上軟下硬復合地層條件下深基坑支護設計探析

趙文強

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

0 引言

伴隨著城市化進程的加快，交通擁堵問題也日益突出，這為城市軌道交通發展提供了前所未有的機遇。然而，青島、廣州及大連等城市卻因地層上部第四系土層與下部巖層的上軟下硬現象，在基坑支護中出現了吊腳樁問題［1－3］。劉紅軍等［2］對吊腳樁支護進行了模擬分析計算，得出嵌巖深度與鎖腳錨索的預加力、吊腳樁巖肩寬度與基坑變形及樁體位移的關系。王殿斌等［4］對民建中的巖石基坑及上軟下硬基坑支護設計進行了系統闡述。劉紅軍等［5］對土巖組合地層基坑工程變形進行了監測分析，并闡述了基坑施工過程中的變形特點。然而，軌道交通建設條件一般比較苛刻，周邊交通繁忙，地下管線密集，增加1 m的巖肩平臺意味著要大量遷改管線，同時給交通疏解帶來壓力，有時會成為制約方案實施的瓶頸。因此，軌道交通工程一般無法按照常規的吊腳樁支護設置較寬的巖肩平臺，較小的巖肩平臺嵌固作用尚不得而知，類似的工程研究也相對較少。

本文以青島地鐵工程實例為載體，主要研究在周邊交通繁忙、施工用地條件苛刻、地下管線眾多、沉降位移控制要求嚴格等復雜條件下，小巖肩吊腳樁的支護問題。利用彈性抗力法和等效被動土壓力法分別對上部樁撐(錨)體系和下部巖石邊坡進行分析計算，并對該類型明挖基坑吊腳樁圍護問題展開討論，為類似地質、環境條件下的基坑支護提供參考。

1 工程概況

青島地鐵某站為地下2層10 m島式站臺車站，主體為雙層雙跨箱形框架結構，總長179.8 m，標準段寬18.8 m。車站頂板覆土厚3.0～4.7 m，結構底板埋深16.1～18.5 m。

車站設置在2條正交道路的十字路口，周邊建(構)筑物主要為文物保護建筑、多層住宅樓及低矮平房。道路寬約20 m，均為雙向四車道，車流量較大。車站擬在十字路口處蓋挖施工，鋪設貝雷架梁臨時路面體系以保證跨基坑通行，車站兩側采用明挖施工，路側部分輔路及綠化帶作為交通導改臨時路由。車站總平面如圖1所示。

2 地質概況

本站地面起伏較大，東西兩端地面高程差約為4 m，東側地面下約5 m、西側地面下約2 m均進入強風化花崗巖層。圍護形式擬采用上部樁徑0.6 m、間距1.5 m的排樁+下部錨噴的階梯型組合式支護結構。

場區第四系厚度0～6.50 m，主要由第四系全新統人工填土(Qml4)與上更新統洪沖積層(Qal+pl3)組成。場區內基巖以粗?；◢弾r為主，花崗斑巖、煌斑巖呈脈狀穿插其間，受滄口斷裂構造影響，糜棱巖、砂土狀碎裂巖及碎裂狀花崗巖發育較晚。各巖土層物理力學指標如表1所示。

地下水主要賦存于第四系松散土層及基巖的裂隙中。場區地下水主要有2種類型:一是松散土層孔隙水，主要分布第四系洪沖積層，屬松散層孔隙潛水;二是基巖裂隙水，風化裂隙水及構造裂隙水均較發育。其中，風化裂隙水主要賦存于巖石強風化帶中;構造裂隙水主要賦存于斷裂兩側的構造影響帶及節理裂隙發育帶中;基巖裂隙水富水性貧。綜上，場地內地下水富水性貧，水量不大。地下水對混凝土結構具有微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有弱腐蝕性。

3 主體基坑支護

3.1 基坑支護設計思路及方案

首先，青島地質情況變化較大，由于基巖起伏大，基坑支護類型多樣化，青島地區(民建)主要采用復合錨噴墻支護和樁錨圍護體系。對于周邊環境簡單、基坑深度較淺且巖面出露較高地段，宜采用錨噴支護體系。因地鐵基坑深度一般在15 m以上，設置在城市繁華地帶，周邊臨近建筑物，地面交通繁忙，地下管線密集，必須嚴格控制基坑位移及沉降。對于此條件下的土巖組合地質，基坑上部一般采用剛度較大的樁撐支護體系。該體系分為嵌入基底和不嵌入基底2種形式，嵌入基底又分為直接嵌入和間接嵌入，不嵌入樁底的樁錨支護體系主要適用于有一定放坡空間的支護地段，本站受周邊環境制約，不宜采用。

其次，針對青島基坑地質上軟下硬的特點，考慮下部地層為中－微風化巖石，完整性好，為充分利用圍巖的自穩能力，降低造價，圍護樁一般不施作到結構底板下，故而形成了所謂的吊腳樁。同時，圍護樁在巖層中一般需要爆破施工，進尺小，采用吊腳樁也有利于解決爆破引起的施工風險，加快施工進度。結合本站地質和環境條件，適合采用間接嵌入基底形式的樁錨體系。

再者，考慮周邊交通、管線及施工條件，下部巖石邊坡無放坡條件，采用直壁開挖。采用微型鋼管樁超前支護，主要作用有:1)超前支護，解決了分層開挖后支護前基坑穩定及變形問題。2)預裂巖石，形成開挖輪廓，避免超挖。3)緩沖孔，減小爆破對基坑巖石和坡頂建(構)筑物的震動影響。

綜合所述，確定了上部鉆孔灌注樁+內支撐剛性支護，下部微型鋼管樁+錨索(桿)柔性噴錨支護，巖肩處采用“L”型冠梁和預應力錨索鎖腳的組合支護方案。車站基坑支護剖面如圖2所示。

3.2 支護參數

車站基坑深17 m，上部吊腳樁樁徑0.8 m，樁間距1.2 m，冠梁上鋼管內撐采用外徑609 mm、厚14 mm的鋼支撐，鎖腳錨索采用5φ15.2鋼絞線;下部巖石邊坡采用φ168 mm鋼管樁，鉆孔直徑200 mm，樁間距1.0 m，嵌固基底1.5 m，巖石錨桿采用2φ28螺紋鋼筋，水平、豎直均2 m布置，鉆孔直徑110 mm，錨桿長5～7 m。

圖2 車站基坑支護剖面圖(單位:mm)Fig.2 Profile of support of foundation pit of Metro station(mm)

4 圍護結構計算

由于巖體和土體2種介質差異較大，很難用一種計算模型來解決。一般來講，上部土體按照傳統的彈性抗力法計算［6］，下層巖體開挖后采用等效被動土壓力設計方法［1］，即:樁腳嵌固段巖石被挖除后，通過在樁腳設置錨桿拉力來替換先前的被動土抗力，達到相同的受力效果。巖石邊坡計算考慮上部土層及超載、錨桿垂直分力作為附加荷載作用在巖體上，根據巖體結構面傾角、結構面摩擦力和內摩擦角采用極限平衡法計算巖體穩定性。

4.1 上部樁撐(錨)體系計算

參考 JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》［7］，采用彈性支點法計算圍護結構。計算最不利工況，基坑開挖到樁底，圍護樁按0嵌固計算(為了便于軟件輸入，按0.001考慮)，不考慮巖肩作用，僅作為安全儲備。計算模型及計算結果分別如圖3和圖4所示。

圖3 計算模型(單位:m)Fig.3 Calculation model(m)

由圖4計算結果可知，圍護體系采用主筋為14φ18的φ800 mm鉆孔灌注樁，預加軸力為200 kN的D609鋼管內撐，長度為15 m，錨固體直徑150 mm的鎖腳錨索，通過對嵌固為0時的抗傾覆檢算，最終結果滿足設計要求。

4.2 下部巖石邊坡計算

巖石基坑的穩定性主要取決于組成基坑的巖體結構面的發育情況及其產狀與基坑邊坡的空間位置關系。當結構面非常發育導致巖體成碎裂結構時，一般可將其視為散體介質，采用土質邊坡的圓弧滑動法進行分析。當組成基坑邊坡的巖體中發育一組或幾組結構面時，邊坡巖體常沿著某個軟弱結構面或幾個軟弱結構面的組合面滑動，根據軟弱結構面的發育情況，一般分為以下幾種情況:沿單一軟弱結構面滑動、沿2個傾向相同或相近但傾角不同的結構面組成的滑面滑動、沿交錯節理構成的階梯狀滑動以及沿楔形面滑動等。沿單一平面滑動是巖體基坑中最為常見的滑動方式。穩定性分析計算公式為:

式中:H為邊坡高度;W為滑體質量;cj，φj分別為結構面黏聚力和內摩擦角;T為沿結構面法線方向的錨固力;β為結構面傾角;K為安全系數。

圖4 計算結果包絡圖Fig.4 Envelope of calculation results

根據基坑地質條件，對基坑下部巖石邊坡進行簡單平面滑動穩定分析，并采用理正巖土計算軟件與極限平衡法計算巖體穩定性。支護參數如表2所示，計算原理方法如圖5所示。

計算結果顯示:當總下滑力1 554 kN，總抗滑力2 331.4 kN，安全系數為1.5時，滿足設計要求。另外，對于微型鋼管樁支護的計算，青島理工大學張明義教授進行了專題研究，主要是考慮鋼管本身的抗彎剛度乘以系數1.2作為鋼管樁本身的剛度(因樁內充滿水泥漿，剛度增大)，該項目目前處于試驗階段，試驗結果將可能對類似土巖結合基坑設計帶來巨大影響。如若可行，將大幅度降低基坑支護的支錨數量，從而降低工程投資。

表2 基坑下部支護參數表Table 2 Support parameters of lower part of foundation pit

圖5 計算簡圖Fig.5 Calculating sketch

5 施工現場及實測數據

目前，本工程基坑開挖已完成，施工過程中無事故發生。開挖過程中，坑壁平順性較好，無因爆破或基巖裂隙等因素產生倒坡造成的超挖，鋼管樁的預裂作用明顯;基坑爆破開挖對周邊建筑物、居民工作生活影響小，建筑物附近的爆破振速不超過1 cm/s，擾民較少，鋼管樁的減振效果顯著。通過現場實際測斜發現:吊腳樁樁底鎖腳錨索決定整個基坑工程的成敗，預加力越大，預應力損失越小，則樁體位移減小;反之，則位移增大?；邮┕み^程中的地表沉降、樁頂位移實測值如6和圖7所示。

圖6 2013年地表沉降曲線圖Fig.6 Ground surface settlement in 2013

圖7 2013年樁頂水平位移曲線圖Fig.7 Horizontal displacement of pile top in 2013

6 結論與建議

1)青島地區上軟下硬特殊地質條件下的基坑支護，尤其是地鐵結構的長條形基坑，在周邊位移及沉降要求嚴格的情況下，上部第四系土層可采用樁+支撐，下部巖石邊坡采用錨噴支護的組合支護方案。通過對支撐施加適當的預應力及樁底設置鎖腳錨索，能夠滿足位移及沉降限值要求。

2)在周邊環境限制下部放坡的條件下，微型鋼管樁在直壁開挖的巖石邊坡中超前支護、預裂及減振作用明顯。因此，在此類基坑支護體系中設置微型鋼管樁是合理的。當然，在下部微風化巖石條件較好的情況下，可僅設置預裂、減振孔而省略下鋼管及注漿工序。

3)鑒于當前巖土工程設計理論的不完善及實踐經驗的欠缺，吊腳樁支護系統理論尚未成熟，計算模型尚不完善，應進一步研究鋼管樁的剛度作用，考慮其剛度建立適當的模型，降低支護費用。同時，工程的實施須以信息化施工作為重要手段，以達到驗證并改進設計、推進吊腳樁設計理論發展的目的。

［1］ 劉國彬，王衛東.基坑工程手冊［M］.2版.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［2］ 劉紅軍，李東，孫濤，等.二元結構巖土基坑“吊腳樁“支護設計數值分析［J］.土木建筑與環境工程，2009，53 (5):43－48.(LIU Hongjun，LI Dong，SUN Tao，et al.Numerical analysis on design of dualistic foundation pit with“end-suspended pile”［J］.Journal of Civil，Architectural＆Environmental Engineering，2009，53(5):43－48.

［3］ 朱祥山，聶寧，于波.排樁模型在“嵌巖”基坑工程中的應用［J］.海岸工程，2008，27(3):81－84.(ZHU Xiangshan，NIE Ning，YU Bo.Application of pile-row model in engineering of foundafion pit embedded in rock［J］.Coast Engineering，2008，27(3):81－84.(in Chinese))

［4］ 王殿斌，呂三和.青島市深基坑工程實踐［M］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［5］ 劉紅軍，張庚成，劉濤.土巖組合地層基坑工程變形監測分析［J］.巖土工程學報，2010，32(S2):550－553.(Liu Hongjun，ZhANG Gengcheng，LIU Tao.Monitoring and analysis of deformation of foundation pits in strata with rock-soil combination［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(S2):550－553.(in Chinese))

［6］ 陳東.廣州地鐵2號線江南西站南站廳基坑支護結構設計［J］.地鐵與輕軌，2003，16(6):15－21.

［7］ JGJ 120—2012建筑基坑支護技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［8］ GB 50330—2002建筑邊坡工程技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.