楊青.深基坑工程設計的優化原理與途徑[J].巖石力學與工程學報，2001，20(2):248-251.

[3]奚光宇.北京地鐵明挖基坑的監控量測[J].鐵道建筑，2010(8):53-56.

[4]中華人民共和國建設部.JGJ120—99 建筑基坑支護技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社，1999.

[5]梁志榮，李忠誠，劉江，等.三軸水泥土攪拌樁強度分析及試驗研究[J].地下空間與工程學報，2009，5(增 2):1562-1567.

[6]中華人民共和國鐵道部.TB10025—2006 鐵路路基支擋結構設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2006.