衡重式雙排樁與大跨度支撐在填海區(qū)超大基坑支護中的應(yīng)用

祁孜威 徐玉勝 顧問天 龐小朝 溫繼偉

（1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.鐵科院（深圳）研究設(shè)計院有限公司，廣東深圳 518000；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059）

填海造地是沿海大型城市拓展土地空間的一項重要手段。新近填海區(qū)的深厚欠固結(jié)淤泥層分布不均，力學(xué)性能差［1］。在該類地層中的超大、超深基坑工程對設(shè)計、施工提出新的挑戰(zhàn)。針對填海區(qū)傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)制約建設(shè)工期的難題，馬馳等［2］提出的咬合樁+錨碇、錨索的支護結(jié)構(gòu)適用于周邊環(huán)境開放且錨索施工無限制的基坑；劉唱曉［3］認為雙排樁的門架式結(jié)構(gòu)可以提供很大的側(cè)向剛度，對8 m 深以內(nèi)的基坑控制變形效果較好；應(yīng)宏偉等［4］對雙排樁帶撐結(jié)構(gòu)進行了分析，認為支撐剛度對支護結(jié)構(gòu)的影響顯著；顧問天等［5］提出的衡重式雙排樁結(jié)構(gòu)可以在深度15 m 以內(nèi)不采用任何支錨形式，獨立自穩(wěn)，但其應(yīng)用于填海區(qū)基坑變形較大。

本文以深圳國際會展中心項目（一期）超大深基坑工程設(shè)計為例，提出衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐支護結(jié)構(gòu)，詳細介紹設(shè)計重難點及解決措施、支護結(jié)構(gòu)計算分析等關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

深圳國際會展中心項目（一期）位于深圳市寶安區(qū)大空港片區(qū)，總建筑面積160 萬m2。該項目2 層地下室區(qū)域基坑（圖1）位于擬建中央廊道和南北登錄大廳下。

圖1 深圳國際會展中心項目（一期）平面示意

其中，中央廊道區(qū)域基坑長1 730.0 m，寬90.7 m；南登錄大廳區(qū)域基坑長430.3 m，寬158.2 m；北登錄大廳區(qū)域基坑長229.0 m，寬137.7 m。2 層地下室區(qū)域基坑總開挖面積約27 萬m2，基坑開挖深度10 m，基坑兩側(cè)均為待建展廳。

1.2 工程地質(zhì)條件

項目場地原始地貌主要為河涌和魚塘，后經(jīng)人工堆填土形成陸域。土地整備階段軟基處理設(shè)計采用排水固結(jié)法，由于土地整備時間有限，項目僅南部1/3左右的場地淤泥層進行過排水固結(jié)處理，其余大部分場地的淤泥均未進行任何排水固結(jié)或固化處理，僅填土覆蓋。基坑工程進場時項目場地仍處于堆填、卸載等多重工程交叉作業(yè)階段。基坑支護涉及土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 基坑設(shè)計方案

2.1 重難點及對策

2.1.1 基坑支護方案比選

項目建設(shè)時間限定為2年。由于上部結(jié)構(gòu)施工工期可壓縮性較小，基坑土石方外運效率是制約工期的關(guān)鍵因素。為保證無干擾持續(xù)出土，基坑應(yīng)選擇無支撐或少支撐支護結(jié)構(gòu)。對常用的基坑支護方案進行比選［6］，見表2。

表2 支護結(jié)構(gòu)綜合比選

基坑工程施工前，中央廊道兩側(cè)展廳的基礎(chǔ)管樁已經(jīng)施工完成，場地不具備打錨索條件，以出土效率為主導(dǎo)因素，優(yōu)先選擇衡重式雙排樁。綜合考慮變形控制，采用衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐支護結(jié)構(gòu)。

2.1.2 淤泥強度指標(biāo)取值

由于建設(shè)工期緊張，場地大部分區(qū)域淤泥未經(jīng)排水固結(jié)處理，前期試樁過程中發(fā)現(xiàn)場內(nèi)淤泥層力學(xué)性質(zhì)較差，部分區(qū)域淤泥仍處于流塑狀態(tài)。基坑工程體量巨大，合理選取淤泥層的強度指標(biāo)對保證基坑安全、分區(qū)精細設(shè)計、節(jié)省工程造價有重要意義。因此采用TB 10018—2018《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》推薦的方法，根據(jù)十字板原位試驗結(jié)果換算淤泥層的實際抗剪強度指標(biāo)，見表3。

表3 淤泥層換算抗剪強度指標(biāo)

2.1.3 軟土基坑變形控制

場地大部分區(qū)域基底以下仍為軟土層，被動區(qū)抗力不足，會造成圍護結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力大，圍護樁嵌固深度大，經(jīng)濟性差。通過三軸水泥土攪拌樁加固，可有效減小圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和地表沉降。因此采用直徑0.65 m、軸間距0.45 m的三軸水泥土攪拌樁對基坑被動區(qū)予以加固，攪拌樁布置形式為格柵式（2 m×2 m），加固寬度為坑底軟土層厚度的3 倍［7］，加固后土體的黏聚力為15 kPa，內(nèi)摩擦角為15°。

2.2 設(shè)計方案

衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)中，衡重式雙排樁由L形衡重臺、前排樁、后排樁組成。其中水平連接板寬6.7 m，厚1.1 m；擋板高4.0 m，厚0.4 m。雙排樁前后排距5.0 m，前排樁為直徑1.2 m 咬合樁，間距2.0 m，葷素咬合尺寸0.2 m，擋土又兼作截水帷幕；后排樁為直徑1.2 m旋挖灌注樁，間距4.0 m。基坑開挖深度約10.0 m，前后排樁等長，雙排樁嵌固深度10～13 m，如圖2所示。

圖2 基坑支護示意

基坑工程施工工序為：①在地面施工加固區(qū)三軸水泥土攪拌樁；②施工前排咬合樁及后排旋挖樁；③土方開挖至樁頂標(biāo)高，施工連接板和擋板；④回填衡重臺土方，施工大跨度支撐結(jié)構(gòu)；⑤基坑內(nèi)土方分區(qū)開挖到底；⑥底板傳力結(jié)構(gòu)施工完成后拆除支撐。

2.3 衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)計算模型

參考衡重式雙排樁的設(shè)計計算模型［8］，增加大跨度支撐的等效剛度KH，得到衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)計算模型，如圖3所示。

圖3 衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計計算模型

2.3.1 大跨度支撐剛度計算

支護體系的等效剛度是由水平連接板側(cè)向剛度和大跨度支撐支點剛度共同作用產(chǎn)生的綜合剛度，計算時需將二者結(jié)合起來。

每榀大跨度支撐結(jié)構(gòu)可獨立看成一個整體，單榀大跨度支撐結(jié)構(gòu)剛度KT計算式為［9］

式中：E為支撐的彈性模量；A為計算寬度內(nèi)支撐的橫截面面積；L為支撐計算長度，取開挖寬度的一半。

衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)綜合剛度計算模型如圖4所示。

圖4 綜合剛度計算模型

在平面水平支撐體系的連接板側(cè)向上施加與其垂直的單位分布荷載P=1 kN/m，求得連接板上各結(jié)點的平均位移δ（與連接板方向垂直的位移），則衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)等效剛度KH為10］

2.3.2 大跨度支撐間距優(yōu)選

為合理選擇大跨度支撐間距，采用SAP2000 有限元軟件計算不同間距下的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力，計算結(jié)果見圖5。

由圖5（a）、圖5（b）可知，隨著支撐間距的減小，水平位移逐漸減小，最大位移點逐漸由樁頂向樁身中部轉(zhuǎn)移。

由圖5（c）、圖5（d）可知，隨著支撐間距的減小，前、后排樁樁身彎矩不斷減小，前排樁樁身負彎矩最大值點不斷下移，樁頂逐漸產(chǎn)生正彎矩，前排樁彎矩變化幅度比后排樁大。

圖5 不同支撐間距下結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力

由圖 5（e）、圖 5（f）可知，隨著支撐間距的減小，前、后排樁樁身正向剪力不斷減小，負向剪力不斷增大。

支撐間距與無干擾面積占比、結(jié)構(gòu)水平位移關(guān)系曲線見圖6。可知，隨著支撐間距的減小，結(jié)構(gòu)水平位移不斷減小，基坑無干擾面積占比不斷增加。合適的支撐間距應(yīng)兼顧控制變形和出土便利性，大跨度內(nèi)支撐間距60～70 m時結(jié)構(gòu)水平位移可控制在20～40 mm。

圖6 支撐間距與無干擾面積占比、結(jié)構(gòu)水平位移關(guān)系曲線

綜合考慮，項目基坑支撐間距取70 m，平面布置如圖7所示。

圖7 基坑工程平面布置示意

3 三維有限元模擬分析

衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)充分利用了空間效應(yīng)。采用Plaxis 3D 巖土工程三維有限元分析軟件對該結(jié)構(gòu)進行變形計算。

土的本構(gòu)模型采用HS（Hardening-Soil）模型，前排咬合樁采用板單元模擬（將排樁等效為相同抗彎剛度的板），后排樁采用Embedded 樁單元模擬，參數(shù)見表4。衡重臺、支撐板采用板單元模擬，支撐梁采用梁單元模擬。

表4 雙排樁材料參數(shù)

由于項目基坑形狀規(guī)則，受力模式比較清晰，出于簡化模型考慮，選取淤泥層較深厚的中央廊道區(qū)域建立模型，如圖8 所示，模型尺寸為200 m×200 m×40 m。

圖8 整體模型

計算過程設(shè)定2種工況。工況一為基坑正常開挖到底；工況二為地下室底板施工完成拆除支撐。工況一、工況二水平位移分別見圖9、圖10。

圖9 工況一水平位移云圖

圖10 工況二水平位移云圖

由圖9可知，基坑開挖到底，支護結(jié)構(gòu)總體上為傾覆式變形，平面上支撐支點處水平位移小，連接板相鄰兩榀支撐間的中心處水平位移大，水平位移最大值為35.8 mm，位于擋板頂部。

由圖10 可知，地下室底板施工完成后拆除大跨度支撐，結(jié)構(gòu)水平位移最大值由35.8 mm 增加至39.2 mm，基坑整體安全穩(wěn)定。

4 施工效果

該項目基坑工程于2017 年11 月開始挖除第一層土方，施工大跨度支撐結(jié)構(gòu)，2018年1月底基坑已大面積開挖到底，近300萬m3的土方開挖僅用時3個月，日均出土量3萬m3。

基坑水平位移監(jiān)測點設(shè)置在擋板頂部（布置間距20 m），以中央廊道B8 區(qū)域基坑為例，該區(qū)域已于2018 年1 月20 日開挖到底，水平位移實測值見圖11。可知，坑頂變形趨勢為向坑內(nèi)偏移，基坑開挖階段累計最大水平位移為37.2 mm，其余點位累計位移介于15.0～32.5 mm。實測結(jié)果與有限元模擬結(jié)果基本一致，基坑支護設(shè)計方案合理可行。

圖11 B8坑頂水平位移實測值

5 結(jié)論

1）深厚欠固結(jié)淤泥層的填海場地中，超大深基坑采用衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)控制變形能力較強，土方外運效率高。

2）支護結(jié)構(gòu)的水平位移隨支撐間距的減小而減小，最大位移點逐漸由樁頂向樁身中部轉(zhuǎn)移。

3）支護結(jié)構(gòu)彎矩隨支撐間距的減小而減小，前排樁樁身負彎矩最大值點不斷下移，樁頂逐漸產(chǎn)生正彎矩，前排樁彎矩變化幅度比后排樁大。

4）隨著支撐間距的減小，前、后排樁樁身正向剪力不斷減小，負向剪力不斷增大。

5）對于地層條件和基坑深度類似的項目，可采用衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)，支撐的合理間距為60～70 m。