土巖組合地層蓋挖車站基坑吊腳樁支護(hù)適用性研究

劉　江

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安　710043）

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土巖組合地層蓋挖車站基坑吊腳樁支護(hù)適用性研究

劉江

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043）

摘要青島地鐵3號(hào)線五四廣場(chǎng)站基坑位于土巖組合地層中，采用蓋挖法施工，吊腳樁支護(hù)。本文通過有限元計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析吊腳樁的受力與變形，及車站頂板和中央鋼管混凝土柱對(duì)基坑變形的影響。結(jié)果表明：樁頂、樁腳水平位移最大值均控制在2 mm以內(nèi)，鎖腳錨桿與樁腳嵌入中風(fēng)化巖的設(shè)計(jì)對(duì)樁腳位移的控制作用明顯，樁身彎矩和剪力隨著開挖深度減??；由于基坑上方蓋板和中央鋼管混凝土柱的作用，支護(hù)樁最大水平位移（約6 mm）較??；距基坑邊0. 46H（H為基坑開挖深度）處出現(xiàn)地表最大沉降量0. 92‰H，沉降分布呈漏斗狀；基坑施工過程中始終處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，吊腳樁支護(hù)形式在土巖組合地層蓋挖車站基坑中適用性良好。

關(guān)鍵詞土巖組合地層；吊腳樁；蓋挖法；有限元；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

青島地區(qū)地層上軟下硬，上覆巖層較薄，且多為沖積、洪積物或填土層，下部為嶗山花崗巖［1-2］。在該地層條件下的深基坑施工中吊腳樁是一條保障工程安全性、經(jīng)濟(jì)性、高效性的可行途徑。吊腳樁支護(hù)體系中支護(hù)樁或端承樁對(duì)中風(fēng)化或微風(fēng)化花崗巖的嵌入深度并不很大，在開挖到基坑底部時(shí)，支護(hù)樁樁底位于基坑底以上數(shù)米。通常吊腳樁樁身會(huì)設(shè)置多道錨索來增加支護(hù)體系的穩(wěn)定性。蓋挖法［3］通常先作支護(hù)結(jié)構(gòu)，然后筑造鋼蓋板，隨后分級(jí)開挖，回填至地表，然后在支護(hù)結(jié)構(gòu)和中間立柱的保護(hù)下進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的開挖。相對(duì)于明挖法，蓋挖施工影響交通時(shí)間短，與暗挖法相比，蓋挖法的施工風(fēng)險(xiǎn)小。

眾多學(xué)者對(duì)相關(guān)問題已經(jīng)進(jìn)行了較為深入的研究。黃敏［4］分析了土巖組合地層下的樁-內(nèi)支撐支護(hù)基坑、樁錨支護(hù)基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和地表沉降規(guī)律。鮑樹峰等［5］通過三維有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)土巖組合基坑的破壞模式進(jìn)行了定性分析，提出了土巖組合基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形、內(nèi)支撐軸力等的變化規(guī)律。劉紅軍等［6］分析了樁體嵌巖深度、樁腳處錨桿軸力和預(yù)留巖肩寬度等因素對(duì)基坑安全穩(wěn)定性的影響。白曉宇等［7］以青島土巖組合地質(zhì)條件為背景，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和Plaxis有限元模擬的方法，研究了在龍門吊移動(dòng)荷載作用下土巖基坑中吊腳樁的變形規(guī)律及動(dòng)力響應(yīng)。李鐵生［8］采用增量法原理分析蓋挖法車站結(jié)構(gòu)受力變化過程，確定了合理的設(shè)計(jì)指標(biāo)，提出了能模擬結(jié)構(gòu)各階段不同受力狀況的全過程分析方法。在吊腳樁設(shè)計(jì)計(jì)算方法和穩(wěn)定性等方面［9-11］亦有學(xué)者進(jìn)行了探討。

相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道中研究對(duì)象均為采用吊腳樁支護(hù)的明挖基坑，而對(duì)采用吊腳樁支護(hù)的蓋挖法地鐵車站基坑的受力、變形等相關(guān)問題研究較少。本文采用數(shù)值模擬方法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)探討基坑上方蓋板和中央鋼管混凝土柱在控制基坑受力變形中的作用，為今后相似工程的設(shè)計(jì)施工提供參考依據(jù)。

1　工程概況

青島地鐵3號(hào)線五四廣場(chǎng)站采用蓋挖法施工，基坑采用吊腳樁支護(hù)，開挖深度19. 5 m。該車站沿香港中路呈東西走向布置，車站結(jié)構(gòu)長277. 8 m，寬44. 8 m，頂板覆土為3. 70～6. 90 m。五四廣場(chǎng)站是地鐵2號(hào)線和3號(hào)線的換乘站，場(chǎng)地位于市政府西側(cè)，香港中路和山東路交叉口，周邊重要建筑物眾多。

車站站址處地表平緩無起伏，為剝蝕堆積坳谷型地貌，地層狀況見表1。土層下伏花崗巖，其強(qiáng)風(fēng)化帶厚0. 5～10. 3 m，中風(fēng)化帶厚0. 0～8. 0 m，以下為微風(fēng)化帶。場(chǎng)地地層變化較為復(fù)雜，附近地下水為孔隙水及基巖風(fēng)化裂隙水，車站西段第四系土層不發(fā)育，車站東段第四系土層較厚。與基坑凈距最小的建筑物為國貿(mào)大廈，僅14 m，具有較高風(fēng)險(xiǎn)。

特殊地質(zhì)條件對(duì)工程有以下影響：①車站周邊圍巖多遇水易崩解，導(dǎo)致巖土體強(qiáng)度降低，影響基坑穩(wěn)定性；②車站全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖形成的風(fēng)化深槽，對(duì)基坑開挖及其穩(wěn)定性有較大影響；③表層砂土的失穩(wěn)可能引起基坑變形、地面下陷等問題；④場(chǎng)地與海岸線距離僅500 m，基坑排水、降水等可能影響地下滲流模式，引發(fā)海水倒灌。

表1　場(chǎng)地巖土體基本特性

2　基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2. 1基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式

五四廣場(chǎng)站基坑平面尺寸為278×45 m，開挖深度接近20 m，周邊重要建筑物眾多、市政管網(wǎng)密集。根據(jù)車站結(jié)構(gòu)形式、場(chǎng)地條件及工程地質(zhì)條件等因素，車站基坑采用分幅蓋挖+明挖順作法施工，主體支護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000@ 1 500 mm的鉆孔灌注樁+錨索，頂板以上一級(jí)邊坡的臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)采用800@ 1 500 mm的鉆孔灌注樁+錨索。冠梁的截面尺寸為1. 0 m× 1. 0 m。在車站西段基巖面較高，該處支護(hù)樁采用吊腳樁，要求樁進(jìn)入中風(fēng)化層不小于2. 5 m（部分為2 m）、進(jìn)入微風(fēng)化層不小于1. 5 m。西段中立柱入巖較深，考慮采用人工挖孔樁，中立柱兼做車站抗拔樁。典型剖面S-S'處的主體結(jié)構(gòu)與支護(hù)形式如圖1、圖2所示。

圖1　S-S'剖面處主體結(jié)構(gòu)示意

2. 2吊腳樁支護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

嵌巖深度和巖肩預(yù)留寬度是吊腳樁支護(hù)的研究重點(diǎn)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。五四廣場(chǎng)站基坑吊腳樁設(shè)計(jì)的嵌巖深度和巖肩預(yù)留寬度均為2 m。吊腳樁嵌巖深度不在基底以下，因此不能采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算模式，其受力特點(diǎn)也不同于傳統(tǒng)模式。根據(jù)分析把此類基坑的設(shè)計(jì)分兩部分進(jìn)行：

1）當(dāng)基坑開挖至基巖面處（圖3（a）），其計(jì)算模式采用傳統(tǒng)的等值梁法。

圖2　S-S'剖面處支護(hù)形式

2）下層巖體開挖過程中，為了保證樁腳的安全，在樁入巖面以下預(yù)留巖肩來支撐樁腳，同時(shí)，為了防止巖肩對(duì)樁腳水平支撐力不足，在樁入巖面處增設(shè)1道預(yù)應(yīng)力錨桿，如圖3（b）。為保證施工安全性，等效平衡計(jì)算中不考慮巖肩的完整性，即不考慮其抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的嵌固力和對(duì)樁腳的被動(dòng)土壓力，以保證巖肩預(yù)留失敗時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)同樣安全。另外，還需要進(jìn)行巖體圓弧滑動(dòng)破壞和圓弧-平面滑動(dòng)破壞的穩(wěn)定性計(jì)算。

圖3　吊腳樁簡(jiǎn)要施工流程

3　有限元模擬

3. 1幾何模型的建立與參數(shù)的選取

本研究選取青島地鐵五四廣場(chǎng)站典型剖面S-S'進(jìn)行分析，使用Plaxis建立二維有限元模型（圖4）。巖土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)物采用線彈性本構(gòu)模型。

圖4　二維有限元模型

根據(jù)該工程勘察報(bào)告，為了簡(jiǎn)便計(jì)算，簡(jiǎn)化后的巖土體模型參數(shù)取值見表2。支護(hù)結(jié)構(gòu)及車站主體結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于土體，采用線彈性本構(gòu)模型。吊腳樁、鋼管樁、預(yù)應(yīng)力錨桿分別采用梁?jiǎn)卧?、土工格柵、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿模擬。

表2　各層巖土體模型計(jì)算參數(shù)

3. 2施工工況模擬

施工工況如表3所示。

表3　分步施工工況

3. 3計(jì)算結(jié)果分析

3. 3. 1吊腳樁樁身水平位移

吊腳樁為懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)。由吊腳樁樁身水平位移變化曲線（圖5）可知：在開挖至2 m深度時(shí)，樁頂處水平位移最大，達(dá)到2. 05 mm，而基巖面位置以下的樁身水平位移趨向于0；施工第1道錨桿時(shí)，由于預(yù)應(yīng)力較大，樁頂水平位移由原來的指向坑內(nèi)變?yōu)橹赶蚩油?；隨著繼續(xù)開挖，深度達(dá)到5 m時(shí)由于墻后主動(dòng)土壓力作用，樁體水平位移又變?yōu)橹赶蚩觾?nèi)；開挖至8 m時(shí)，樁身位移的變化將主要發(fā)生于基巖面下方，上方基本不變。原因可能是預(yù)留巖肩寬度較小，無法提供足夠嵌固力；開挖至基坑底（20 m深度）時(shí)，樁腳水平位移達(dá)到最大值（1. 97 mm）。

圖5　吊腳樁樁身水平位移變化曲線

總體而言：①支護(hù)樁水平位移始終保持在較小值，基坑變形控制良好；②每一道開挖工況都使樁頂和樁底水平位移有一定增大，每一道鎖腳錨桿的施作都對(duì)樁頂和樁底的水平位移產(chǎn)生了有效控制；③吊腳樁嵌入中風(fēng)化巖中深度雖小，但也對(duì)樁底水平位移有明顯約束作用。

3. 3. 2吊腳樁樁身彎矩和剪力

由吊腳樁樁身彎矩和剪力變化曲線（圖6）可知：隨基坑開挖深度的增加，吊腳樁樁身最大彎矩的位置不斷下移。開挖和施工預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)于樁體上部彎矩及剪力無明顯影響，由于第1道預(yù)應(yīng)力錨桿預(yù)應(yīng)力較大，故對(duì)樁體變形的控制作用明顯。開挖至5 m時(shí)，樁深4 m處出現(xiàn)彎矩最大值，下部錨桿對(duì)最大彎矩的影響很小。施工樁腳錨桿使嵌巖部分的彎矩、剪力瞬間由正變負(fù)。開挖樁腳后，彎矩呈減小趨勢(shì)，嵌巖處剪力隨著開挖加深而減小，證明了樁腳錨桿對(duì)彎矩、剪力有控制作用。

圖6　吊腳樁樁身彎矩和剪力變化曲線

4　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1監(jiān)測(cè)方案

為對(duì)吊腳樁基坑實(shí)際施工中的受力變形特征進(jìn)行研究，對(duì)五四廣場(chǎng)車站基坑的吊腳樁樁體深層水平位移、樁頂豎向位移、地表沉降等項(xiàng)目進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)［12］。監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布設(shè)見圖7。

圖7　監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布設(shè)

4.2監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

地表沉降變形曲線（圖8）呈漏斗形。時(shí)間上隨著開挖深度增加，沉降不斷變大，空間上沉降槽底部出現(xiàn)在距離基坑邊約9. 2 m（約0. 46H，H為基坑開挖深度）處，地表最大沉降量約為- 18 mm（約0. 92‰H）。

由吊腳樁樁體深層水平位移累計(jì)變化曲線（圖9）可以看出：隨著基坑的開挖，樁體變形逐漸增大?；娱_挖至2 m時(shí)，由于開挖深度淺和樁體暴露時(shí)間短，樁身變形相對(duì)較小；蓋板及臨時(shí)支撐施工期間，開挖暴露時(shí)間長，樁體變形顯著增大。施工錨索及巖石錨桿期間，樁體變形繼續(xù)加大；開挖至坑底后，墊層及時(shí)澆筑，在澆筑期間樁體位移略有變化并趨于穩(wěn)定。全過程中樁體最大水平位移值約為6 mm，始終處于安全狀態(tài)。

將蓋挖法基坑吊腳樁的樁身水平位移與文獻(xiàn)［13］中明挖基坑吊腳樁樁身水平位移對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者變化規(guī)律基本相似，但蓋挖法基坑吊腳樁樁身最大水平位移量為明挖基坑吊腳樁樁身最大水平位移量（10 ～15 mm）的60％左右。這是由于蓋挖法基坑上方蓋板和中央鋼管混凝土柱的豎向荷載，對(duì)基坑整體穩(wěn)定性有比較大的積極作用。

圖8　地表沉降變形曲線（DC23-01～DC23-06）

圖9　吊腳樁樁體（CX23）深層水平位移累計(jì)變化曲線

5　結(jié)語

1）五四廣場(chǎng)站采用蓋挖法施工，車站西段巖面較高，主體支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+錨索的吊腳樁支護(hù)形式，樁體嵌巖深度和巖肩預(yù)留寬度均為2 m，土層和巖層采用不同方法計(jì)算基坑受力。

2）樁頂水平位移最大值為2. 05 mm，樁腳水平位移最大值為1. 97 mm；鎖腳錨桿對(duì)樁頂和樁底水平位移控制有效；吊腳樁嵌入中風(fēng)化巖對(duì)樁底水平位移有一定約束；預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)樁體控制作用明顯；從開挖樁腳至基坑完成，彎矩值整體呈減小趨勢(shì)；嵌巖面處剪力隨著開挖加深而減小。

3）開挖至坑底時(shí)，出現(xiàn)支護(hù)樁最大水平位移值（約6 mm）；由于蓋挖法基坑上方蓋板和中央鋼管混凝土柱的作用，支護(hù)樁水平位移（約6 mm）明顯小于相似地層中明挖基坑支護(hù)樁水平位移（10～15 mm）；坑外地表沉降分布呈漏斗形，距基坑邊0. 46H處出現(xiàn)地表最大沉降量（約0. 92‰H）?；痈鞅O(jiān)控量均控制在安全值內(nèi)，證明吊腳樁支護(hù)形式在土巖組合地層的蓋挖基坑中具有良好的適用性，可供其他類似工程參考。

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（責(zé)任審編葛全紅）

Study on Applicability of End-suspended Pile Support to Foundation Pit in Soil-rock Mixed Stratum for Metro Station Using Top-down Method

LIU Jiang
（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710043，China）

AbstractT he foundation pit of M ay 4th square station in Qingdao metro line 3 is located in soil-rock mixed stratum and supported by the end-suspended pile，and the top-down method was used in metro station construction. Both the stress and deformation of end-suspended pile and the influence of station roof and central steel tube concrete column on foundation pit deformation were analyzed by finite element calculation and in-situ monitoring. T he results show that maximum horizontal displacement of pile top and pile foot is controlled within 2 mm，the design of lock foot anchor and pile foot embedded in weathered rock has an obvious effect on the control of pile foot displacement，pile bending moment and shear force decrease with the excavation depth increasing，the maximum horizontal displacement of support pile is lesser（about 6 mm）due to the rule of the cover plate above foundation pit and the central steel tube concrete column，a maximum surface settlement which is 0. 92‰H appears at 0. 46H from foundation pit edge，where H is the foundation pit excavation depth，the settlement distribution is like funnel shape，and the excavation construction of foundation pit is in a safe and stable state，which means that the end-suspended pile support applicability of metro station foundation pit with the top-down method in soil-rock mixed stratum is good.

Key wordsSoil-rock mixed stratum；End-suspended pile；T op-down method；Finite element method；In-situ monitoring

中圖分類號(hào)U416. 1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 27

文章編號(hào)：1003-1995（2016）05-0120-06

收稿日期：2015-09-07；修回日期：2016-03-10

作者簡(jiǎn)介：劉江（1982—），男，工程師，碩士。