復(fù)雜環(huán)境下聯(lián)合支護深基坑穩(wěn)定性分析

曾潤忠，張元才

(華東交通大學(xué) 軌道交通學(xué)院，南昌 330013)

基坑在開挖施工中，由于地層應(yīng)力的變化及水土流失的產(chǎn)生，將可能使坑壁土體產(chǎn)生變形破壞，影響基坑的施工及附近建筑物的穩(wěn)定及安全。軟弱地層土體抗剪強度低，土體穩(wěn)定性差，深基坑開挖一般需要采取一定的支護措施，在施工條件允許的情況下，采用多種措施聯(lián)合對基坑進行支護[1-3]，能減小基坑變形，降低工程造價，提高施工速度，并為后續(xù)工作提供必要的施工條件。

1 工程概況

某市重點道路交通工程，其跨海大橋與國際機場連接的道路按城市主干道設(shè)計，設(shè)計時速60 km/h，雙向6車道。道路需跨越既有鐵路線，為了不影響鐵路的安全運營，減少施工干擾，連接道路設(shè)計采用淺埋暗挖隧道穿越鐵路，與淺埋隧道相連部分為明挖暗埋段隧道及開敞式U形槽路段。被跨越鐵路線包括國家干線鐵路、車站牽出線、專用線及一組鐵路道岔，且3～4條股道交錯設(shè)置，基坑開挖面局部點距鐵路牽出線路基最小距離約為1.5 m，基坑附近有局部棄土堆及材料堆，平面布置十分復(fù)雜，且受列車行車動荷影響。

明挖暗埋段隧道采用先明挖基坑后進行立模澆筑混凝土的施工方法。長大深基坑施工為本工程的關(guān)鍵部分之一。明挖暗埋段基坑長128 m，寬26～30 m，開挖深為5.5～14.0 m，局部開挖深度達16.5 m(集水井處)?；娱_挖平面圖如圖1所示。

圖1 基坑開挖平面

工程位于階地岸坡、濱海潮間帶灘涂地形處，地層成因復(fù)雜，區(qū)內(nèi)第四系為濱、淺海相與海陸交互相和洪沖積成因的沉積物，其下為時代不明的殘積層直接覆蓋于不同巖性的基巖剝蝕面上，具有層序復(fù)雜、相變劇烈、厚度不均的特點。

工程區(qū)域內(nèi)各地層的力學(xué)性能從新至老如表1。

工程區(qū)域內(nèi)無河、溪水等水系分布，基巖為花崗巖，風(fēng)化層不均，含有少量孔隙水，地下水不發(fā)育。主要受大氣降水補給，地下水位受季節(jié)性控制明顯。

表1 各土層物理力學(xué)性能

2 基坑支護體系

2.1 原設(shè)計支護形式

基坑一端緊靠鐵路，右上角點距鐵路牽出線路基約2 m，為確保施工期間鐵路安全運行，降低基坑施工造成的鐵路路基沉降，必須嚴(yán)格控制基坑的變形。原設(shè)計圍護結(jié)構(gòu)ABC段(圖1)及 FGH段為 φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁，CDEF段轉(zhuǎn)角處為φ 1 200鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)置1 000 mm×1 200 mm鋼筋混凝土冠梁，灌注樁外圍止水帷幕采用φ650 mm深層攪拌樁止水，樁間距450 mm;圍護結(jié)構(gòu)插入基底深度原則上按1倍基坑深度控制。基坑支撐為內(nèi)撐式，根據(jù)開挖深度不同，分別設(shè)置1～3層(局部4層)φ609 mm@6 000 mm鋼管(t=16 mm)作為內(nèi)支撐;道路中線采用φ800 mm@9 000 mm鉆孔灌注樁作臨時立柱兼作抗拔樁。

2.2 基坑的聯(lián)合支護體系

采用鋼管作內(nèi)支撐能有效減小基坑圍護的變形，降低周圍土體的沉降，保證鐵路的安全運行，但由于一次性用鋼量較大，投入成本過高;且采用多道鋼管支撐，將影響施工進度，并嚴(yán)重制約利用明挖基坑對跨越鐵路的淺埋暗挖隧道的超前支護作業(yè)，進而影響整個工程進度。

為提高施工效率，節(jié)約施工成本，對基坑采用樁錨加水泥高壓旋噴樁的聯(lián)合支護方式。即ABC段及FGH段基坑圍護結(jié)構(gòu)仍為原設(shè)計的鉆孔灌注樁，灌注樁外圍為深層攪拌樁止水;取消原設(shè)計鋼管內(nèi)撐，加設(shè)1～3層土層錨桿。CDEF段改為高壓旋噴樁加固土體，旋噴樁加固范圍為基坑外側(cè)2～6 m(靠近鐵路路基C，E點加固范圍較小)。旋噴樁加固土體的作用有三點:首先是為基坑止水;其次提高基坑土體強度，與鉆孔灌注樁及冠梁一起維護基坑穩(wěn)定;第三是作為下穿鐵路淺埋暗挖隧道洞口段加固措施，與后期的超長鋼管幕一起形成暗挖段的超前預(yù)支護工程。各段基坑聯(lián)合支護措施如圖2、圖3所示。

圖2 AC段、FH段基坑支護示意

圖3 CDEF段基坑支護示意

2.3 支護方案分析

2.3.1 AC段、FH段基坑支護分析

基坑底呈傾斜狀，各部開挖深度不同，錨索支護也不同。開挖深度在10～14 m段，設(shè)3道錨索;6～10 m段，設(shè)2道錨索;開挖深度6 m以內(nèi)段，設(shè)1道錨索。錨索水平間距2.4 m(每2根灌注樁設(shè)一錨索)，豎向間距3 m，第1道錨索距冠梁4.5 m。灌注樁埋深大，嵌入基巖，基坑整體穩(wěn)定好，故只進行錨索參數(shù)計算。

采用理正計算軟件，土壓力為水土合算，灌注樁采用似梁法，取開挖深度最大處斷面計算各錨固點水平拉力如表2。

表2 各計算斷面處錨固力 kN

錨索傾角為20°，按基坑支護規(guī)程[4]錨桿計算方法，則錨索軸向拉力為

式中，Nu為錨索軸向拉力;Td為錨固點水平拉力;θ為錨索傾角;γs為分項系數(shù)，根據(jù)基坑重要性取值，本例取1.3;d為錨固體直徑;qsik為第i層土體與錨固體的抗剪強度;li為第i層土體中錨固體長度。

則錨索長度為

各道錨索工作參數(shù)如表3所示。

表3 錨固體施工參數(shù)

2.3.2 CDEF段基坑穩(wěn)定性分析

此段基坑開挖深度大，邊坡形狀復(fù)雜，曲折多變，既是基坑的組成部分，又是下穿鐵路暗挖隧道的作業(yè)面，無法采用錨固、土釘墻方式支護。綜合考慮，決定采用高壓旋噴樁加灌注樁加冠梁加超前環(huán)狀鋼管幕方式進行支護。但基坑局部距鐵路道床很近(圖1)，加固范圍小，不能滿足基坑支護規(guī)程[4]有關(guān)水泥土墻的加固寬度要求，需進行穩(wěn)定性檢算。

如圖3所示，旋噴樁的加固深度按開挖深度0.4倍考慮，不小于開挖基底面以下6.6 m，加固土體28 d無側(cè)限抗壓強度平均值不小于 0.4 MPa[5];C，D，E，F(xiàn)四角點設(shè)φ1 200鉆孔灌注樁，基底以下深度按1倍基坑深度控制，或嵌巖0.5 m以上;暗挖隧道超前支護鋼管幕采用φ300 mm，壁厚16 mm鋼管，隨基坑開挖由上而下密排施作，斷面為暗挖隧道外輪廓形狀。

高壓旋噴樁加固土體整體按重力式支擋結(jié)構(gòu)考慮，超前支護鋼管幕類似于大型鋼管錨桿，抗拔力為鋼管與水泥土的抗剪力。不計灌注樁及冠梁對邊坡的穩(wěn)定作用(作為邊坡支護的安全儲備)，根據(jù)鐵路支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[6]，對此段基坑的整體穩(wěn)定性作下述分析。

抗傾覆安全系數(shù)

式中，W為高壓旋噴樁加固土體的重力;b為高壓旋噴樁加固寬度;Ep為墻趾前被動土壓力合力;hp為被動土壓力合力作用點距墻趾點的鉛垂距離;Ey為墻背主動土壓力垂直分量;by為主動土壓力作用點距墻趾點的水平距離;T為鋼管的錨拉力，按鋼管在水泥土中抗拔力計，為水泥土抗剪強度與鋼管錨固體外表面乘積，其中水泥土的抗剪強度可按水泥土無側(cè)限抗壓強度30% ～40%取值[5];ht為鋼管距墻趾點的鉛垂距離;Ex為墻背主動土壓力水平分量;ha為主動土壓力作用點距墻趾點的鉛垂距離。

抗滑移安全系數(shù)

式中，μ為墻體與其下土體間摩擦系數(shù)，按規(guī)范選取;其他符號意義同式(3)。

選取CDEF段穩(wěn)定性最差的C，E點進行分析。1 m基坑長度內(nèi)高壓旋噴樁的加固寬度為2 m，列車荷載值為60 kPa，作用點距基坑邊緣2.5 m，φ300鋼管幕5根，水泥土重度為19 kN/m3，土壓力為水土合算，則抗傾覆安全系數(shù) Kq為2.6，抗滑移安全系數(shù) Kh為3.5，均大于規(guī)范[6]要求。

3 基坑施工及監(jiān)測

3.1 施工工序

正確的施工工序?qū)ΡＷC基坑的施工質(zhì)量與提高工效有重要作用，并及時為后續(xù)的下穿鐵路隧道提供作業(yè)面。本基坑施工的工序為:深層攪拌樁、高壓旋噴樁施工→灌注樁施工→壓頂冠梁澆筑→基坑開挖→鋼管幕施工→土層錨桿施工。

3.2 樁錨及旋噴樁施工

基坑開挖后及時進行錨索施工，選用3束7φ5高強鋼絞線，采用錨桿鉆機成孔，注漿后次補漿，以增大錨固體直徑。在冠梁以下4.5 m，7.5 m，10.5 m處分設(shè)3道腰梁，每道腰梁由2根25B型工字鋼組成，上焊錨碇擋板錨固預(yù)應(yīng)力筋。錨索選用高強度低松弛鋼絞線，第1道錨索張拉鎖定值為150 kN，第2道錨索張拉鎖定值為180 kN，第3道錨索張拉鎖定值為210 kN?，F(xiàn)場抗拔試驗第1道錨索破壞抗拔力為265 kN，第2道及第3道錨索抗拔力達338 kN及412 kN。

旋噴樁直徑1.2 m，兩樁間的搭接尺寸≥0.2 m，水泥統(tǒng)一采用 P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥摻量20%，水灰比0.55，水泥漿泵送壓力≥0.4 MPa。

超前支護鋼管幕在基坑開挖間歇期間進行，分二步施作，第一步進行φ125 mm導(dǎo)向孔施工，第二步根據(jù)導(dǎo)管的施工精度及施工實際情況，擴孔φ250 mm采取“前拉后夯”的方法鋪設(shè)φ300 mm鋼管，最后進行管內(nèi)灌漿及管間注漿，使鋼管環(huán)狀連接成幕。

灌注樁采用泥漿護壁成孔，吊放鋼筋籠后，水下澆筑混凝土，混凝土強度為C30;冠梁為灌注樁完工后綁扎鋼筋立模澆筑混凝土，樁體主筋與冠梁的錨固長度按規(guī)范長度設(shè)置。

3.3 施工監(jiān)測

施工監(jiān)測有二套監(jiān)測系統(tǒng)分別進行。業(yè)主聘請獨立第三方監(jiān)測單位主要負責(zé)基坑頂?shù)乃轿灰?、關(guān)鍵部位的測斜觀測、地下水位監(jiān)測和由于基坑開挖導(dǎo)致鐵路路基的沉降及鐵路軌面的平順變形監(jiān)測。第三方監(jiān)測單位定時向監(jiān)理及施工單位通報監(jiān)測資料，遇有監(jiān)測報警值，及時反饋業(yè)主、監(jiān)理單位及施工單位。測點(JK1，…，JK19)布置如圖1所示。

施工期間，施工單位也組織專門人員進行施工監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括基坑變形、開挖導(dǎo)致的水土流失、開挖對周邊環(huán)境的明顯影響等方面，并隨時反饋給作業(yè)部門，以指導(dǎo)施工。

4 基坑變形及分析

2007年底開始攪拌樁及灌注樁施工，2008年初進行冠梁施工，同時進行基坑開挖，初期開挖深度較小，基坑變形值也很小?；娱_挖的高峰期為2月至4月，監(jiān)測顯示期間坑頂水平位移明顯，樁內(nèi)埋設(shè)測斜管監(jiān)測反映灌注樁的變形較大。其中JK11、JK10測點水平位移累計值達52 mm及43 mm，超警戒值，3月至4月最大位移速率達1.2 mm/d。JK6、JK10水平位移值也超過30 mm，其他測點的水平位移值為12～29 mm。關(guān)鍵基坑頂點水平位移監(jiān)測值隨時間變化規(guī)律如圖4所示。

觀察坑頂各測點水平位移量發(fā)現(xiàn)，位移最大部位為CDEF段折線(JK11)基坑，原因與此段旋噴樁加固土體對基坑約束剛度不足有關(guān);4月底基坑開挖基本到位，但變形仍繼續(xù)，顯示基坑變形的滯后性;4月底在DE段與FG段之間增設(shè)φ609 mm@6 000 mm鋼管內(nèi)支撐，則 JK6、JK10、JK11、JK12測點水平位移呈收斂狀態(tài)。

圖4 基坑頂水平位移時程曲線

AC段、FH段基坑變形值較小，顯示灌注樁加預(yù)應(yīng)力錨索對基坑支護作用較好，其中JK6位移值較大，此處設(shè)集水井，基坑開挖深度較其他部位大，固變形值較大。

5 結(jié)語

1)對于復(fù)雜環(huán)境下的基坑，如果條件允許，采用聯(lián)合支護措施可降低造價，提高施工速度，并為后續(xù)施工提供較好條件。其中錨桿加排樁加止水樁的支護形式被本工程及其他大量工程證明為一種安全可靠的支護形式;但水泥土攪拌樁護墻支護剛度較差，基坑變形較大，如能適當(dāng)增設(shè)腰梁，增加支護墻體剛度，并與其他錨桿類支護形式相組合，則效果更好。

2)基坑的變形存在一定的時間效應(yīng)，即基坑開挖后未及時進行支護時，其變形量較大，施加支護后變形顯著減小，因此基坑開挖后應(yīng)及時有效地支護。

3)基坑的變形與基坑的圍護形式、支護措施、土體的物理力學(xué)性能有密切關(guān)系。此外，增設(shè)基坑頂貫通的壓頂冠梁及改變基坑圍護的平面布置形狀，增加圍護結(jié)構(gòu)抵抗水平土壓力的慣性矩，也能顯著減小基坑的變形。

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