對(duì)拉結(jié)構(gòu)在鄰近深基坑中的應(yīng)用

陳海軍，郝國鵬

(1.中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133;2.洛陽路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471000)

0 引言

隨著城市建設(shè)不斷加快，地下空間利用率越來越高，經(jīng)常出現(xiàn)多個(gè)項(xiàng)目同期建設(shè)的情況，從而造成相鄰基坑的出現(xiàn)。受工程項(xiàng)目管理、建設(shè)工期、施工場地布置及施工道路等因素控制，通常情況下，相鄰基坑不能合并。一般在建筑深基坑設(shè)計(jì)時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)均處于半無限土體中，由于建筑基坑寬度較大，支護(hù)體系通常采用錨索結(jié)構(gòu)，錨索的長度是深基坑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)［1］。對(duì)于鄰近基坑，若獨(dú)立設(shè)置錨索，其必要的長度不能滿足，針對(duì)同期實(shí)施的臨近深基坑支護(hù)問題，目前國內(nèi)亦較少有專項(xiàng)研究，文獻(xiàn)［2］在處理隧道內(nèi)核心土穩(wěn)定時(shí)曾采用對(duì)拉錨索，文獻(xiàn)［3－6］對(duì)常規(guī)深基坑的計(jì)算分別提出了理論模型及構(gòu)件模擬方法，文獻(xiàn)［7］就支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度與入土深度對(duì)變形的影響進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［8］對(duì)深基坑工程穩(wěn)定控制基準(zhǔn)進(jìn)行研究。本文以長沙營盤路湘江隧道D匝道基坑與相鄰的建筑基坑為例，在2坑之間設(shè)置了一種對(duì)拉結(jié)構(gòu)，通過整體計(jì)算與構(gòu)造設(shè)計(jì)，確定該種結(jié)構(gòu)方案的可行性。通過此種結(jié)構(gòu)在其他工程中的應(yīng)用，證明其適用性與安全性。

1 工程概況

長沙營盤路湘江隧道D匝道DK0+130～+200段明挖基坑與其東側(cè)的建筑基坑同期施工，2基坑水平間距7.5～9.0 m，地面布置為施工道路，地下2.5 m處埋設(shè)有城市供水干管，2基坑不能合并開挖。隧道基坑寬10.0 m，深7～13 m，采用鉆孔樁+內(nèi)支撐圍護(hù);建筑基坑寬42～47 m，深13.5 m，采用鉆孔樁+錨索圍護(hù);2基坑地質(zhì)自上而下依次為雜填土、淤泥、圓礫及強(qiáng)風(fēng)化板巖，基坑處于雜填土及淤泥地層中。建筑基坑的錨索原設(shè)計(jì)長25 m，進(jìn)入隧道范圍，由于2基坑同期施工，隧道圍護(hù)樁施工及基坑開挖時(shí)勢必會(huì)切斷建筑基坑的錨索而造成建筑基坑出現(xiàn)傾覆，為解決上述問題，在2坑之間設(shè)計(jì)對(duì)位結(jié)構(gòu)。第1道采用鋼筋混凝土聯(lián)系梁把2坑圍護(hù)樁冠梁橫向連接，地面以下采用對(duì)拉錨索(該種形式在處理隧道內(nèi)核心土穩(wěn)定時(shí)曾經(jīng)采用過［2］)將2坑圍護(hù)樁連成整體。對(duì)拉結(jié)構(gòu)平面及剖面布置如圖1所示。

2 受力分析

2.1 對(duì)拉結(jié)構(gòu)受力分析需關(guān)注的主要問題

1)隧道基坑左側(cè)半無限土體的穩(wěn)定與變形;

2)2基坑之間有限土體的穩(wěn)定與變形;

3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力;

4)對(duì)拉結(jié)構(gòu)內(nèi)力;

5)按一般基坑設(shè)計(jì)時(shí)需計(jì)算的各種要求。

2.2 計(jì)算模型的確立

一般的深基坑計(jì)算時(shí)，基坑兩側(cè)均為半無限體，通常對(duì)基坑單側(cè)標(biāo)準(zhǔn)斷面采用結(jié)構(gòu)荷載法計(jì)算［3］，對(duì)于上述對(duì)拉結(jié)構(gòu)，采用一般的深基坑計(jì)算軟件無法完成，本次計(jì)算擬定采用地層結(jié)構(gòu)法建立地層與結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型，對(duì)相鄰基坑進(jìn)行整體模擬分析。土體本構(gòu)為等向硬化彈塑性模型(Hardening soil Model)［4－5］，計(jì)算采用巖土工程專用有限元軟件Plaxis完成［6］。計(jì)算模型寬度100 m，深度40 m，根據(jù)地勘資料，自上而下分層模擬各地層，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、混凝土支撐及聯(lián)系梁采用梁單元，黏結(jié)型錨桿、鋼支撐及對(duì)拉錨索采用可施加預(yù)應(yīng)力的桿單元［6］?？紤]支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度與入土深度對(duì)變形的影響［7］，擬定圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔樁直徑為1.0 m，間距為1.2 m，嵌固深度為5.0 m，擬定頂部聯(lián)系梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面尺寸為1 000 mm×800 mm，間距為2.0 m，對(duì)拉錨索采用4根1束φ 15.2 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線。計(jì)算模型如圖2所示。根據(jù)地質(zhì)詳勘資料，各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 鄰近基坑計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of cross structure of neighboring foundation pits

2.3 結(jié)構(gòu)結(jié)果分析

經(jīng)初步計(jì)算，由于基坑深度范圍處于雜填土及淤泥質(zhì)地層，2基坑之間土體抗變形能力較差，結(jié)構(gòu)整體上向基坑側(cè)的水平位移超過7 cm，變形過大，不滿足基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求［8］。產(chǎn)生較大水平位移的主要原因是相鄰基坑間土體壓縮模量過小，抗變形能力較差。因此考慮對(duì)2基坑之間的軟土進(jìn)行加固處理，提高地層物理力學(xué)參數(shù)后重新計(jì)算。地層加固完成后的主要計(jì)算成果如圖3和圖4所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件計(jì)算結(jié)果，其變形與內(nèi)力見表2。

通過對(duì)基坑從開挖到回填的全過程模擬計(jì)算，在基坑開挖至基底時(shí)，本構(gòu)體系中各結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力達(dá)到最大值，3排圍護(hù)樁中隧道左側(cè)的最大水平位移為29 mm，隧道右側(cè)的最大水位移為28 mm，建筑基坑側(cè)的最大水平位移為27 mm，基坑間有限土體內(nèi)最大應(yīng)力為0.15 MPa，無塑性區(qū)出現(xiàn)。由此可見，對(duì)拉基坑中，3排圍護(hù)樁變形相互協(xié)調(diào)，通過對(duì)中間土體的加固，顯著提高了土體的抗剪能力，從而起到了控制變形的作用。

由表2可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移均小于基坑變形的控制標(biāo)準(zhǔn)，圍護(hù)樁內(nèi)力及支撐軸力較小，可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足受力要求。值得注意的是，由于共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)間土體變形達(dá)28 mm左右，其間埋設(shè)的管線跟隨土體一起變形，其總的位移量約27 mm，超過了管線保護(hù)的允許值，在基坑開挖過程應(yīng)采取有效措施保護(hù)管線安全，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮在管線左側(cè)開挖協(xié)調(diào)變形溝，減少土體變形對(duì)管線的影響。

表1 土體本構(gòu)模型計(jì)算參數(shù)Table 1 Parameters of constitutive model

3 對(duì)拉結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)

對(duì)于采用對(duì)拉結(jié)構(gòu)的鄰近基坑，根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算成果，除按一般基坑的設(shè)計(jì)方法完成基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，需重點(diǎn)就對(duì)拉部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中主要設(shè)計(jì)對(duì)象是聯(lián)系梁與對(duì)拉錨索。聯(lián)系梁主要內(nèi)力有彎矩、拉力和剪力，可按彎剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。聯(lián)系梁與相鄰的2個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)冠梁連接，其間距可按2～4 m布置，施工應(yīng)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)冠梁整體施作。對(duì)拉錨索布置在地面以下，間距2 m或2樁一錨，根據(jù)錨索拉力的大小兩端錨固在鋼筋混凝土腰梁或鋼腰梁上。一般的錨索系統(tǒng)由索體、自由段、錨固段、錨頭和墊塊等組成［9］，就對(duì)拉錨索而言，除錨頭、墊塊與通常錨索系統(tǒng)相同外，錨索體亦采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，但與一般錨索設(shè)計(jì)的不同之處在于將其布置在套筒內(nèi)，不設(shè)錨固段，無需與地層粘結(jié)，基坑內(nèi)主體結(jié)構(gòu)完成后，對(duì)拉錨索可解索回收。聯(lián)系梁與錨索構(gòu)造設(shè)計(jì)如圖5和圖6所示。

4 工程應(yīng)用

4.1 對(duì)拉結(jié)構(gòu)在某沉管隧道接頭護(hù)岸結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

該工程采用軸線干塢，干塢端頭與河岸間距為37～41 m，基坑深14～22 m，基坑周邊需3面開挖，即干塢側(cè)、隧道側(cè)及河道側(cè)，受沉管隧道施工工藝限制，干塢端頭與河岸間土體需保留。為滿足隧道側(cè)基坑受力及沉管管段出塢要求，隧道側(cè)基坑采用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，錨索結(jié)構(gòu)占據(jù)地下空間。對(duì)于干塢側(cè)及河道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)，若仍采用普通錨索形式，在干塢端頭與河岸間土體內(nèi)將存在3個(gè)方向的錨索，相互之間勢必出現(xiàn)空間沖突，同時(shí)也將造成群錨效應(yīng)，地層錨固力損失或破壞。為解決上述問題，該工程在干塢側(cè)及河道側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)體系采用對(duì)拉錨索，錨索間距1.4 m，鎖定時(shí)施加預(yù)應(yīng)力。錨索空間布置如圖7所示，對(duì)拉錨索平面布置如圖8所示。

4.2 對(duì)拉結(jié)構(gòu)在某盾構(gòu)隧道始發(fā)井段的應(yīng)用

該隧道東岸盾構(gòu)始發(fā)井長27.6 m，寬42.8 m，基坑深20～25 m，始發(fā)井基坑北側(cè)為某大型建筑基坑，該基坑與隧道工程同期建設(shè)，建筑基坑深10～15 m，2基坑間距10.5～14 m。建筑基坑支護(hù)體系原設(shè)計(jì)采用錨索體系，因其距隧道基坑較近，錨索錨固段進(jìn)入隧道基坑范圍，致使隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)無法實(shí)施。若考慮2坑合并，挖除中間土體，將存在如下問題:1)大量增加土方開挖與回填，2個(gè)工程屬于不同的建設(shè)單位，協(xié)調(diào)困難;2)隧道主體結(jié)構(gòu)與樓房建設(shè)不同步，基坑合并后回填時(shí)間難以確定;3)隧道與地產(chǎn)均處于主城區(qū)，周邊用地緊張，共坑后施工場地及施工道路無法布置，影響工程建設(shè)。基于上述問題，為保證2個(gè)基坑同期實(shí)施，設(shè)計(jì)考慮采用對(duì)拉結(jié)構(gòu)，即在2基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)間設(shè)置聯(lián)系梁與對(duì)拉錨索形成支護(hù)體系。具體設(shè)計(jì)如圖9—11所示。

表2 基坑對(duì)拉結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果Table 2 Deformation and internal force of neighboring foundation pits

圖11 盾構(gòu)井段對(duì)拉結(jié)構(gòu)剖面布置圖Fig.11 Profile of cross structures of vertical shaft

上述3個(gè)工程均已順利完工，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建、構(gòu)筑物安全穩(wěn)定，基坑變形均能滿足控制等級(jí)要求。工程案例證明，對(duì)于同期實(shí)施的鄰近基坑，通過采用對(duì)拉結(jié)構(gòu)，成功解決了用地緊張、工程管理、基坑安全等實(shí)際問題，能夠創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

5 結(jié)論與討論

通過對(duì)鄰近深基坑的工程建設(shè)環(huán)境分析，提出了在特殊條件下設(shè)置對(duì)拉結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)的必要性，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算、受力分析及構(gòu)造設(shè)計(jì)，明確了對(duì)拉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，經(jīng)多個(gè)基坑的現(xiàn)場實(shí)踐，證實(shí)了對(duì)拉結(jié)構(gòu)在鄰近深基坑中應(yīng)用的可行性與安全性。對(duì)拉結(jié)構(gòu)是應(yīng)用于特殊情況下鄰近深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主護(hù)體系的一種創(chuàng)新形式，工程應(yīng)用中相對(duì)較少，建議在后續(xù)研究中對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

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