隧道圍護樁兼用抗拔樁的應用研究

喬常興

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司佛山分公司，廣東 佛山 528200）

1 概述

該工程沿肇慶大道實施一座下沉式隧道下穿西江北路，下沉式隧道總長度500 m，其中東西兩端敞開段長度分別為215 m和175 m，暗埋段長度110 m。隧道內道路為雙向六車道，地面輔道出口處采用三車道，入口段采用雙車道。道路紅線寬度最小處僅有56.5 m，由于道路受紅線寬度限制，故輔道邊緊貼隧道U形槽外邊，在U形槽側墻頂設防撞墻，具體布置如圖1所示。

隧道敞開段采用鋼筋混凝土U形結構，采用80 cm鉆孔樁抗浮，暗埋段采用單箱雙室鋼筋混凝土閉合框架結構；隧道采用明挖法施工，基坑深度小于5 m部分采用拉森鋼板樁支護，基坑深度大于5 m部分采用鉆孔灌注樁+內支撐+高壓旋噴樁止水方案。

2 工程地質

據地質鉆孔揭露，場地內地層自上而下的順序分別為人工填土層Qml、第四系沖洪積層Qal+pl（該地層主要由②1粉質黏土、②2淤泥質土和②4粉土組成）、第四系殘積層Qel，下伏基巖為石灰系（C）基巖。各主要土層抗拔樁參數見表1。場地內未見有明顯斷裂構造跡象，區域穩定性良好。基巖為石灰巖，顏色呈灰色，巖石裂隙發育，場區內有36個鉆孔見溶洞，見溶洞率43.75%，洞高0.6～6.7 m，由可塑至軟塑狀態粉質黏土填充，鉆進漏水，為場區內不良地質作用。場區內勘察期間地下水位深1.5～2.6 m，地下水位受季節降水影響，地下水對混凝土和鋼筋具有微腐蝕性。

3 主要設計技術指標

（1）設計荷載：公路-Ⅰ級同時滿足城-A級，地面超載10 kPa。

（2）隧道暗埋段結構凈空高度：5.56 m（5.0 m道路限界+0.1 m鋪裝+0.46 m照明燈具等）。

（3）隧道結構凈寬度：27.6 m（0.5 m防撞欄+0.75 m側向安全帶+11.25 m車道寬+0.5 m側向安全帶+1.6 m中央分割帶+0.5 m側向安全帶+11.25 m車道寬+0.75 m側向安全帶+0.5 m防撞欄）。

（4）隧道路面坡度：隧道最大縱坡4.0%，橫坡2.0%。

（5）設計基準期：設計基準期100年，設計使用年限100年，安全等級為一級，結構重要性系數不小于1.1。

（6）環境類別：環境類別為Ⅰ-C，混凝土取C40。

（7）裂縫寬度允許值根據結構類型、使用要求、所處環境條件等因素確定；按荷載短期效應并考慮長期效應組合的影響驗算最大裂縫寬度小于0.2 mm。

圖1 敞開段道路橫斷面圖（單位:m）

表1 主要土層抗拔樁參數表

（8）結構抗浮水位按地下0.00處全部水浮力計算，抗浮安全系數不小于1.05（不考慮側壁摩阻力）。

（9）該工程地區地震設防烈度7度，地震動峰值加速度0.1g。

4 受力及經濟分析

4.1 分析條件

隧道抗浮主要為敞開段，該工程敞開段總長度390 m，其中基坑深度小于5 m部分共215 m，采用拉森鋼板樁支護，不在本文討論范圍內。其中基坑深度大于5 m部分采用80 cm鉆孔樁支護，敞開段基坑最深處約為8.5 m，剩余U形槽長度175 m，包含D5～D7和D12～D15段。每節段U形槽長度25 m，U形槽總寬度29.6 m。本文按D6段舉例計算抗拔樁斷面布置和計算結果進行比較分析。

4.2 結構布置形式

該段鋼筋混凝土U形槽側墻厚度100 cm，底板采用變厚度100～124 cm，抗拔樁和圍護樁均為80 cm，沿U形槽橫斷面按5排抗拔樁考慮，推薦方案采用U形槽自重+抗拔樁+圍護樁抗浮，沿隧道中間設3排80 cm鉆孔灌注樁，兩側利用圍護樁抗浮。具體設計布置形式推薦方案如圖2所示。

設計比選方案采用U形槽自重+抗拔樁抗浮，沿隧道橫斷面設5排80 cm鉆孔灌注樁抗浮，具體設計布置形式比選方案如圖3所示。

4.3 浮力的計算

根據阿基米德定律，物體在水中所受到的浮力等于物體排開水的重力，可用下式計算：

式中：F為地下水對物體產生的浮力；ρ為水的密度，一般取1 000 kg/m3；g為重力加速度，一般取9.8 N/kg；V為地下建（構）筑物排開水的體積，即地下水位以下至建（構）筑物底板底部的外包體積，m3。

經計算，D6段U形槽總浮力F=48 984 kN（計算過程略）。

4.4 抗拔樁計算

根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）中第5.4.6條，該工程抗拔樁間距大于6倍樁徑，抗拔樁按呈非整體破壞考慮；樁周為砂土時抗拔系數λi取0.50～0.70，樁周為黏性土、粉土時抗拔系數λi取0.70～0.80；該工程位于華南地區，不存在季節性凍土。

樁基的整體抗拔力為

式中：P1為單樁抗拔力特征值；λi為抗拔系數；qsik為樁側表面第i層土的抗壓極限側阻力標準值；u為樁身周長；Li為第i層土的厚度；GP為樁基自重，地下水位以下取浮重度。

P1=uρΣλiqsikuiLi+GP=2.51×（0.65×22×1.8+0.6×6×4.5+0.6×15×3.6+0.8×100×6.1）+0.16×3.14×16×15=1 532（kN），實際取值 P1=1 400 kN。

圖2 U形槽橫斷面圖

圖3 U形槽橫斷面圖

4.5 抗浮力計算

如果不采取抗浮措施，結構抗浮力主要由結構自重、覆土重、覆土重和結構側摩阻力組成，結構側壁摩阻力一般作為安全儲備。本文主要研究敞開段不存在覆土，抗浮力由結構自重組成。

經計算U形槽自重G1=28 940 kN（計算過程略）。

4.6 U形槽抗浮計算

抗浮安全系數λ＞1.05；每根樁最大抗拔力不大于P1=1 400 kN。

采用U形槽自重+抗拔樁抗浮方案：

需要抗拔樁提供抗拔力 P=λF-G1=1.05×48 984-28 940=22 493（kN）。

需要抗拔樁根數N=P/P1=22 493/1 400=16.06（根），實際設抗拔樁N=18根。抗拔樁具體布置方式如圖4所示。

實際抗浮安全系數 λ=（G1+NP1）/F=（28 940+18×1 400）/48 984=1.11＞1.05，滿足規范要求，抗拔樁沿縱向均勻布置。

圖4 比選方案抗拔樁布置圖（單位:cm）

現采用U形槽自重+抗拔樁+圍護樁抗浮，考慮設鉆孔樁N=9根抗浮，抗拔力不足部分采用圍護樁抗浮，D6段圍護樁長16 m，共計50根。抗拔樁具體布置方式如圖5所示。

圖5 推薦方案抗拔樁布置圖（單位:cm）

圍護樁浮重G2=6 028 kN；冠梁浮重G3=825 kN。

圍護樁側摩阻力為基坑底面以下部分，計算按連續墻計算排樁兩側部分摩阻力P2=25 300 kN。

實際抗浮安全系數 λ=（G1+G2+G3+NP1+P2）/F=（28 940+6 028+825+9×1 400+25 300）/48 984=1.50＞1.05，滿足規范要求。

抗浮安全系數1.50＞1.11更安全，同時D6節段U形槽可節約9根80 cm鉆孔樁144 m，以此類推該隧道可節約80 cm鉆孔抗拔樁1 008 m，可節約投資100萬元，約占項目抗拔樁費用的35%，經濟價值相當可觀。

5 抗拔樁與側墻的連接

隧道施工圍護結構在冠梁位置預留與隧道側墻連接的鋼筋，隧道先施工底板和部分側墻后拆除第一道支撐，冠梁預留鋼筋與側墻鋼筋綁扎到一起后澆筑混凝土，使圍護樁與側墻相連。圍護樁與隧道側墻連接通過冠梁深入隧道側墻50 cm卡位和通過在冠梁內鋼筋連接。該連接方式可保證在高水位時通過冠梁卡位提供抗浮力，在低水位時通過連接鋼筋提供支持力。具體如圖6所示。

圖6 圍護樁與隧道側墻連接大樣圖（單位:cm）

6 U形槽施工

由于該項目屬于舊路改建，施工工作面狹小，施工期間又要做臨時道路供車輛通行。為盡量少占用位置，施工期間圍護樁一側預留4.1 m（一個車道）的工作空間，保證施工期間運送材料、機械設備的車輛通行和吊車擺放；另外一側預留7.1 m（兩個車道）的工作空間，保證混凝土澆筑時混凝土泵車擺放和混凝土攪拌車通行。在冠梁頂1 m深的土采用擋墻支擋，圍護樁頂要施工輔道路面，該方案施工完隧道后破除擋墻較破除冠梁容易，可以使第一道支撐下移減少支撐數量，開挖土方更方便，可以減少圍護樁的長度，節約工程投資。由于鉆孔樁凹凸不平，需要先在鉆孔樁之間插入鋼筋掛E8鋼筋網片噴射C20混凝土，使鉆孔樁內側平整，然后在噴射混凝土表面抹2 cm厚1∶2水泥砂漿，使隧道側墻外側較為光滑，滿足施工防水卷材的要求。在2 cm水泥砂漿表面粘貼反貼式防水卷材，澆筑混凝土后與側墻混凝土發生化學反應粘貼到一起，起到防水作用。支撐采用一道609×14鋼管水平間距6 m，等底板混凝土達到強度后拆除。具體做法如圖7所示。

圖7 U形槽施工大樣圖（單位:cm）

7 設計注意事項

（1）支護樁兼作抗浮樁部分的圍護樁設計應按抗拔樁的耐久性標準設計，同時應滿足抗拔樁配筋要求。

（2）冠梁混凝土強度等級應與隧道混凝土強度等級保持一致，冠梁鋼筋保護層厚度應與隧道保持一致。

（3）在圍護樁內側掛網插筋宜在鉆孔樁間插入，由于圍護樁用作抗拔樁不宜在圍護樁內預留鋼筋以免影響耐久性。

（4）由于圍護樁為密排樁，計算圍護樁側摩阻力時按地下連續墻僅計算兩側摩阻力。

（5）需要對圍護樁做抗拔力檢測，檢測抗拔力時需要按樁周摩阻力進行驗算。

8 結語

綜上所述，采用U形槽自重+抗拔樁+圍護樁抗浮比U形槽自重+抗拔樁抗浮更安全可靠；采取一定措施后可避免破除冠梁，開挖土方更方便；臨時結構與永久結構結合可有效節約投資。在高水位地區隧道采用圍護樁兼用抗拔樁抗浮值得應用和推廣。

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