對拉結構在鄰近深基坑中的應用

陳海軍，郝國鵬

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133;2.洛陽路橋建設集團有限責任公司，河南 洛陽 471000)

0 引言

隨著城市建設不斷加快，地下空間利用率越來越高，經(jīng)常出現(xiàn)多個項目同期建設的情況，從而造成相鄰基坑的出現(xiàn)。受工程項目管理、建設工期、施工場地布置及施工道路等因素控制，通常情況下，相鄰基坑不能合并。一般在建筑深基坑設計時，圍護結構均處于半無限土體中，由于建筑基坑寬度較大，支護體系通常采用錨索結構，錨索的長度是深基坑設計的重點［1］。對于鄰近基坑，若獨立設置錨索，其必要的長度不能滿足，針對同期實施的臨近深基坑支護問題，目前國內(nèi)亦較少有專項研究，文獻［2］在處理隧道內(nèi)核心土穩(wěn)定時曾采用對拉錨索，文獻［3－6］對常規(guī)深基坑的計算分別提出了理論模型及構件模擬方法，文獻［7］就支護結構剛度與入土深度對變形的影響進行了研究，文獻［8］對深基坑工程穩(wěn)定控制基準進行研究。本文以長沙營盤路湘江隧道D匝道基坑與相鄰的建筑基坑為例，在2坑之間設置了一種對拉結構，通過整體計算與構造設計，確定該種結構方案的可行性。通過此種結構在其他工程中的應用，證明其適用性與安全性。

1 工程概況

長沙營盤路湘江隧道D匝道DK0+130～+200段明挖基坑與其東側的建筑基坑同期施工，2基坑水平間距7.5～9.0 m，地面布置為施工道路，地下2.5 m處埋設有城市供水干管，2基坑不能合并開挖。隧道基坑寬10.0 m，深7～13 m，采用鉆孔樁+內(nèi)支撐圍護;建筑基坑寬42～47 m，深13.5 m，采用鉆孔樁+錨索圍護;2基坑地質(zhì)自上而下依次為雜填土、淤泥、圓礫及強風化板巖，基坑處于雜填土及淤泥地層中。建筑基坑的錨索原設計長25 m，進入隧道范圍，由于2基坑同期施工，隧道圍護樁施工及基坑開挖時勢必會切斷建筑基坑的錨索而造成建筑基坑出現(xiàn)傾覆，為解決上述問題，在2坑之間設計對位結構。第1道采用鋼筋混凝土聯(lián)系梁把2坑圍護樁冠梁橫向連接，地面以下采用對拉錨索(該種形式在處理隧道內(nèi)核心土穩(wěn)定時曾經(jīng)采用過［2］)將2坑圍護樁連成整體。對拉結構平面及剖面布置如圖1所示。

2 受力分析

2.1 對拉結構受力分析需關注的主要問題

1)隧道基坑左側半無限土體的穩(wěn)定與變形;

2)2基坑之間有限土體的穩(wěn)定與變形;

3)圍護結構內(nèi)力;

4)對拉結構內(nèi)力;

5)按一般基坑設計時需計算的各種要求。

2.2 計算模型的確立

一般的深基坑計算時，基坑兩側均為半無限體，通常對基坑單側標準斷面采用結構荷載法計算［3］，對于上述對拉結構，采用一般的深基坑計算軟件無法完成，本次計算擬定采用地層結構法建立地層與結構的本構模型，對相鄰基坑進行整體模擬分析。土體本構為等向硬化彈塑性模型(Hardening soil Model)［4－5］，計算采用巖土工程專用有限元軟件Plaxis完成［6］。計算模型寬度100 m，深度40 m，根據(jù)地勘資料，自上而下分層模擬各地層，圍護結構、混凝土支撐及聯(lián)系梁采用梁單元，黏結型錨桿、鋼支撐及對拉錨索采用可施加預應力的桿單元［6］。考慮支護結構剛度與入土深度對變形的影響［7］，擬定圍護結構鉆孔樁直徑為1.0 m，間距為1.2 m，嵌固深度為5.0 m，擬定頂部聯(lián)系梁為鋼筋混凝土結構，截面尺寸為1 000 mm×800 mm，間距為2.0 m，對拉錨索采用4根1束φ 15.2 mm的預應力鋼絞線。計算模型如圖2所示。根據(jù)地質(zhì)詳勘資料，各地層物理力學參數(shù)如表1所示。

圖2 鄰近基坑計算模型Fig.2 Calculation model of cross structure of neighboring foundation pits

2.3 結構結果分析

經(jīng)初步計算，由于基坑深度范圍處于雜填土及淤泥質(zhì)地層，2基坑之間土體抗變形能力較差，結構整體上向基坑側的水平位移超過7 cm，變形過大，不滿足基坑變形控制標準要求［8］。產(chǎn)生較大水平位移的主要原因是相鄰基坑間土體壓縮模量過小，抗變形能力較差。因此考慮對2基坑之間的軟土進行加固處理，提高地層物理力學參數(shù)后重新計算。地層加固完成后的主要計算成果如圖3和圖4所示。經(jīng)統(tǒng)計圍護結構各構件計算結果，其變形與內(nèi)力見表2。

通過對基坑從開挖到回填的全過程模擬計算，在基坑開挖至基底時，本構體系中各結構變形與內(nèi)力達到最大值，3排圍護樁中隧道左側的最大水平位移為29 mm，隧道右側的最大水位移為28 mm，建筑基坑側的最大水平位移為27 mm，基坑間有限土體內(nèi)最大應力為0.15 MPa，無塑性區(qū)出現(xiàn)。由此可見，對拉基坑中，3排圍護樁變形相互協(xié)調(diào)，通過對中間土體的加固，顯著提高了土體的抗剪能力，從而起到了控制變形的作用。

由表2可以看出，圍護結構最大水平位移均小于基坑變形的控制標準，圍護樁內(nèi)力及支撐軸力較小，可以通過結構設計滿足受力要求。值得注意的是，由于共用圍護結構間土體變形達28 mm左右，其間埋設的管線跟隨土體一起變形，其總的位移量約27 mm，超過了管線保護的允許值，在基坑開挖過程應采取有效措施保護管線安全，結構設計時考慮在管線左側開挖協(xié)調(diào)變形溝，減少土體變形對管線的影響。

表1 土體本構模型計算參數(shù)Table 1 Parameters of constitutive model

3 對拉結構構造設計

對于采用對拉結構的鄰近基坑，根據(jù)結構內(nèi)力計算成果，除按一般基坑的設計方法完成基坑圍護結構設計之外，需重點就對拉部分進行結構設計，其中主要設計對象是聯(lián)系梁與對拉錨索。聯(lián)系梁主要內(nèi)力有彎矩、拉力和剪力，可按彎剪結構進行設計。聯(lián)系梁與相鄰的2個圍護結構冠梁連接，其間距可按2～4 m布置，施工應與圍護結構冠梁整體施作。對拉錨索布置在地面以下，間距2 m或2樁一錨，根據(jù)錨索拉力的大小兩端錨固在鋼筋混凝土腰梁或鋼腰梁上。一般的錨索系統(tǒng)由索體、自由段、錨固段、錨頭和墊塊等組成［9］，就對拉錨索而言，除錨頭、墊塊與通常錨索系統(tǒng)相同外，錨索體亦采用預應力鋼絞線，但與一般錨索設計的不同之處在于將其布置在套筒內(nèi)，不設錨固段，無需與地層粘結，基坑內(nèi)主體結構完成后，對拉錨索可解索回收。聯(lián)系梁與錨索構造設計如圖5和圖6所示。

4 工程應用

4.1 對拉結構在某沉管隧道接頭護岸結構中的應用

該工程采用軸線干塢，干塢端頭與河岸間距為37～41 m，基坑深14～22 m，基坑周邊需3面開挖，即干塢側、隧道側及河道側，受沉管隧道施工工藝限制，干塢端頭與河岸間土體需保留。為滿足隧道側基坑受力及沉管管段出塢要求，隧道側基坑采用預應力錨索支護，錨索結構占據(jù)地下空間。對于干塢側及河道側圍護結構的支護，若仍采用普通錨索形式，在干塢端頭與河岸間土體內(nèi)將存在3個方向的錨索，相互之間勢必出現(xiàn)空間沖突，同時也將造成群錨效應，地層錨固力損失或破壞。為解決上述問題，該工程在干塢側及河道側的圍護結構支護體系采用對拉錨索，錨索間距1.4 m，鎖定時施加預應力。錨索空間布置如圖7所示，對拉錨索平面布置如圖8所示。

4.2 對拉結構在某盾構隧道始發(fā)井段的應用

該隧道東岸盾構始發(fā)井長27.6 m，寬42.8 m，基坑深20～25 m，始發(fā)井基坑北側為某大型建筑基坑，該基坑與隧道工程同期建設，建筑基坑深10～15 m，2基坑間距10.5～14 m。建筑基坑支護體系原設計采用錨索體系，因其距隧道基坑較近，錨索錨固段進入隧道基坑范圍，致使隧道圍護結構無法實施。若考慮2坑合并，挖除中間土體，將存在如下問題:1)大量增加土方開挖與回填，2個工程屬于不同的建設單位，協(xié)調(diào)困難;2)隧道主體結構與樓房建設不同步，基坑合并后回填時間難以確定;3)隧道與地產(chǎn)均處于主城區(qū)，周邊用地緊張，共坑后施工場地及施工道路無法布置，影響工程建設。基于上述問題，為保證2個基坑同期實施，設計考慮采用對拉結構，即在2基坑圍護結構間設置聯(lián)系梁與對拉錨索形成支護體系。具體設計如圖9—11所示。

表2 基坑對拉結構變形及內(nèi)力計算結果Table 2 Deformation and internal force of neighboring foundation pits

圖11 盾構井段對拉結構剖面布置圖Fig.11 Profile of cross structures of vertical shaft

上述3個工程均已順利完工，經(jīng)現(xiàn)場實測，圍護結構及周邊建、構筑物安全穩(wěn)定，基坑變形均能滿足控制等級要求。工程案例證明，對于同期實施的鄰近基坑，通過采用對拉結構，成功解決了用地緊張、工程管理、基坑安全等實際問題，能夠創(chuàng)造較好的經(jīng)濟與社會效益。

5 結論與討論

通過對鄰近深基坑的工程建設環(huán)境分析，提出了在特殊條件下設置對拉結構進行基坑設計的必要性，通過結構計算、受力分析及構造設計，明確了對拉結構的設計要點，經(jīng)多個基坑的現(xiàn)場實踐，證實了對拉結構在鄰近深基坑中應用的可行性與安全性。對拉結構是應用于特殊情況下鄰近深基坑圍護結構主護體系的一種創(chuàng)新形式，工程應用中相對較少，建議在后續(xù)研究中對其進行優(yōu)化與改進。

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