地鐵軌排井深基坑樁錨支護(hù)設(shè)計與施工監(jiān)測

盛建龍，黎鉅宏，鄧 靜

(1．武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430081;2．武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

地鐵軌排井深基坑樁錨支護(hù)設(shè)計與施工監(jiān)測

盛建龍1，2，黎鉅宏1，鄧 靜1

(1．武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430081;2．武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

某地鐵軌排井深基坑最大深度為23.3 m，深基坑內(nèi)不能設(shè)橫撐，且基坑?xùn)|端有一條河涌，使軌排井設(shè)計難度較大，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁錨支護(hù)形式。采用理正深基坑支護(hù)設(shè)計軟件對不同設(shè)計剖面進(jìn)行了計算，獲得4道錨索的內(nèi)力和長度，施工過程中對樁頂水平位移、樁身變形和錨索拉力等進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明錨索發(fā)揮了較好作用且拉力值富余較大、基坑未發(fā)生大變形。本文設(shè)計和施工監(jiān)測方法對類似深基坑支護(hù)體系的設(shè)計具有參考價值。

深基坑 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu) 軌排井 施工監(jiān)測

在地下鐵道交通建設(shè)中，軌排需通過軌排井由地面吊入地下隧道內(nèi)。由于軌道吊裝要求，軌排井的平面尺寸和深度一般較大，而且鋼支撐、鋼筋混凝土支撐等內(nèi)支撐不能使用。

樁錨支護(hù)體系是排樁與預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的簡稱，常用于地質(zhì)條件較差、周邊環(huán)境復(fù)雜、基坑深度大的基坑支護(hù)中，特別適用于軌排井深基坑支護(hù)工程。樁錨支護(hù)體系是將受拉桿件的一端固定在開挖基坑的穩(wěn)定地層中，另一端與圍護(hù)樁相聯(lián)的基坑支護(hù)體系，它是在巖石錨桿理論研究比較成熟的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種擋土結(jié)構(gòu)。本文以某地鐵線路軌排井深基坑支護(hù)設(shè)計為例，對樁錨支護(hù)體系進(jìn)行了計算和施工監(jiān)測分析，并對設(shè)計中應(yīng)引起重視的問題進(jìn)行了探討。

1 工程概況

該軌排井深基坑長度約為28.8 m，寬度約25.5 m，深度21.4～23.3 m，使用年限2年?；游挥谀畴p向六車道的道路上，基坑?xùn)|端約4.1～8.5 m處有一條河涌，北端距離已建左線折返線隧道最小距離為0.9 m，其余方向還有小橋、住宅等其他建筑，基坑內(nèi)還有一些管線，施工環(huán)境較為復(fù)雜。

2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

2.1 巖土工程地質(zhì)

工程場地自上而下地層分別為:

＜1＞人工填土層:層厚2.40～4.90 m，平均厚度3.64 m，主要為素填土。

＜2-1＞淤泥質(zhì)土層:層厚為0.40～2.10 m，平均厚度1.53 m。

＜3-2＞中砂層:分布呈透鏡體狀，層厚2.70 m。

＜4-1＞粉質(zhì)黏土層:分布不連續(xù)，層厚0.80～4.40 m，平均厚度2.79 m。

＜7＞鈣質(zhì)泥巖強(qiáng)風(fēng)化帶:層厚0.60～5.80 m，平均厚度2.15 m。

＜8＞鈣質(zhì)泥巖中風(fēng)化帶:層厚0.80～11.00 m，平均厚度7.48 m。

＜9＞鈣質(zhì)泥巖微風(fēng)化帶:層頂面埋深為14.30～19.20 m。

基坑范圍內(nèi)存在的不良地層為較厚的人工填土層，開挖時易于坍塌;鈣質(zhì)泥巖的中、微風(fēng)化巖均為軟化巖石，有遇水易軟化的特性，會降低地基強(qiáng)度。

2.2 水文地質(zhì)

工程現(xiàn)場地下水穩(wěn)定水位深2.40～3.70 m。地下水類型主要為賦存于第四系土層中的孔隙水和賦存于基巖風(fēng)化層中的裂隙水。第四系土層中孔隙潛水的補(bǔ)給源為大氣降水，補(bǔ)給形式為垂直滲入;基巖裂隙水的補(bǔ)給源為第四系土層中孔隙水的垂直滲入及側(cè)向補(bǔ)給、越流補(bǔ)給。本工程場地地下水對混凝土結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性，對混凝土中的鋼筋無腐蝕性，而對鋼結(jié)構(gòu)則有弱腐蝕性。地質(zhì)勘查報告中預(yù)測基巖含水層的涌水量為463.2 m3/d。

2.3 巖土物理力學(xué)參數(shù)

巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1。表中土的天然重度、黏聚力、內(nèi)摩擦角為土工試驗(yàn)結(jié)果，中、微風(fēng)化巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角為廣州地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值及巖石抗剪試驗(yàn)結(jié)果。

表1 巖土層物理力學(xué)指標(biāo)

3 基坑支護(hù)設(shè)計

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)方案確定

在上述工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下，考慮基坑變形的要求以及軌排井的特殊功能，采用鉆孔灌注樁+錨索的基坑支護(hù)方案?；硬捎妹魍陧樧鞣ㄊ┕?，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 200 mm鉆孔灌注樁，樁間距為1.35 m，按照該線路技術(shù)要求，樁底進(jìn)入微風(fēng)化巖層不小于2 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向采用四道預(yù)應(yīng)力錨索，錨索采用φ15.2(1×7)鋼鉸線。支護(hù)結(jié)構(gòu)上部采用 φ600 mm旋噴樁進(jìn)行樁間止水，下部在旋噴樁樁底2 m以下豎向每隔2 m設(shè)置泄水孔?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置(單位:mm)

考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)東端鉆孔樁與河涌過于接近，旋噴樁止水效果難以保證，同時東端的部分錨索施工時會穿過河涌擋墻，進(jìn)到河涌底淤泥層，為避免出現(xiàn)管涌及塌孔，可對河涌擋墻進(jìn)行隔水處理。錨索施工采用鋼套管等措施。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)計算分析

由于基坑深度較大，按照基坑支護(hù)的有關(guān)規(guī)范和規(guī)定，本基坑側(cè)壁安全等級為一級，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)為1.1。支護(hù)結(jié)構(gòu)要承受的荷載有結(jié)構(gòu)自重、地面超載、龍門吊荷載、水土側(cè)壓力。其中地面超載除北端采用32 kPa外，其余各端均采用20 kPa。支護(hù)結(jié)構(gòu)四周的外側(cè)水位標(biāo)高取地面以下0.5 m。水土側(cè)壓力按朗肯主動土壓力公式計算，對于人工填土層和粉質(zhì)黏土層均采用水土分算，對于強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖、中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖和微風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖均采用水土合算。

針對不同的地質(zhì)鉆孔情況及基坑周邊的控制因素，采用理正深基坑支護(hù)設(shè)計軟件對基坑南端、西南端、西北端、北端、東北端和東南端等6個斷面進(jìn)行單元計算。結(jié)合實(shí)際情況，通過不斷調(diào)整錨索的位置、預(yù)加力，將圍護(hù)樁的變位和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力控制在合理范圍內(nèi)，選擇有代表性的計算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計。

因考慮因素眾多，本基坑錨索入射角和豎向間距的設(shè)計比較復(fù)雜。第一道錨索錨固體直徑為130 mm，第二、三、四道錨索錨固體直徑均為150 mm。考慮到南北端第四道錨索距離暗挖隧道頂?shù)陌踩嚯x，南北端第四道錨索入射角取為2°;為了避免錨索打進(jìn)河涌引起塌孔、管涌，并充分利用錨索的使用效率，距離河涌較遠(yuǎn)的東北端大部分錨索入射角取為25°，距離河涌較近的東南端大部分錨索入射角取為35°。為使上下錨索不交叉，基坑第一、二道錨索水平間距均為1.35 m(即一樁一錨)，第三、四道錨索水平間距均為2.70 m(即兩樁一錨，且采用梅花形布置)。其中典型剖面如圖2所示，基坑典型剖面計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示，樁身隨深度變化的水平位移曲線如圖3所示。

圖2 基坑支護(hù)橫剖面(單位:mm)

表2 基坑典型剖面計算結(jié)果

圖3 基坑典型剖面樁身隨深度變化的水平位移曲線

4 施工監(jiān)測

4.1 監(jiān)測項(xiàng)目

根據(jù)本基坑的特點(diǎn)，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工及基坑開挖過程中，監(jiān)測的主要項(xiàng)目包括:①樁頂水平位移;②樁身變形;③地下水位;④錨索拉力;⑤地面沉降。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

1)樁頂水平位移和樁身變形

由第三方監(jiān)測報告，基坑土方開挖124 d(此時已開挖到基坑底)時，基坑?xùn)|南端樁頂最大水平位移為－3.59 mm;南端樁頂最大水平位移為2.33 mm，西端樁頂最大水平位移為－6.67 mm。上述位移均較計算值小。

圖4為基坑開挖第124 d東南端、南端和西端樁身變形隨深度變化曲線?；?xùn)|南端、南端和西端樁身最大變形值分別為4.04，4.80，－10.56 mm。

圖4 基坑不同部位樁身變形隨深度變化曲線

實(shí)測樁頂水平位移和樁身變形比計算結(jié)果小，原因是樁頂冠梁截面尺寸較大(兼作龍門吊軌道梁的冠梁最大截面尺寸為2 558 mm×1 200 mm)，加大了冠梁的整體剛度，從而使冠梁的空間作用明顯，起到協(xié)調(diào)各樁變形、改善各樁受力的作用。在實(shí)際基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般將冠梁作為安全儲備。因?yàn)槿绻麑⒐诹簠⑴c支護(hù)結(jié)構(gòu)計算，存在其附加等效剛度難以取值等問題。故本工程計算中沒有考慮樁頂冠梁的水平剛度。同時，出于安全考慮，本工程計算地下水位不是取至實(shí)際水位，而是取至地面以下0.5 m，故基坑受力的實(shí)測值比計算值要小。

另外，西端樁頂水平位移和樁身變形比其他端的都大且均向基坑內(nèi)側(cè)傾斜，主要是因?yàn)樵诨娱_挖過程中，兩端還保留有通車車道，使基坑西端的地面超載加大，從而使西端支護(hù)結(jié)構(gòu)受力加大。

2)錨索實(shí)測拉力值

除個別監(jiān)測點(diǎn)外，基坑南端各道錨索實(shí)測拉力值隨時間變化不大。錨索拉力值增加反映土體可能發(fā)生移動，錨索拉力值減少反映錨索可能發(fā)生松弛效應(yīng)。第一道錨索實(shí)測拉力值基本上維持在235 kN左右，為原設(shè)計拉力值350 kN的67.1%;第二道錨索實(shí)測拉力值基本維持在250 kN左右，為原設(shè)計拉力值360 kN的69.4%;第三道錨索實(shí)測拉力值基本上維持在315 kN左右，為原設(shè)計拉力值530 kN的59.4%;第四道錨索實(shí)測拉力值基本上維持在300 kN左右，為原設(shè)計拉力值530 kN的56.6%?？傮w來說，基坑開挖到底部時，錨索實(shí)測拉力值約占設(shè)計拉力值的50%～70%。

監(jiān)測結(jié)果表明，由于巖土地質(zhì)良好，錨索拉力值比較穩(wěn)定且應(yīng)力損失不大，錨索發(fā)揮作用強(qiáng);錨索實(shí)測拉力值小于設(shè)計值，未超過設(shè)計值的0.7倍，富余較大;基坑未發(fā)生大變形。由此說明基坑設(shè)計比較安全。

5 結(jié)語

通過對軌排井深基坑支護(hù)設(shè)計計算與施工監(jiān)測分析，有以下幾點(diǎn)認(rèn)識可供同類工程借鑒:

1)樁頂冠梁依靠自身的剛度和完整性可以協(xié)調(diào)各樁的受力及變形狀態(tài)，起到減小樁頂位移、樁身彎矩和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性的作用。設(shè)計計算中，沒有考慮樁與冠梁的空間效應(yīng)作用，故出現(xiàn)監(jiān)測值比計算值要少很多的結(jié)果也屬正常。

2)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要受到水壓力和土壓力。結(jié)合巖土層的滲透系數(shù)及周邊河涌不利環(huán)境，本工程計算水土壓力時，對人工填土層和粉質(zhì)黏土層均采用水土分算，對強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖層均采用水土合算。

3)預(yù)應(yīng)力錨索鎖定值的確定決定了錨索錨固段的長度和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖曲線的形狀。且為了施工方便，每道錨索的鎖定值應(yīng)盡量采用相同值。但由于地質(zhì)鉆孔的差異，通過調(diào)整錨索的鎖定值使基坑斷面在所有鉆孔中的基坑位移在每一工況中都偏向內(nèi)側(cè)、樁的正負(fù)彎矩大致相等是不可能的。因此錨索鎖定值的最終確定是以能使大部分的鉆孔位移計算結(jié)果偏向基坑內(nèi)側(cè)、樁的正負(fù)彎矩不超過限定值為原則。

4)隧道軌排井深基坑設(shè)計應(yīng)嚴(yán)格模擬施工開挖和相應(yīng)地質(zhì)情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，加強(qiáng)施工監(jiān)控量測，并及時反饋以校核計算結(jié)果，根據(jù)情況采取相應(yīng)的處理措施，確保軌排井施工和地面構(gòu)筑物的安全。

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TU94+2;U455．7+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．27

1003-1995(2013)04-0087-04

2012-07-06;

2013-01-16

盛建龍(1964— )，男，湖南湘陰人，教授，博士。

(責(zé)任審編 李付軍)