對拉錨索排樁支護結構在頂進箱橋深基坑中的應用

劉秋芳

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院， 河南鄭州　450001)

1　概況

1.1　工程概況

鄭州市北環輔道下穿鄭州北站上發場鐵路箱橋位于現狀北環彩虹橋南、北兩側，單側輔道寬18 m，道路紅線與北環大橋基礎凈距3.5 m，大橋基底埋深5.0 m。新建箱橋采用線路架空頂進施工，工作坑設在鐵路西側，基坑深9 m，南側輔道坑底長28.1 m，寬45.45 m，北側輔道坑底長27.6 m寬45.45 m，南、北兩個工作坑相距34.7 m。基坑緊鄰大橋基礎一側，必須采用深基坑支護垂直開挖，并控制變形。另外三側周邊環境條件較好，可放坡開挖。橋位平面及基坑平面見圖1、圖2。

圖1　橋位平面

圖2　基坑平面(單位：m)

1.2　工程地質及水文地質

工程場地地貌為黃河沖積平原，地勢相對平坦。地層為全新統沖積層粉土、粉質黏土及粉細砂層，土層參數見表1。場地地表水不發育，主要為人工排水渠及季節性地表徑流。地下水為第四系孔隙潛水，埋深7.5～8.8 m，變幅1～2 m，主要由大氣降水補給，水質對普通混凝土一般無腐蝕性。

表1　土層參數

2　支護方案選擇

2.1　工程支護特點

(1)矩形基坑三側放坡開挖，一側支護垂直開挖，兩個基坑相對大橋兩側布置；

(2)坑內預制箱橋，頂進施工，無加設水平內支撐條件；

(3)地下水位不高，土層滲透系數大。

(4)大橋為簡支梁結構、擴大基礎，基礎沉降不影響橋跨結構內力。

2.2　支護結構要求

基坑支護最重要的功能是保證輔道施工期間北環大橋的安全穩定和正常使用，保證箱橋主體結構的施工空間。因此，支護形式的選擇應根據地質條件、周邊環境、基坑支護功能，結合不同支護形式的特點、造價等綜合確定。根據本工程支護結構的功能和特點，應采用較大剛度的支護形式，以控制水平位移和沉降，如排樁或地下連續墻等。

2.3　支護方案比選

地下連續墻具有剛度大、整體性好、基坑開挖過程中安全性高、支護結構變形較小的特點，但工程造價相對排樁較高，適用于較深基坑的支護，對本工程而言不經濟。鋼筋混凝土排樁具有施工工藝簡單、成本低、平面布置靈活的優點，缺點是防滲和整體性差。本工程場地地表水不發育，地下水主要由大氣降水補給，基坑防滲可通過基坑降水解決，提高支護結構的整體性可通過增加冠梁和坑內水平約束實現。因此，設計選擇對拉錨索排樁支護結構。

3　支護結構設計

設計采用排樁加錨索支護結構，由鋼筋混凝土排樁、預應力錨索、鋼筋混凝土冠梁和中間型鋼腰梁構成。排樁沿基坑側壁布置，設計樁徑1.0 m，樁間距1.2 m，樁間拉鋼筋網，噴0.1 m厚混凝土。樁頂冠梁寬1 m，高1 m，樁身設兩道腰梁，豎向間距3 m，兩個基坑側壁間穿鋼束對拉，并錨固在冠梁和腰梁上，鋼束水平間距2.4 m，上下層交錯布置。支護結構立面見圖3。

4　基坑計算分析

圖3　支護結構立面(單位：cm)

支護結構計算一般包括三方面內容，即穩定性驗算、支護結構強度和基坑變形計算。布置在橋梁兩側的對拉錨索排樁支護結構，其分析內容包括:排樁結構內力計算，錨索內力計算，排樁嵌入深度計算，基坑抗隆起、側壁位移計算等。根據現場實際情況，模擬開挖支護過程，對支護結構進行簡化計算。在施工階段，按施工過程進行受力計算分析，開挖期間鉆孔灌注樁作為支擋結構，承受全部土壓力、地面超載引起的側壓力和橋梁基礎壓力引起的側壓力。結構的位移及內力采用有限元方法進行計算，基坑以下土的作用采用彈簧模擬，彈簧剛度按“m”法模式計算，土壓力按朗金土壓力理論計算。支護形式為多點樁結構，采用《理正基坑支護設計軟件5.05》進行內力變形及穩定性計算，計算方法為增量法，計算簡圖見圖4。

圖4　計算簡圖(單位：m)

模擬計算結果：圍護樁彎矩標準值為153 kN·m/m；圍護樁設計值為1.2×1.25×153=229 kN·m；

3道錨索的延米最大內力分別為42 kN，31 kN，24 kN。設計錨索的水平間距2.4 m，考慮k=2的安全系數，3道錨索的內力設計值分別為210 kN，150 kN，120 kN。分別配置2×7φ12.7，2×7φ12.7，2×7φ12.7鋼絞線，預加應力Py=100 kN。

計算樁錨結構最大水平位移為3.8 mm，抗傾覆最小安全系數Ks=1.37>1.2，計算基坑穩定和變形滿足規范要求，地表沉降量見圖5。

圖5　地表沉降量計算結果

5　圍護結構監測

由于巖土性質的復雜多變性及計算模型的局限性，為及時發現施工過程中出現的異常情況，對可能危及基坑工程本體和大橋安全的隱患進行及時、準確的預報，故采取信息化施工，對基坑施工全過程進行監測、巡視。目前箱橋已頂進就位，引道擋墻正在修建，工程計劃2013年初完工。截止2012年12月1日，監測累計結果見表2。

表2　2012年12月01日監測累計結果

6　結束語

本工程基坑采用對拉錨索排樁支護結構，解決了基坑內預制箱橋無法加設內支撐的問題，為類似深基坑施工提供了有益的經驗，實現了大橋一側垂直開挖，避免規劃紅線外移造成大量占地和拆遷。對拉錨索對約束支護結構的變形起到較好作用，對穩定坑外土體、限制橋梁位移起到一定作用。全程跟蹤監測巡視：支護結構無裂縫、變形，坑外土體無沉陷、裂縫、滑移現象，坑內無流砂、管涌、隆起，周邊建筑物無裂縫、沉陷，經濟效果和社會效果較好。

[1]JGJ120—99建筑基坑支護技術規程[S]

[2]GB50497—2009建筑基坑工程監測技術規范[S]

[3]TB10203—2002鐵路橋涵施工規范[S]

[4]GB50010—2010混凝土結構設計規范[S]

[5]CECS22：2005.巖土錨桿(索)技術規程[S]

[6]劉國彬，王衛東.基坑工程手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2002