蓋挖逆作法豎向支撐系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

呂寶偉

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司 城交分院，天津 300251)

1 工程概況

1．1 設(shè)計概述

天津機場交通中心工程主體為地下單層及雙層多跨框架結(jié)構(gòu)，雙層結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)底板埋深為22．36 m;單層多跨框架結(jié)構(gòu)底板埋深為12．65 m。結(jié)構(gòu)平剖面圖見圖1、圖2。

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖(單位:mm)

為確保施工安全、環(huán)境安全，不影響周邊既有設(shè)施的正常運營，并將施工對環(huán)境影響程度降低到最小，影響時間降低到最短，主體結(jié)構(gòu)采用蓋挖逆作法施工，圍護結(jié)構(gòu)采用剛度大止水效果好的地下連續(xù)墻，中間樁柱采用鋼管混凝土柱下設(shè)置鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁柱一次施工完成，地下二層設(shè)置一道臨時鋼筋混凝土支撐。

1．2 工程及水文地質(zhì)條件

本工程地基土在110 m 深度范圍內(nèi)均為第四紀(jì)松散沉積物，主要由飽和粘性土、粉土、砂土組成，一般具有成層分布的特點。潛水含水層主要為全新統(tǒng)中組海相層⑥層及其以上土層，靜止水位埋深一般0．50 ～4．90 m。工程及水文地質(zhì)具有以下特點:

(1)淺部填土局部厚度較大，最厚處約5．3 m。

(2)⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層分布不連續(xù)，厚度不均勻，最厚處達5．2 m。

(3)土質(zhì)不均勻，特別是⑥4層，局部砂性大。

(4)自上而下分布多層承壓含水層，⑧2為第一層承壓水;⑨2為第二層承壓水;(11)2、(11)4、(12)2、(13)1夾和(13)2為第三層承壓水;(14)2為第四層承壓水。

地質(zhì)勘察資料揭示，本工程場地主要為飽和的粘土、粉土和粉砂，適宜采用鉆孔樁。各土層鉆孔灌注樁樁基設(shè)計參數(shù)如下:

圖2 結(jié)構(gòu)剖面圖(單位:mm)

樁側(cè)土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qsik:粘土38 ～74 kPa，粉(細(xì))砂55 ～70 kPa。

樁端土的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值qpk:粘土550 ～780 kPa，粉(細(xì))砂900 ～1 150 kPa。

2 豎向支撐系統(tǒng)設(shè)計需要解決的關(guān)鍵問題

本工程的豎向支撐系統(tǒng)包括地下連續(xù)墻和中間樁柱，均兼有臨時結(jié)構(gòu)和永久結(jié)構(gòu)的雙重功能。地下連續(xù)墻既是施工期間基坑的圍護結(jié)構(gòu)和豎向支撐結(jié)構(gòu)，又是使用期間的抗浮結(jié)構(gòu);中間樁柱施工期間承受著由層逆作結(jié)構(gòu)板傳遞的豎向載荷，而且在使用階段作為工程永久抗浮結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)永久立柱。永臨結(jié)合的豎向支撐系統(tǒng)不僅簡化了施工程序，也降低工程造價，但由于在整個蓋挖逆作法施工過程中，結(jié)構(gòu)型式和受力狀態(tài)都在不斷變化，其受力遠比順作法施工的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在軟弱富水地層中的蓋挖逆作法工程施工過程中，豎向支撐結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的沉降量尤其是差異沉降，會對上部結(jié)構(gòu)受力造成不利影響。因此在設(shè)計施工過程中，確保豎向承載力滿足結(jié)構(gòu)受力需要、將隆起沉降量尤其是差異隆起沉降量控制在結(jié)構(gòu)變形允許的范圍之內(nèi)，是豎向支撐系統(tǒng)設(shè)計需要解決的關(guān)鍵問題。

3 主要設(shè)計技術(shù)

3．1 豎向支撐系統(tǒng)承載力計算分析

選用大型數(shù)值模擬軟件MADIS GEN 按實際施工步驟進行整體三維數(shù)值模擬分析，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，考慮連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)共同受力，結(jié)構(gòu)為彈性地基上的平面框架;計算模型模擬施工步序，按先施作頂板再分層蓋挖逆作各層結(jié)構(gòu)板進行分步計算，采取增量法計算內(nèi)力累加的原則進行計算，并提取全過程中地下連續(xù)墻和中間樁柱最大的抗壓和抗拔荷載，模型中工程樁采用豎向彈簧模擬彈簧剛度根據(jù)本地區(qū)同類工程類比取為1．2 ×109N/m本文以該工程第三標(biāo)段為例進行分析，結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模型詳見圖3。

圖3 三維數(shù)值模型圖

根據(jù)三維數(shù)值模型計算結(jié)果，提取豎向支撐系統(tǒng)承載力設(shè)計值，詳見表2、表3。

表2 工程樁豎向承載力設(shè)計值 kN

表3 地下連續(xù)墻豎向承載力設(shè)計值 kN

模型計算結(jié)果表明:在結(jié)構(gòu)封底前，豎向荷載都將通過地下連續(xù)墻及工程樁傳給地基，此時工程樁及地下連續(xù)墻主要受力狀態(tài)為抗壓。結(jié)構(gòu)封底后，隨著地下水位的恢復(fù)，向上的水浮力增加并超過向下的各層結(jié)構(gòu)板傳遞的豎向荷載，此時工程樁及地下連續(xù)墻主要受力狀態(tài)由抗壓轉(zhuǎn)為抗拔。設(shè)計過程中需對工程樁及地下連續(xù)墻在抗壓及抗拔狀態(tài)的承載力分別進行計算，并采取相應(yīng)的控制措施，以確保受力需要和結(jié)構(gòu)安全。

3．2 鉆孔灌注樁承載力計算

鉆孔灌注樁大直徑樁單樁極限抗壓承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk和極限抗拔承載力Tuk分別為

式中，Qgsk為總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;Qgpk為總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;u 為樁身周長;li為樁周第i 層土的厚度;Ap為樁端面積;λi為抗拔系數(shù);qsik為樁側(cè)第i 層土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值;qpk為初始極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;ψsi，ψp分別為大直徑樁側(cè)阻力，端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù);βsiβp分別為后注漿側(cè)阻力，端阻力增強系數(shù)［7］。

3．3 地下連續(xù)墻的豎向極限承載力計算

作為基坑的圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻的作用主要為截斷地下水為基坑開挖創(chuàng)造條件，承受水平側(cè)向的土壓力、水壓力及地面荷載引起的附加荷載，此時地下連續(xù)墻應(yīng)滿足強度和變形要求，本文不再贅述。

地下連續(xù)墻側(cè)壁及墻底也可提供豎向承載力，包括側(cè)摩阻力及端阻力，若合理地利用其豎向承載力，可使基礎(chǔ)設(shè)計更加經(jīng)濟［4］。地下連續(xù)墻的豎向極限承載力P 可由下式表達

式中，F(xiàn)，R 分別為墻側(cè)壁摩阻力及墻底端阻力。側(cè)壁摩阻力F 按經(jīng)驗參數(shù)確定

式中，qsi為墻側(cè)土極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

端阻力可按有關(guān)的深基礎(chǔ)理論公式計算，還可近似地按樁端承載力估算，即

式中，qp為墻底土極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值;B，L 分別為地下墻的寬度及長度［4］。

由于工程樁豎向承載力較大，并且本工程所在的軟弱地層提供的極限側(cè)阻力較小，若采用直樁方案，經(jīng)計算，工程樁最大鉆孔深度達到100 m 以上，工程樁整體均偏長給施工帶來極大困難，工程造價也較高，必須采取改善措施。

4 改善承載力及控制隆起沉降措施

4．1 鉆孔灌注樁構(gòu)造措施

工程樁的極限承載力主要受樁身強度、樁周土層的物理力學(xué)性質(zhì)以及樁土接觸面的幾何特性三方面影響。隨著工程樁鋼筋混凝土質(zhì)量和強度的不斷提高，樁身強度已不是控制樁基強度的主要因素。提高樁基的極限承載力主要為提高樁周土力學(xué)性質(zhì)和改善樁土接觸面幾何特性，提高樁周土力學(xué)性質(zhì)常用的方法為樁側(cè)和樁端后注漿技術(shù)，改善樁土接觸面幾何特性主要為改變樁體形狀，如擠擴支盤和旋挖擴孔等方法。本工程所有工程樁均采用樁側(cè)和樁端注漿的方法，在3 號、4 號和5 號工程樁樁身設(shè)置兩個擴大頭，工程樁直徑2 200 mm，擴頭直徑3 200 mm。

4．2 鉆孔灌注樁承載力實驗結(jié)果分析

根據(jù)《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106—2003)的有關(guān)規(guī)定，對工程樁進行了單樁豎向抗壓靜荷載試驗。2 號樁樁單樁豎向抗壓靜荷載試驗采用壓重平臺反力裝置，即由壓重平臺提供反力通過試樁鋼梁及6臺500 t 并聯(lián)液壓千斤頂對試樁進行豎向抗壓荷載試驗，試驗采用靜載荷測試儀，采用壓力傳感器直接測定壓力。4 號樁抗拔試驗采用自平衡法進行。

為精確測定試樁樁周各土層側(cè)摩阻力和樁尖阻力，在樁鋼筋籠綁扎后固定振弦式傳感器于鋼筋籠上，留出足夠長度的線頭與振弦式傳感器讀數(shù)儀連接，靜載試驗時進行樁身內(nèi)力測試。

實驗結(jié)果表明，樁側(cè)注漿使各土層極限承載力均得到了加大的提高，對于粘性土，側(cè)阻力增強系數(shù)為1．38 ～1．74，砂性土側(cè)阻力增強系數(shù)為1．42 ～1．95，并且隨著土層埋深的增加，側(cè)阻力增強系數(shù)呈逐漸增大趨勢;樁端土的極限端阻力增強系數(shù)為2．002。因此，樁側(cè)和樁端注漿對提高樁的極限承載力有明顯的積極作用。

在樁身和樁端設(shè)置的擴大頭提供的抗拔力與總抗拔力比值約為40%，而擴頭的側(cè)面積與樁身側(cè)面積的比值約為8%，因此擴大頭對提高樁的抗拔能力具有明顯效果。

4．3 地下連續(xù)墻構(gòu)造措施

為了控制地下連續(xù)墻的豎向沉降量，以提高地下墻的豎向承載力，在每幅地下墻中設(shè)置二根Φ48 墻趾注漿管，對墻底土體進行注漿加固，減少墻體垂直沉降。結(jié)合注漿試驗，墻趾注漿采用雙控原則，既每根注漿管最大注漿量不大于2 m3且終止注漿壓力不小于1 MPa(3 min)。

經(jīng)計算，圍護結(jié)構(gòu)功能控制地下連續(xù)墻嵌入深度，故未對地下連續(xù)墻豎向承載力進行現(xiàn)場試驗，根據(jù)類比鉆孔灌注樁樁端注漿試驗結(jié)果，可以定性判斷墻趾注漿對地下連續(xù)墻豎向承載力有一定提高。

5 變形沉降分析

本工程施工過程中，對典型斷面的地下連續(xù)墻及中間樁柱進行了沉降觀測點布設(shè)，并全程對沉降觀測點進行監(jiān)測，地下連續(xù)墻墻體水平位移曲線圖、地下連續(xù)墻頂隆起沉降曲線圖及中間樁柱頂隆起沉降曲線圖詳見圖4、圖5。監(jiān)測結(jié)果表明:

圖4 地下連續(xù)墻墻體水平位移曲線圖

圖5 地下連續(xù)墻頂隆起沉降曲線圖

(1)隨著基坑土方開挖卸載，地下連續(xù)墻水平位移趨勢為向基坑內(nèi)側(cè)，最大水平位移為15 mm。

(2)施工期間地下連續(xù)墻及中間樁柱隆起沉降量較大，最大達33 mm，隆起為主要趨勢。

(3)土體開挖后地下連續(xù)墻及中間樁柱隆起沉降量增加明顯，隨著各層結(jié)構(gòu)板施工完成，地下連續(xù)墻及中間樁柱隆起沉降趨于穩(wěn)定。

(4)本著平衡對稱開挖原則，地下連續(xù)墻與中間樁柱隆起沉降量差異值較小，相鄰地下連續(xù)墻與中間樁柱差異沉降與距離比值均小于1/1 000。

6 結(jié)束語

豎向支撐系統(tǒng)是蓋挖逆作法的關(guān)鍵構(gòu)件。目前，該工程主體結(jié)構(gòu)已完成施工，筆者認(rèn)為，在豎向支撐系統(tǒng)的設(shè)置中需要解決以下幾個關(guān)鍵技術(shù)問題:

(1)無論現(xiàn)場原位靜力試驗和室內(nèi)模型試驗都證明，樁側(cè)和樁端注漿及樁底擴頭后對樁豎向承載能力的提高是顯著的，應(yīng)優(yōu)先采用擴底樁結(jié)合樁側(cè)和樁端注漿的方法，不得已時可增加樁長。軟弱富水地層中的粉土、粉砂等土層承載力較高，但樁的擴頭施工時易出現(xiàn)塌孔等問題，應(yīng)采用有針對性的施工機械和先進的施工工藝。

(2)豎向支撐系統(tǒng)的承載力關(guān)鍵問題是沉降控制標(biāo)準(zhǔn)問題，取決于地下連續(xù)墻及中間樁在豎向荷載作用下的允許沉降量，尤其是差異沉降量。這個問題不僅涉及地下連續(xù)墻及中間樁在豎向荷載作用下的沉降規(guī)律，而且與地下連續(xù)墻及中間樁在豎向荷載作用下的位移、樁墻之間的位移協(xié)調(diào)以及框架結(jié)構(gòu)抵抗不均勻下沉的能力有關(guān)?，F(xiàn)有各種承載能力的計算公式，并沒有與受載后樁本身的下沉量聯(lián)系起來，因此問題的最終解決，應(yīng)是在對樁現(xiàn)場原位靜力試驗的基礎(chǔ)上，對以上各種因素進行綜合優(yōu)化，并在結(jié)構(gòu)模擬計算過程中考慮差異沉降影響，采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施。

(3)應(yīng)優(yōu)先考慮永久柱與臨時柱結(jié)合的方案。一般來說，按這種思路設(shè)計較為經(jīng)濟，而且結(jié)構(gòu)的受力和變形狀況也較為明確。

圖6 中間樁柱頂隆起沉降曲線圖

［1］施仲衡．地下鐵道設(shè)計與施工［M］．西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002．

［2］JGJ94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．

［3］GB50157—2003 地鐵設(shè)計規(guī)范［S］．

［4］劉昌輝，時紅蓮．基礎(chǔ)工程學(xué)［M］．武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2005．

［5］蔡紹懷．現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(修訂版)［M］．北京:人民交通出版社，2007．

［6］夏明耀 曾進倫．地下工程設(shè)計施工手冊［M］．北京:中國建筑出版社，1999．

［7］JGJ94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．2008．