似雙排樁+錨索支護體系在兩相鄰基坑工程開挖中的應(yīng)用

吳 鎮(zhèn)， 朱丹暉， 林永清

(1. 中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院， 山東 濟南 250022；2. 北京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 北京 102200)

似雙排樁+錨索支護體系在兩相鄰基坑工程開挖中的應(yīng)用

吳 鎮(zhèn)1， 朱丹暉1， 林永清2

(1. 中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院， 山東 濟南 250022；2. 北京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 北京 102200)

為解決兩鄰近基坑同時開挖圍護結(jié)構(gòu)支護問題，依托青島地鐵3號線雙山站1號出入口基坑及與其鄰近的凱德商業(yè)建筑基坑工程，針對兩基坑同時開挖且兩基坑間雨水暗渠無法遷改的情況，提出一種類似雙排樁支護結(jié)構(gòu)形式，并輔以對拉桿體、豎向錨索和斜向錨索等，形成似雙排樁+錨索支護體系。采用極限平衡分析法對支護體系中單排樁穩(wěn)定性、雙排樁整體滑動和抗傾覆穩(wěn)定性進行計算分析，并現(xiàn)場監(jiān)測基坑變形。結(jié)果表明： 基坑穩(wěn)定性計算結(jié)果滿足規(guī)范要求，現(xiàn)場監(jiān)測樁頂最大水平位移為7.20 mm，地表最大沉降為5.26 mm，說明在兩鄰近基坑同時開挖時的似雙排樁+錨索支護體系可行。

基坑支護； 似雙排樁； 對拉桿體； 豎向錨索； 極限平衡分析法； 朗肯土壓力理論

0 引言

目前，我國地鐵正處于大規(guī)模建設(shè)時期，為帶動周邊經(jīng)濟發(fā)展，地鐵結(jié)合周邊物業(yè)開發(fā)的工程越來越多。明挖法是修建地鐵車站的主要方法之一，由于周邊物業(yè)的開發(fā)，地鐵基坑周邊環(huán)境變得愈加復(fù)雜，支護方法也相應(yīng)面臨新的挑戰(zhàn)。雙排樁支護結(jié)構(gòu)是由前后兩排鋼筋混凝土樁及樁頂剛架梁形成的一種空間門架式結(jié)構(gòu)體系，剛架梁剛度和排距是影響雙排樁性能的關(guān)鍵[1-5]。申永江等[6]研究錨索雙排樁與剛架雙排樁的內(nèi)力分布，結(jié)果表明錨索雙排樁前后兩排樁的內(nèi)力分布差異十分明顯，而剛架雙排樁前后兩排樁的內(nèi)力分布相近；陳國強[7]結(jié)合北京市第五廣場基坑工程，利用與其相鄰既有基坑的樁錨支護作為新建基坑排樁支護的背拉結(jié)構(gòu)體系，成功解決了新建基坑的支護問題；黃憑[8]對帶有豎向錨索的雙排樁支護結(jié)構(gòu)進行研究，結(jié)果表明豎向錨索的預(yù)應(yīng)力越大，控制基坑位移和周邊地表沉降的效果越好；何頤華等[9]通過室內(nèi)模型試驗及現(xiàn)場實測，提出一種雙排護坡樁內(nèi)力、變形及土壓力分布的簡化計算方法。以上關(guān)于雙排樁支護結(jié)構(gòu)的研究都是針對單側(cè)土體開挖的情況，而對兩側(cè)土體同時開挖條件下雙排樁支護結(jié)構(gòu)的研究并不多。本文結(jié)合青島地鐵3號線雙山站1號出入口基坑及與其緊鄰的凱德商業(yè)建筑基坑工程，針對兩基坑同時開挖的情況，提出一種類似雙排樁(簡稱似雙排樁)的支護結(jié)構(gòu)形式，并輔以對拉桿體、斜向錨索和豎向錨索，形成似雙排樁+錨索支護體系，來解決該特殊條件下基坑的支護問題。

1 工程概況

青島地鐵3號線雙山站位于合肥路與黑龍江路交叉口，沿黑龍江南路布置，結(jié)構(gòu)形式為雙層雙跨箱型框架結(jié)構(gòu)體系。車站總長度為251.0 m，寬18.8～20.8 m，高13.2～14.4 m，頂板覆土南深北淺，最深處4.10 m，最淺處2.62 m，采用明挖法施工。車站共設(shè)4處出入口，其中1號出入口出地面部分位于黑龍江南路與合肥路交叉口的西南側(cè)，該出入口西側(cè)為擬建凱德商業(yè)建筑。1號出入口范圍內(nèi)車站主體圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+鋼管撐+錨索混合支撐體系。凱德建筑基坑與1號出入口基坑需同步施工，兩基坑間獨立土柱采用雙排鉆孔灌注樁+錨索支護。出入口與凱德商業(yè)建筑間有新建雨水暗渠，暗渠的尺寸為5 m(寬)×3 m(高)，與1號出入口結(jié)構(gòu)及凱德商業(yè)建筑地下室結(jié)構(gòu)的距離分別為2.75 m和3.00 m。雙山站、1號出入口、凱德商業(yè)建筑基坑及雨水暗渠的相對位置關(guān)系見圖1。

圖1 基坑平面布置圖(單位: mm)

2 工程地質(zhì)條件

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

3 基坑支護設(shè)計

該基坑工程主要有以下特點： 1)1號出入口及凱德商業(yè)建筑基坑開挖前，雙山站主體結(jié)構(gòu)基坑已回填完畢。1號出入口基坑鄰近車站側(cè)現(xiàn)有1排鉆孔灌注樁，為車站主體圍護結(jié)構(gòu)的支護樁。2)1號出入口基坑深10.37 m，凱德商業(yè)建筑基坑深20.24 m，基坑深度均較大，屬于深基坑范疇。3)1號出入口基坑與凱德商業(yè)建筑基坑間有混凝土雨水暗渠，暗渠尺寸較大，距離出入口和凱德地下室結(jié)構(gòu)較近，且該暗渠無法進行遷改。

根據(jù)以上特點，經(jīng)過方案論證，確定在1號出入口與凱德商業(yè)建筑中間土柱兩側(cè)各打設(shè)1排鉆孔灌注樁，為增加支護結(jié)構(gòu)整體剛度，樁頂設(shè)置剛架梁，組成類雙排樁支護結(jié)構(gòu)體系，鉆孔樁直徑1 000 mm，間距1 500 mm，樁頂冠梁尺寸為1.0 m(寬)×0.8 m(高)，剛架梁尺寸為1.0 m(寬)×1.0 m(高)。為穩(wěn)定樁間土體，在標(biāo)高22.5 m位置處設(shè)1道對拉桿體。

凱德商業(yè)建筑側(cè)基坑較深，中下部采用斜向錨索支護，在標(biāo)高20.0 m和17.5 m處各設(shè)置1道斜向錨索，錨索水平間距為1.5 m。鉆孔灌注樁下部進入中風(fēng)化花崗巖，采用吊腳樁形式，吊腳樁嵌固深度為3.0 m。底部采用板肋式錨索擋墻支護體系，為吊腳樁提供穩(wěn)定支撐。立柱尺寸為0.4 m(長)×0.3 m(寬)，嵌入巖體深度為0.1 m；鋼管樁采用的鋼管直徑為168 mm，壁厚8 mm，水平間距為750 mm。

1號出入口基坑鄰近車站主體結(jié)構(gòu)側(cè)利用既有鉆孔灌注樁作為支護樁，另一側(cè)利用獨立土柱中的鉆孔灌注樁。為平衡車站上覆土層及肥槽內(nèi)土體產(chǎn)生的側(cè)向土壓力，在冠梁處架設(shè)1道鋼支撐，鋼支撐采用雙拼工25b型鋼，水平間距為3.0 m。為了防止兩基坑間獨立土柱發(fā)生傾覆，在遠離車站主體結(jié)構(gòu)側(cè)鉆孔灌注樁中打設(shè)1道豎向錨索，豎向錨索水平間距為1.5 m。

基坑錨索設(shè)計參數(shù)及基坑支護剖面分別見表2和圖2。

表2 錨索設(shè)計參數(shù)

圖2 基坑支護剖面圖(單位: mm)

4 基坑支護計算

4.1 朗肯土壓力理論適用性驗證

由圖2可知，1號出入口與凱德商業(yè)建筑兩基坑間所夾土體為有限土體，采用朗肯土壓力公式進行計算是否合適取決于土體滑裂面是否在有限土體寬度范圍內(nèi)，若超過有限土體寬度，則常規(guī)土壓力的計算方法不再適用[5]。

對于半空間無限土體，當(dāng)假定樁背直立，樁后填土面水平時，根據(jù)朗肯土壓力理論計算得到的樁后土體的剪切破壞面與豎直面的夾角為(45°-φ/2)，其中φ為基坑底部以上土層內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值。根據(jù)本工程基坑地層物理力學(xué)參數(shù)，計算出鄰近1號出入口側(cè)和凱德商業(yè)建筑側(cè)基坑底部以上土層內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值分別為25.6°和38.6°。鄰近1號出入口側(cè)，基坑頂部土體滑裂面至基坑邊緣的距離B1=H1tan(45°-φ1/2)=10.37×tan(45°-25.6°/2)=6.53 m，小于有限土體寬度6.55 m。故該側(cè)支護樁主動土壓力可采用朗肯土壓力理論進行計算；鄰近凱德商業(yè)建筑側(cè)，基坑頂部土體滑裂面至基坑邊緣的距離B2=H2tan(45°-φ2/2)=13.92×tan(45°-38.6°/2)=6.70 m，略大于有限土體寬度6.55 m。此時應(yīng)按照有限土體土壓力理論進行計算。前人對有限土體土壓力計算方法進行了大量研究[10-15]，但尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識，普遍認(rèn)為有限土體主動土壓力小于朗肯主動土壓力。為安全起見，該基坑穩(wěn)定性仍然采用朗肯土壓力理論進行計算。

4.2 計算分析

結(jié)合基坑場地所處工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，基坑可能產(chǎn)生的破壞形式主要有： 1)凱德商業(yè)建筑基坑側(cè)和1號出入口基坑側(cè)單排樁支護結(jié)構(gòu)滑動、傾覆及隆起； 2)雙排樁+錨索支護體系整體滑動和傾覆。因此，對凱德商業(yè)建筑側(cè)和1號出入口側(cè)基坑分別進行單排樁穩(wěn)定性、抗傾覆和抗隆起驗算，并對中間土柱支護體系進行整體滑動穩(wěn)定性和抗傾覆驗算，以保證兩側(cè)基坑的安全。

4.2.1 凱德商業(yè)建筑側(cè)基坑計算

鄰近凱德商業(yè)建筑側(cè)基坑支護樁的上部吊腳樁段和下部擋墻段分成2個支護模型進行計算。上部吊腳樁段按照樁錨結(jié)構(gòu)支護模型，計算深度至鎖腳腰梁處，認(rèn)為吊腳樁進入穩(wěn)定地層，采用彈性支點法進行計算；下部擋墻段按照板肋式錨索擋墻支護體系，采用彈性支點法進行計算。

4.2.1.1 上部吊腳樁計算

基坑深13.92 m，采用鉆孔灌注樁+錨索(剛架梁)支護形式，自上而下設(shè)剛架梁1道、對拉桿體1道、斜向錨索2道。計算采用理正深基坑軟件，計算模型及計算結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 上部吊腳樁計算模型(單位： m)

Fig. 3 Calculation model of suspending pile at top side of foundation pit (m)

(a) 支反力 (b) 位移

(c) 彎矩 (d) 剪力

Fig. 4 Envelope diagrams of internal forces and displacements of suspending pile at top side of foundation pit

通過計算可知，基坑支護結(jié)構(gòu)最大水平位移為8.79 mm，小于0.2%H2，且均小于30 mm；地表最大沉降量為17 mm，小于0.15%H2，滿足變形控制要求。第1道剛架梁的軸力標(biāo)準(zhǔn)值為145.05 kN，第2道對拉桿體的拉力標(biāo)準(zhǔn)值為292.83 kN，第3、4道錨索的拉力標(biāo)準(zhǔn)值分別為284.37、266.56 kN。嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力為228.22 kN。整體滑動穩(wěn)定系數(shù)Ks1=3.04≥1.35；抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為Kc1=1.74≥1.25；抗隆起安全系數(shù)Kb1=174.19≥1.8。各項穩(wěn)定性驗算均滿足JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》要求。

4.2.1.2 下部錨索擋墻計算

下部擋墻段計算深度為6.32 m，采用板肋式錨索擋墻支護形式。自上而下設(shè)鎖腳錨索1道、斜向錨索2道。計算過程中，立柱按照支撐于剛性錨索上的連續(xù)梁進行計算，下部按固定端考慮。上部吊腳樁段重力換算成土柱作為下部擋墻的外部荷載，土柱荷載取260 kPa。計算模型見圖5。

圖5 下部板肋式錨索擋墻計算模型(單位: m)

Fig. 5 Calculation model of anchor cable retaining wall at low side of foundation pit (m)

通過計算，擋墻的穩(wěn)定性系數(shù)為1.92，大于1.25，滿足GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求。

4.2.2 1號出入口側(cè)基坑計算

1號出入口基坑深10.37 m，采用鉆孔灌注樁+錨索(剛架梁)支護形式，自上而下設(shè)剛架梁1道、對拉桿體1道。按照常規(guī)樁錨體系，采用彈性支點法進行計算。采用理正深基坑軟件計算，計算模型和計算結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 1號出入口側(cè)基坑計算模型(單位： m)

Fig. 6 Calculation model of foundation pit of station entrance/exit No. 1 (m)

(a) 支反力 (b) 位移

(c) 彎矩 (d) 剪力

Fig. 7 Envelope diagrams of internal forces and displacements of foundation pit of station entrance/exit No. 1

通過計算可知，第1道剛架梁的軸力標(biāo)準(zhǔn)值為132.67 kN，第2道對拉桿體的拉力標(biāo)準(zhǔn)值為297.38 kN。嵌固段基坑內(nèi)側(cè)最大土反力為290.0 kN。基坑支護結(jié)構(gòu)最大水平位移為6.70 mm，小于0.2%H1，且均小于30 mm；地面最大沉降量為12.00 mm，小于0.15%H1，滿足變形控制要求。整體滑動穩(wěn)定系數(shù)Ks2=2.61≥1.35；抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為Kc2=2.54≥1.25；抗隆起安全系數(shù)Kb2=206.39≥1.8。各項穩(wěn)定性驗算均滿足JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》要求。

4.2.3 整體滑動穩(wěn)定性驗算

將似雙排樁支護結(jié)構(gòu)及中間土柱視為整體，對其整體滑動穩(wěn)定性進行驗算，由于對拉桿體位于滑裂面內(nèi)，驗算中可不考慮對拉桿體的作用。采用理正深基坑軟件計算，計算模型見圖8。

通過計算可知，基坑整體滑動穩(wěn)定系數(shù)Ks3=5.38，大于1.35，整體滑動穩(wěn)定性滿足JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》要求。

4.2.4 整體抗傾覆穩(wěn)定性驗算

將似雙排樁支護結(jié)構(gòu)及2排樁所夾土體視為整體，對其整體抗傾覆穩(wěn)定性進行驗算。抗傾覆穩(wěn)定性驗算時，以凱德商業(yè)建筑基坑側(cè)鉆孔灌注樁樁底作為矩心O，作用在支護結(jié)構(gòu)上的所有荷載對矩心取矩，以抗傾覆力矩與傾覆力矩之比來衡量抗傾覆穩(wěn)定性，比值定義為抗傾覆安全系數(shù)K。獨立土柱支護結(jié)構(gòu)整體抗傾覆穩(wěn)定性計算模型見圖9。

圖8 獨立土柱整體滑動穩(wěn)定性計算模型(單位: mm)

Fig. 8 Calculation model of sliding stability of soil column between two foundation pits (mm)

圖9 獨立土柱支護結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性計算模型(單位: mm)

Fig. 9 Calculation model of stability of collapse-resistance of soil column between two foundation pits (mm)

不考慮豎向錨索作用時，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)

(1)

(2)

式(1)—(2)中：Mk、Mp分別為支護結(jié)構(gòu)抗傾覆力矩、傾覆力矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m；N1為鋼支撐軸向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；N2、N3分別為第3、4道錨索水平軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；N4為豎向錨索軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Epk1、Epk2分別為1號出入口、凱德商業(yè)建筑側(cè)擋土構(gòu)件嵌固段被動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN。

N1、N2、N3、N4、Epk1、Epk2分別取為198.1、284.37、266.56、690.8、290.0、228.22 kN。代入式(1)和式(2)計算，由計算結(jié)果可知： 考慮豎向錨索作用時，基坑獨立土柱支護結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)為2.001，大于1.25，滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求；不考慮豎向錨索作用時，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)僅為0.864，不滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求。因此，豎向錨索對支護結(jié)構(gòu)抗傾覆作用較大。

5 基坑監(jiān)測

為掌握基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)及雨水暗渠變形情況，對基坑進行了全過程、全方位監(jiān)測，并建立了預(yù)警機制，及時預(yù)測和反饋，用于調(diào)整設(shè)計、指導(dǎo)施工。該工程基坑監(jiān)測等級為一級，監(jiān)測項目主要包括支護樁頂部水平位移和豎向沉降、錨索軸力、鋼支撐軸力、地表沉降以及雨水暗渠沉降等。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示： 雙排樁+錨索支護段圍護樁樁頂最大水平位移為7.20 mm，樁頂最大沉降為4.63 mm；地表最大沉降為5.26 mm；雨水暗渠最大水平位移為1.41 mm，最大沉降為2.62 mm。以上各值均在變形控制值范圍內(nèi)，且圍護結(jié)構(gòu)及雨水暗渠在施工期間均未發(fā)生異常情況。

6 結(jié)論與討論

1)針對兩鄰近基坑同時開挖且兩基坑間雨水暗渠無法遷改的情況，提出一種似雙排樁+錨索支護體系。為保證圍護結(jié)構(gòu)受力平衡及其變形滿足要求，上部結(jié)構(gòu)桿體采用對拉形式，下部結(jié)構(gòu)錨索采用斜向形式。

2)似雙排樁+錨索支護體系中豎向錨索對基坑抗傾覆作用較大，在類似設(shè)計中，若基坑抗傾覆穩(wěn)定性不滿足要求，可增設(shè)豎向錨索。

3)監(jiān)測結(jié)果表明，基坑支護結(jié)構(gòu)、地表沉降及雨水暗渠等變形均較小，滿足變形控制要求，證明似雙排樁+錨索支護方案合理可行。

4)本文主要采用朗肯土壓力理論，建立二維平面模型進行基坑穩(wěn)定性計算。后續(xù)可采用有限元軟件建立基坑三維模型，對支護結(jié)構(gòu)變形、錨索內(nèi)力、周邊地面沉降等進行研究，以便更好地指導(dǎo)實踐。

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Application of Similar Double-row Piles + Anchor Cable Supporting System to Excavation of Two Adjacent Foundation Pits

WU Zhen1， ZHU Danhui1， LIN Yongqing2

(1.JinanDesignInstitute,ChinaRailwayEngineeringConsultingGroupCo.,Ltd.,Jinan250022,Shandong,China; 2.BeijingJiaotongVocationalTechnicalCollege,Beijing102200,China)

The stability of the support structure is very important when two adjacent foundation pits are excavated at a same time. The foundation pit of entrance/exit No. 1 of Shuangshan Station on Qingdao Metro Line No. 3 and that of Cade Commercial Mansion are excavated at the same time; and the covered drains can not be removed. As a result, a supporting system of double-row piles + anchor cable is proposed. The supporting structure consists of double-row piles, pull bolt body, vertical anchor cable and oblique anchor cable. The stability of single row, sliding of double row and stability of collapse-resistance are calculated and analyzed by limit equilibrium analysis method; and the displacement/deformation of the foundation pits are monitored. The results show that the foundation pit stability calculation results can meet the requirements of related specifications; the displacement of pile top (maximum horizontal displacement of 7.20 mm) and the deformation of ground surface (maximum ground settlement of 5.26 mm) can meet the related requirements, so as to show that the above-mentioned supporting system is rational and can provide reference for similar projects in the future.

foundation pit support; similar double-row piles; pull bolt body; vertical anchor cable; limit equilibrium analysis method; Rankine earth pressure theory

2016-02-29;

2016-10-21

吳鎮(zhèn)(1988—)，男，山東聊城人，2013年畢業(yè)于石家莊鐵道大學(xué)，道路與鐵道工程專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事地下及隧道工程設(shè)計與研究工作。E-mail： ytuwuzhen@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.014

U 45

A

1672-741X(2017)01-0086-07