土巖組合地層蓋挖法車站“吊腳樁”基坑設計優化研究

田海光

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

不同于上海、北京地區，青島地區的地質狀況為上覆層較薄，且多為覆沖積、洪積或填土層，向下不深即到達大規模的侵入嶗山花崗巖。這種獨特的沿海山地丘陵地形在國內地鐵基坑建設中未有先例，可參考借鑒的經驗極少。對于青島“上軟下硬”的地質狀況，即土巖組合地層，在該地層下施工較深的基坑要考慮經濟性及方便施工等因素［1］，所以，端承樁或支護樁嵌入中風化甚至微風化花崗巖巖石的深度不需要很大。在開挖到基坑底部時向上看，支護樁的底部其實在基底以上數米，其樁腳好似吊在半空中，稱這種樁為“吊腳樁”，其實質是有1道樁腳錨索［2－3］來增加穩定性的樁錨支護體系。

目前，對“吊腳樁”的支護設計計算一般是采用傳統方法與有限元相結合的方法。即采用傳統的樁錨支護設計方法在開挖到土巖交界面時確定樁的嵌巖深度，再采用有限元法模擬變形和內力，在滿足基坑變形要求的前提下，調整相關設計參數，滿足樁錨支護體系的變形穩定，之后進行下層巖體的開挖。另外，對受豎向力狀態下的“吊腳樁”穩定性進行分析研究，以期形成設計計算理論，使該類“吊腳樁”的設計有理可依，從而促進“吊腳樁”的發展和使用。

王明龍等［4］采用FLAC3D軟件對樁錨支護結構在不同工況下的受力特性進行了模擬與研究，討論了樁的受力變化規律;徐凡力等［5］介紹了正確選擇桿系有限元法的計算方法，指出了設計人員通常存在和易產生的一些錯誤;劉紅軍等［6］使用有限元數值軟件模擬了土巖組合地層下“吊腳樁”的施工過程，選取一些影響因素進行具體分析，并對其設計方法和穩定性進行研究;陳芳［7］推導了考慮巖體穩定性的深基坑支護樁嵌巖深度計算公式，認為支護樁嵌巖深度與巖體性質密切相關;徐濤等［8］結合廣州地鐵沙河站—天平架站盾構區間始發井工程實例，對“上軟下硬”地質背景的基坑圍護結構采用“吊腳樁”圍護方案，將“吊腳樁”組合圍護體系分別采用彈性增量法計算分析，通過施工過程中位移和內力的監測，證明方法是可行的;陳福全等［9］對黏性土預留土堤進行了不排水有限元分析;包旭范等［10］對大型軟土基坑中心島法施工中土臺預留寬度進行了研究。另外，趙文強［11］以青島地鐵某長條形基坑為載體，結合支護方案采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穩定性進行了分析研究;朱丹暉［12］采用吊腳樁+超前微型鋼管樁支護體系，經過軟件計算及對現場施工的反饋，使支護結構受力和變形均在設計范圍內;鄧春海等［13］根據青島市特殊的地層及基坑案例，對長螺旋吊腳樁支護結構設計、計算和應用進行了介紹和分析，表明該支護結構與傳統有嵌固支護樁一樣能有效控制基坑變形;李寧寧等［14］研究了吊腳樁2個關鍵設計參數(樁體嵌巖深度和鎖腳錨索預加力)對支護體系的影響規律，可為今后的工程實踐提供參考。

對于土巖組合地層的樁錨支護設計，國內已有學者做了大量的研究，但對于蓋挖法施工工法下的“吊腳樁”支護體系設計卻鮮有先例。針對青島地區土巖組合地層條件，有必要對其相關的“吊腳樁”支護結構優化設計方案進行研究，即對吊腳樁的2個重要參數(嵌巖深度和巖肩寬度)進行研究，以期達到節省成本并保證安全的目的。目前，“吊腳樁”的設計和計算理論還不成熟，有待對半理論半經驗的設計方法進行深入論證，以提出更合理的設計計算方法，從而使后續同類工程的設計分析有據可依。

1 有限元模擬

1.1 幾何模型

本研究中選取青島地鐵五四廣場站典型剖面SS進行分析(見圖1)，其中，S－S剖面在基坑中的位置如圖2所示，使用PLAXIS［14－16］建立模型。

圖1 S－S剖面圖Fig.1 S－S profile

圖2 S－S剖面在五四廣場站的位置平面圖Fig.2 Location of S－S profile in May Fourth Square station

有限元軟件PLAXIS(由Delft Technical University研制)功能強大、界面友好、建模簡單。該軟件可以很好地模擬較為復雜的工程地質和水文地質條件，進行全自動和局部加強的網格剖分;同時，它還可以參照固結理論，計算土層在固結過程中的水平位移、超孔隙水壓力、有效應力及沉降等。PLAXIS軟件常用于的2種實際工程計算問題一般是軸對稱問題或平面應變問題。通過設置合理的模型和正確的地層參數，結合該軟件對板單元、土體、梁單元、錨桿、樁土接觸面、土工織物的模擬，可以對具體到某一工程的“吊腳樁”支護體系模擬分部開挖和施工過程，分析各個結構、因素對變形和支護效果的影響。

1.2 有限元模型

1.2.1 平面尺寸

根據基坑平面尺寸大小及工程地質條件，選擇吊腳樁典型支護結構S－S剖面建立平面有限元模型。S－S剖面基坑的開挖深度為20.0 m，初步模擬取離開挖面邊界外50 m為外側水平向影響范圍，基坑在X方向上的長度選取為75.00 m，在Y方向上選取50.00 m，所建立的計算域取75.00 m×50.00 m。

1.2.2 邊界條件

模型的邊界約束條件為:模型底面對所有節點施加約束X、Y方向自由度的支承;模型左側及右側對所有節點施加約束X方向自由度的支承。

1.2.3 網格劃分

PLAIXS中的網格單元基本類型包括15節點三角形單元、6節點三角形單元及模擬結構物的特殊單元。其中，對錨桿錨固段以及巖石錨桿等可能出現應力集中的地方進行加密網格，共劃分1 668個單元，14 171個節點。有限元模型見圖3。

1.3 材料參數的選取

根據工程勘察報告，為了便于計算，對土層進行一定簡化后的巖土體模型參數取值見表1。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

1.4 計算分析工況

采用彈塑性計算，分步施工。實際施工時，為開挖一層土或巖石(2 m左右)，支護一層，因此，按照實際施工工況，開挖一步，支護一步，在模型中進行相應的工況定義。施工步序如表2所示。

表1 各層巖土體模型計算參數Table 1 Calculation parameters of different strata

表2 分步施工工況Table 2 Construction steps

2 “吊腳樁”支護體系變形與內力分析

2.1 “吊腳樁”支護體系變形分析

圖4為不同工況下吊腳樁的樁身水平位移曲線。由圖4可以看出:在開挖至2 m深度時，吊腳樁為明顯的懸臂支護結構，樁頂水平位移最大，為2.05 mm，而基巖面以下水平位移非常小，幾乎為0;第1道錨桿YMG1施工后，由于施加了較大的預應力，樁體水平位移發生了較大改變，樁頂由原來向坑內的水平位移變為向坑外的水平位移，且變化量較大;隨著開挖深度的增大，開挖至5 m時，由于墻后的主動土壓力作用，樁體水平位移重新變為向坑外;當開挖至基巖面以下8 m后，隨著開挖深度的加大，樁身位移的變化主要發生在基巖面以下，而其上的水平位移基本不變，分析可能是由于預留巖肩寬度較小，提供的嵌固力有限;當開挖至20 m深度，即基坑底部時，樁腳水平位移達到最大值的1.97 mm。另外，隨著開挖深度的增加，吊腳樁樁底的水平位移也在不斷增加，當鎖腳錨桿YMG3施工后，樁腳位移比開挖8 m時明顯縮小，證明有預應力的鎖腳錨桿對控制吊腳樁樁底水平位移起到了較大作用。從開挖至基巖面附近到開挖至基坑底，期間吊腳樁樁底水平位移增加較小，只有1 mm左右，說明盡管吊腳樁嵌入中風化巖中的深度只有2.0 m，但嵌入深度以下部分也對吊腳樁樁底起到了一定的約束作用。

圖4 吊腳樁樁身水平位移隨施工工況變化曲線Fig.4 Curves of horizontal displacement of end-suspended pile Vs construction steps

2.2 “吊腳樁”內力分析

樁身彎矩和剪力在不同工況下的變化規律如圖5和圖6所示。

圖5 吊腳樁樁身彎矩隨工況變化曲線Fig.5 Curves of bending moment of end-suspended pile Vs construction steps

圖6 吊腳樁樁身剪力隨工況變化曲線Fig.6 Curves of shear force of end-suspended pile Vs construction steps

由圖5和圖6可知:隨著開挖深度的增加，施工預應力錨桿對于吊腳樁上部2 m范圍內的彎矩及剪力幾乎沒有影響，這是由于樁頂第1排預應力錨桿數值較大，控制了樁體的變形;彎矩最大值發生在第1道錨桿和臨時支撐之間4 m左右的位置，故下部錨桿預應力對最大彎矩的影響較小;施工樁腳錨桿以后，彎矩及剪力在嵌巖部分都瞬間由正值變為負值;從開挖樁腳以下直至開挖到基坑底，彎矩值整體呈減小趨勢，而嵌巖面處的剪力也隨著開挖深度的增大而不斷減小;隨著基坑開挖深度的增加，吊腳樁樁身最大彎矩的位置不斷下移，說明樁腳錨桿發揮了一定作用。

3 “吊腳樁”嵌巖深度與預留巖肩寬度的研究

3.1 嵌巖深度對吊腳樁變形及受力的影響

爆破施工時可能會破壞預留巖肩，從而影響到樁體的嵌巖深度，所以在設計時可以適當增大吊腳樁的嵌巖深度。該工程選擇吊腳樁的嵌巖深度分別為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m，保持其他因素不變，不斷變化吊腳樁嵌入中風化花崗巖中的深度，討論嵌巖深度對吊腳樁變形和受力的影響。圖7和圖8為吊腳樁水平位移和樁身彎矩隨嵌巖深度變化曲線。

由圖7和圖8可知:基巖面以上的樁身彎矩隨嵌巖深度變化不大;基巖面以下，在嵌巖深度2.0 m范圍內負彎矩逐漸增大，而當嵌巖深度為2.5 m時變為正彎矩;隨著吊腳樁嵌巖深度的增加，吊腳樁樁頂水平位移逐漸減小，當嵌巖深度大于2.0 m時，樁頂水平位移隨嵌巖深度加大的變化不再明顯。說明該地層條件下，吊腳樁最優嵌巖深度為2.0 m，由于巖層開挖功效低，成本高，再加大嵌巖深度，只能增加工期和施工費用，對結構受力和變形幫助不大。

圖7 吊腳樁水平位移隨嵌巖深度變化曲線Fig.7 Curves of horizontal displacement of end-suspended pile Vs rock-socketed depth

圖8 吊腳樁樁身彎矩隨嵌巖深度變化曲線Fig.8 Curves of bending moment of end-suspended pile Vs rocksocketed depth

3.2 巖肩寬度對吊腳樁變形及受力的影響

預留巖肩寬度對吊腳樁穩定性至關重要。本工程選取巖肩寬度分別為0.5，1.0，1.5，2.0 m，保持其他因素不變，分析巖肩寬度對吊腳樁樁身最大正水平位移和樁身正彎矩的影響。圖9和圖10為吊腳樁水平位移和樁身彎矩隨巖肩寬度變化曲線。

分析圖9和圖10可以看出:隨著巖肩寬度的增加，吊腳樁樁身水平位移整體減小，樁腳水平位移呈現近似于線性減小的趨勢，在2.0 m的寬度范圍內，尚未出現不穩定的趨勢;吊腳樁樁身最大正彎矩呈現增長趨勢，樁身最大正彎矩出現在第1排預應力錨桿YMG1和臨時支撐之間;吊腳樁嵌巖處負彎矩隨著巖肩寬度的增加而逐漸增加，且最大負彎矩出現的位置不斷向嵌巖處靠近。

圖9 吊腳樁水平位移隨巖肩寬度變化曲線Fig.9 Curves of horizontal displacement of end-suspended pile Vs rock shoulder width

圖10 吊腳樁樁身彎矩隨巖肩寬度變化曲線Fig.10 Curves of bending moment of end-suspended pile Vs rock shoulder width

4 有豎向荷載的“吊腳樁”研究

土巖組合地區吊腳樁往往扮演圍護結構的角色，而地鐵蓋挖法車站施工對其功能提出了新的要求:在恢復路面后，承受一部分由鋼蓋板、車流所帶來的豎向荷載。故本文依托五四廣場車站，模擬研究吊腳樁在豎向荷載下的受力和變形情況。

PLAXIS軟件中對豎向荷載的添加有2種方式:施加1個地面的分布荷載或者在樁頂施加1個集中荷載。本文選取后一種方式，根據分析，將車流及鋼蓋板在樁頂的等效荷載設定為60 kPa。

圖11和圖12為吊腳樁水平位移和樁身彎矩在有無豎向荷載情況下的對比圖。

圖11 樁身水平位移在有無荷載下的對比圖Fig.11 Horizontal displacement of end-suspended pile with vertical load Vs that without vertical load

圖12 樁身彎矩在有無荷載下的對比圖Fig.12 Bending moment of end-suspended pile with vertical load Vs that without vertical load

分析圖11和圖12可知:由于樁腳嵌入中風化花崗巖，嵌巖面以下的部分無論有無豎向荷載都變化不大;樁頂位移同無豎向荷載一樣，都隨開挖深度的增加而加大，但相較于無豎向荷載，其數值明顯增大;有荷載情況下，樁身彎矩稍有增大，但變化值極小。

圖13為樁頂沉降隨開挖深度變化圖。從圖13中可以看出:隨著開挖深度的加大，樁頂沉降不斷增加。開挖基巖面之前，樁頂沉降較小;開挖至基巖面9～12 m期間，樁頂沉降變化幅度最大;而后一直到開挖至基坑底，樁頂沉降增加不明顯。整體而言，有豎向荷載情況下樁頂位移較無荷載增加顯著，且主要表現在開挖基巖面之后，但最大沉降也僅有1.4 mm，這與該地層土層很薄、基巖面較淺不無關系。

圖13 樁頂沉降隨開挖深度變化圖Fig.13 Curves of pile top settlement Vs cutting depth

5 結論與討論

本文選取青島地鐵3號線五四廣場站具有代表性的地層為背景，考慮基坑分步開挖過程，利用有限元方法的優勢，計算分析了嵌巖深度和巖肩寬度對吊腳樁變形和內力的影響規律。主要結論為:

1)隨著開挖深度的增加及錨桿的施工，吊腳樁樁底的水平位移在不斷增加，說明吊腳樁預應力鎖腳錨桿對控制樁底水平位移起到了較大作用。

2)隨著嵌巖深度的增加，吊腳樁最大位移有所減小，但變化值很小。從計算數據來看，巖肩寬度取1.0 m已足夠，實際施工中一般巖肩寬度按照1.5 m控制，采取控制措施(如松動爆破方法、嚴格限制一次單段最大起爆藥量、采用微差爆破技術減震、實時監測爆破振動對周邊支護體系的影響等)，保證爆破對巖肩造成松動后仍然有1 m的有效寬度。

3)由于樁腳嵌入中風化花崗巖，嵌巖面以下部分無論有無豎向荷載都變化不大。樁頂位移同無豎向荷載一樣，都隨開挖深度的增加而加大，但相較于無豎向荷載，其數值明顯增大。有荷載情況下，樁身彎矩稍有增大，但變化值極小。

本文針對青島地區土巖組合地層條件下地鐵車站“吊腳樁”支護結構的優化設計方案進行了研究，對類似地層條件下基坑支護設計有一定的參考意義。但文章暫未深入研究鎖腳錨桿預應力大小對“吊腳樁”支護體系的影響，這將是下一步的研究重點，并將跟蹤工程施工監測數據，對該優化方法進行完善。

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