框架結構頂進前基坑圍護樁合理支護參數研究

李 偉

(中鐵一院 新疆鐵道勘察設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引言

箱形框架結構頂進下穿作為一種有效緩解既有道路平交道口交通滯塞問題的重要技術手段，近些年在國內市政交通及國鐵大線等領域的應用已相當普遍，與之相關的技術水平及理論體系亦逐漸趨于成熟[1-3]。有關研究指出，通過對框架結構頂進下穿工程案例的統計分析，結合頂進下穿施工工藝及生產組織安排，現階段，頂進框架主體結構多采用預制拼裝或基坑現澆等方式進行[4]，然而，無論采用何種方式，主體框架結構頂進作業前，首先需對其作業范圍內的圍護結構進行設計和施工，圍護結構作為框架主體結構頂進施工前重要的工程保障附屬措施，是保障主體結構安全頂進的前提和重點，其重要性不言而喻。

目前，關于框架結構頂進下穿施工技術的研究主要集中于施工工藝、結構計算以及變形監測、控制、糾偏等方面[5,6]。有學者以實際頂進下穿工程案例為背景，通過對工程所遇問題及工程特征的分析，對框架結構頂進下穿施工過程中的重點結構及關鍵技術進行了探討[7,8]；另有學者基于結構力學、材料力學等理論，借助一定的數值計算軟件或程序，對下穿主體結構的受力及變形特征進行分析，并依據計算結果對主體結構的構造及配置進行進一步優化和處理[9,10]；還有學者依托具體工程項目，對施工過程中主體結構的變形值及沉降量進行監測，通過對監測數據的分析，對結構變形控制措施研究提供一定的理論指導[11,12]。上述關于頂進下穿施工工藝、變形控制等研究，切實解決了一些實際工程問題，對本文研究框架結構頂進下穿基坑合理支護參數具有一定的借鑒意義。

本文以某箱形框架結構頂進下穿既有鐵路工程為背景，以抗傾覆安全系數作為基坑圍護樁穩定性定量評價指標，采用理正深基坑軟件，對不同支護參數下基坑圍護樁的穩定性及經濟合理性進行分析，為優化基坑圍護樁支護參數、提高基坑圍護樁安全穩定性提供理論指導。

1 工程概況

某工程采用箱形框架結構頂進下穿方式穿越一既有專用線，工程頂進段長度為60 m，框架結構寬15 m，高10 m(頂板頂至底板底)，為保障頂進作業進度及工程質量，擬建基坑共2座，既有線左右兩側各一座，沿線路起訖方向依次命名為1號和2號基坑。工程采用對頂方式進行，兩基坑均采用放坡與圍護樁相結合的方式開挖，基坑最大深度11.5 m，其中，放坡段坡高h=3.5 m，坡率i=1∶0.75，圍護樁均采用懸臂樁，樁頂設冠梁，圍護樁樁頂(即冠梁頂)至基坑底的高度為8.0 m。工程縱斷面及1號基坑平面圖分別如圖1a)和圖1b)所示。

工程范圍內的地層分布及各地層物理力學特性如表1所示。

表1 地層物理力學參數

2 結構計算

2.1 計算模型建立

根據工程實際，采用理正深基坑軟件建立的懸臂樁計算模型如圖2所示。圖2中，放坡段坡高h=3.5 m，坡率i=1∶0.75，圍護樁采用圓形截面，樁頂設冠梁，樁頂(即冠梁頂)至基坑底的長度為8.0 m，圍護樁材料類型為鋼筋混凝土，樁身混凝土采用C30，內力計算方法采用彈性法。基坑支護結構安全等級按照一級基坑處理，支護結構重要性系數取1.1。

2.2 研究方案設計

基坑懸臂圍護樁的穩定性受多種因素影響，通對有關文獻的調研和分析，基坑懸臂圍護樁穩定性的主控影響因素大致可以歸納為樁徑、樁距(樁心距)、冠梁高度、嵌固深度等。根據上述圍護樁穩定性影響因素，設計4因素4水平的正交試驗方案，如表2所示。其中，圍護樁初始嵌固深度(l)按照0.8h(h為樁頂至基坑底高度)取值，此時l取6.5 m。

表2 研究方案

2.3 圍護樁穩定性定量評價指標

為了能夠對不同方案下基坑懸臂圍護樁的穩定性進行綜合對比和分析，采用圍護樁抗傾覆性安全系數(K)對其穩定性進行定量評價。抗傾覆性安全系數(K)可按式(1)進行計算：

(1)

其中，Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩；Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。此處，抗傾覆安全系數K取1.25。

3 計算結果分析

根據表2中所列研究方案，對其中的各方案逐個進行計算分析，以a1方案為例，計算得到的內力包絡圖及地表沉降值變化特征分別如圖3，圖4所示。

根據表2中所列研究方案，對每個方案下抗傾覆安全系數、地表沉降值及懸臂樁每延米含鋼量三個值進行統計，統計結果如表3所示。其中，考慮到工程實踐中常采取的地表沉降值參考依據，此處只統計采用拋物線法得到的計算結果。此外，由于1號和2號基坑均為一級基坑，因此，地表最大允許沉降值為11 mm[13]。

表3 計算結果統計

為了能夠更加直觀的反映不同研究方案下抗傾覆安全系數與地表沉降值兩個參數的變化特征，根據表3統計結果繪制上述兩個參數的變化特征曲線如圖5所示。根據表3統計結果，不同方案下每延米含鋼量變化特征如圖6所示。

對比分析圖5，圖6可知，除了a3,a6,a8,a11,a14和a166個方案同時滿足抗傾覆安全系數大于1.25且地表沉降值小于11 mm的要求之外，其他方案均不滿足。而在a3,a6,a8,a11,a14和a166個方案中，a14方案下每延米混凝土的含鋼量最低，經濟性最優。

綜合對比不同方案下基坑圍護樁抗傾覆安全系數、地表沉降值及每延米混凝土含鋼量三個指標參數，a14方案為本文最優方案。

4 結語

以某箱形框架結構頂進下穿既有鐵路工程為背景，以抗傾覆安全系數作為基坑圍護樁穩定性定量評價指標，采用理正深基坑軟件，對不同支護參數下基坑圍護樁的穩定性及經濟合理性進行研究，其中：

1)樁徑、樁距(樁心距)、冠梁高度、嵌固深度及樁身材料為影響基坑圍護結構安全穩定的主控因素；

2)當圍護樁樁徑采用1.0 m，樁心距為1.5 m，嵌固深度為8.0 m，冠梁高度為1.5 m時，基坑圍護樁抗傾覆安全系數滿足要求，同時經濟效益最優。