地鐵軌排井深基坑樁錨支護設計與施工監(jiān)測

盛建龍，黎鉅宏，鄧 靜

(1．武漢科技大學，湖北 武漢 430081;2．武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065)

地鐵軌排井深基坑樁錨支護設計與施工監(jiān)測

盛建龍1，2，黎鉅宏1，鄧 靜1

(1．武漢科技大學，湖北 武漢 430081;2．武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065)

某地鐵軌排井深基坑最大深度為23.3 m，深基坑內不能設橫撐，且基坑東端有一條河涌，使軌排井設計難度較大，基坑圍護結構采用樁錨支護形式。采用理正深基坑支護設計軟件對不同設計剖面進行了計算，獲得4道錨索的內力和長度，施工過程中對樁頂水平位移、樁身變形和錨索拉力等進行了監(jiān)測，監(jiān)測結果表明錨索發(fā)揮了較好作用且拉力值富余較大、基坑未發(fā)生大變形。本文設計和施工監(jiān)測方法對類似深基坑支護體系的設計具有參考價值。

深基坑 樁錨支護結構 軌排井 施工監(jiān)測

在地下鐵道交通建設中，軌排需通過軌排井由地面吊入地下隧道內。由于軌道吊裝要求，軌排井的平面尺寸和深度一般較大，而且鋼支撐、鋼筋混凝土支撐等內支撐不能使用。

樁錨支護體系是排樁與預應力錨索聯(lián)合支護結構的簡稱，常用于地質條件較差、周邊環(huán)境復雜、基坑深度大的基坑支護中，特別適用于軌排井深基坑支護工程。樁錨支護體系是將受拉桿件的一端固定在開挖基坑的穩(wěn)定地層中，另一端與圍護樁相聯(lián)的基坑支護體系，它是在巖石錨桿理論研究比較成熟的基礎上發(fā)展起來的一種擋土結構。本文以某地鐵線路軌排井深基坑支護設計為例，對樁錨支護體系進行了計算和施工監(jiān)測分析，并對設計中應引起重視的問題進行了探討。

1 工程概況

該軌排井深基坑長度約為28.8 m，寬度約25.5 m，深度21.4～23.3 m，使用年限2年。基坑位于某雙向六車道的道路上，基坑東端約4.1～8.5 m處有一條河涌，北端距離已建左線折返線隧道最小距離為0.9 m，其余方向還有小橋、住宅等其他建筑，基坑內還有一些管線，施工環(huán)境較為復雜。

2 工程地質和水文地質

2.1 巖土工程地質

工程場地自上而下地層分別為:

＜1＞人工填土層:層厚2.40～4.90 m，平均厚度3.64 m，主要為素填土。

＜2-1＞淤泥質土層:層厚為0.40～2.10 m，平均厚度1.53 m。

＜3-2＞中砂層:分布呈透鏡體狀，層厚2.70 m。

＜4-1＞粉質黏土層:分布不連續(xù)，層厚0.80～4.40 m，平均厚度2.79 m。

＜7＞鈣質泥巖強風化帶:層厚0.60～5.80 m，平均厚度2.15 m。

＜8＞鈣質泥巖中風化帶:層厚0.80～11.00 m，平均厚度7.48 m。

＜9＞鈣質泥巖微風化帶:層頂面埋深為14.30～19.20 m。

基坑范圍內存在的不良地層為較厚的人工填土層，開挖時易于坍塌;鈣質泥巖的中、微風化巖均為軟化巖石，有遇水易軟化的特性，會降低地基強度。

2.2 水文地質

工程現(xiàn)場地下水穩(wěn)定水位深2.40～3.70 m。地下水類型主要為賦存于第四系土層中的孔隙水和賦存于基巖風化層中的裂隙水。第四系土層中孔隙潛水的補給源為大氣降水，補給形式為垂直滲入;基巖裂隙水的補給源為第四系土層中孔隙水的垂直滲入及側向補給、越流補給。本工程場地地下水對混凝土結構有弱腐蝕性，對混凝土中的鋼筋無腐蝕性，而對鋼結構則有弱腐蝕性。地質勘查報告中預測基巖含水層的涌水量為463.2 m3/d。

2.3 巖土物理力學參數(shù)

巖土物理力學參數(shù)見表1。表中土的天然重度、黏聚力、內摩擦角為土工試驗結果，中、微風化巖的黏聚力和內摩擦角為廣州地區(qū)經驗值及巖石抗剪試驗結果。

表1 巖土層物理力學指標

3 基坑支護設計

3.1 支護結構方案確定

在上述工程地質和水文地質條件下，考慮基坑變形的要求以及軌排井的特殊功能，采用鉆孔灌注樁+錨索的基坑支護方案。基坑采用明挖順作法施工，支護結構采用φ1 200 mm鉆孔灌注樁，樁間距為1.35 m，按照該線路技術要求，樁底進入微風化巖層不小于2 m。支護結構豎向采用四道預應力錨索，錨索采用φ15.2(1×7)鋼鉸線。支護結構上部采用 φ600 mm旋噴樁進行樁間止水，下部在旋噴樁樁底2 m以下豎向每隔2 m設置泄水孔。基坑圍護結構平面布置如圖1所示。

圖1 基坑圍護結構平面布置(單位:mm)

考慮到支護結構東端鉆孔樁與河涌過于接近，旋噴樁止水效果難以保證，同時東端的部分錨索施工時會穿過河涌擋墻，進到河涌底淤泥層，為避免出現(xiàn)管涌及塌孔，可對河涌擋墻進行隔水處理。錨索施工采用鋼套管等措施。

3.2 支護結構計算分析

由于基坑深度較大，按照基坑支護的有關規(guī)范和規(guī)定，本基坑側壁安全等級為一級，基坑側壁重要性系數(shù)為1.1。支護結構要承受的荷載有結構自重、地面超載、龍門吊荷載、水土側壓力。其中地面超載除北端采用32 kPa外，其余各端均采用20 kPa。支護結構四周的外側水位標高取地面以下0.5 m。水土側壓力按朗肯主動土壓力公式計算，對于人工填土層和粉質黏土層均采用水土分算，對于強風化鈣質泥巖、中風化鈣質泥巖和微風化鈣質泥巖均采用水土合算。

針對不同的地質鉆孔情況及基坑周邊的控制因素，采用理正深基坑支護設計軟件對基坑南端、西南端、西北端、北端、東北端和東南端等6個斷面進行單元計算。結合實際情況，通過不斷調整錨索的位置、預加力，將圍護樁的變位和結構構件的內力控制在合理范圍內，選擇有代表性的計算結果進行設計。

因考慮因素眾多，本基坑錨索入射角和豎向間距的設計比較復雜。第一道錨索錨固體直徑為130 mm，第二、三、四道錨索錨固體直徑均為150 mm。考慮到南北端第四道錨索距離暗挖隧道頂?shù)陌踩嚯x，南北端第四道錨索入射角取為2°;為了避免錨索打進河涌引起塌孔、管涌，并充分利用錨索的使用效率，距離河涌較遠的東北端大部分錨索入射角取為25°，距離河涌較近的東南端大部分錨索入射角取為35°。為使上下錨索不交叉，基坑第一、二道錨索水平間距均為1.35 m(即一樁一錨)，第三、四道錨索水平間距均為2.70 m(即兩樁一錨，且采用梅花形布置)。其中典型剖面如圖2所示，基坑典型剖面計算結果匯總如表2所示，樁身隨深度變化的水平位移曲線如圖3所示。

圖2 基坑支護橫剖面(單位:mm)

表2 基坑典型剖面計算結果

圖3 基坑典型剖面樁身隨深度變化的水平位移曲線

4 施工監(jiān)測

4.1 監(jiān)測項目

根據(jù)本基坑的特點，在圍護結構施工及基坑開挖過程中，監(jiān)測的主要項目包括:①樁頂水平位移;②樁身變形;③地下水位;④錨索拉力;⑤地面沉降。

4.2 監(jiān)測結果分析

1)樁頂水平位移和樁身變形

由第三方監(jiān)測報告，基坑土方開挖124 d(此時已開挖到基坑底)時，基坑東南端樁頂最大水平位移為－3.59 mm;南端樁頂最大水平位移為2.33 mm，西端樁頂最大水平位移為－6.67 mm。上述位移均較計算值小。

圖4為基坑開挖第124 d東南端、南端和西端樁身變形隨深度變化曲線。基坑東南端、南端和西端樁身最大變形值分別為4.04，4.80，－10.56 mm。

圖4 基坑不同部位樁身變形隨深度變化曲線

實測樁頂水平位移和樁身變形比計算結果小，原因是樁頂冠梁截面尺寸較大(兼作龍門吊軌道梁的冠梁最大截面尺寸為2 558 mm×1 200 mm)，加大了冠梁的整體剛度，從而使冠梁的空間作用明顯，起到協(xié)調各樁變形、改善各樁受力的作用。在實際基坑支護結構設計中，一般將冠梁作為安全儲備。因為如果將冠梁參與支護結構計算，存在其附加等效剛度難以取值等問題。故本工程計算中沒有考慮樁頂冠梁的水平剛度。同時，出于安全考慮，本工程計算地下水位不是取至實際水位，而是取至地面以下0.5 m，故基坑受力的實測值比計算值要小。

另外，西端樁頂水平位移和樁身變形比其他端的都大且均向基坑內側傾斜，主要是因為在基坑開挖過程中，兩端還保留有通車車道，使基坑西端的地面超載加大，從而使西端支護結構受力加大。

2)錨索實測拉力值

除個別監(jiān)測點外，基坑南端各道錨索實測拉力值隨時間變化不大。錨索拉力值增加反映土體可能發(fā)生移動，錨索拉力值減少反映錨索可能發(fā)生松弛效應。第一道錨索實測拉力值基本上維持在235 kN左右，為原設計拉力值350 kN的67.1%;第二道錨索實測拉力值基本維持在250 kN左右，為原設計拉力值360 kN的69.4%;第三道錨索實測拉力值基本上維持在315 kN左右，為原設計拉力值530 kN的59.4%;第四道錨索實測拉力值基本上維持在300 kN左右，為原設計拉力值530 kN的56.6%。總體來說，基坑開挖到底部時，錨索實測拉力值約占設計拉力值的50%～70%。

監(jiān)測結果表明，由于巖土地質良好，錨索拉力值比較穩(wěn)定且應力損失不大，錨索發(fā)揮作用強;錨索實測拉力值小于設計值，未超過設計值的0.7倍，富余較大;基坑未發(fā)生大變形。由此說明基坑設計比較安全。

5 結語

通過對軌排井深基坑支護設計計算與施工監(jiān)測分析，有以下幾點認識可供同類工程借鑒:

1)樁頂冠梁依靠自身的剛度和完整性可以協(xié)調各樁的受力及變形狀態(tài)，起到減小樁頂位移、樁身彎矩和加強結構整體性的作用。設計計算中，沒有考慮樁與冠梁的空間效應作用，故出現(xiàn)監(jiān)測值比計算值要少很多的結果也屬正常。

2)基坑圍護結構主要受到水壓力和土壓力。結合巖土層的滲透系數(shù)及周邊河涌不利環(huán)境，本工程計算水土壓力時，對人工填土層和粉質黏土層均采用水土分算，對強風化、中風化、微風化鈣質泥巖層均采用水土合算。

3)預應力錨索鎖定值的確定決定了錨索錨固段的長度和基坑支護結構內力圖曲線的形狀。且為了施工方便，每道錨索的鎖定值應盡量采用相同值。但由于地質鉆孔的差異，通過調整錨索的鎖定值使基坑斷面在所有鉆孔中的基坑位移在每一工況中都偏向內側、樁的正負彎矩大致相等是不可能的。因此錨索鎖定值的最終確定是以能使大部分的鉆孔位移計算結果偏向基坑內側、樁的正負彎矩不超過限定值為原則。

4)隧道軌排井深基坑設計應嚴格模擬施工開挖和相應地質情況進行結構計算，加強施工監(jiān)控量測，并及時反饋以校核計算結果，根據(jù)情況采取相應的處理措施，確保軌排井施工和地面構筑物的安全。

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TU94+2;U455．7+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．27

1003-1995(2013)04-0087-04

2012-07-06;

2013-01-16

盛建龍(1964— )，男，湖南湘陰人，教授，博士。

(責任審編 李付軍)