鄰近嘉陵江和軌道交通的超限深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)分析

黃承忠，江立群，王智

（1 重慶中煤科工工程技術(shù)咨詢(xún)有限公司，重慶 400042；2 中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

隨著重慶山地城市建設(shè)的快速發(fā)展， 復(fù)雜工程地質(zhì)、 水文地質(zhì)條件的高邊坡、深基坑不斷涌現(xiàn)，特別是臨近長(zhǎng)江、嘉陵江和軌道交通的超限深基坑支護(hù)、地下水控制問(wèn)題日益凸顯，從而使超限基坑工程的系統(tǒng)性和復(fù)雜性與日劇增，社會(huì)效應(yīng)也越來(lái)越強(qiáng)[1]。 本文通過(guò)工程實(shí)例，探討超限深基坑在設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題和解決措施，提出了采用具有重慶地區(qū)山地地質(zhì)特點(diǎn)的“門(mén)字形雙排樁+樁間兩排高壓旋噴樁止水帷幕” 的聯(lián)合支擋結(jié)構(gòu)，運(yùn)用工程類(lèi)比法、規(guī)范法、數(shù)值分析法、第三方安全評(píng)估和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法進(jìn)行了支護(hù)設(shè)計(jì)和效果評(píng)價(jià)， 可為類(lèi)似超限深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 基坑邊坡及軌道交通概況

工程位于重慶市主城區(qū)嘉陵江南岸，基坑邊坡周邊環(huán)境條件復(fù)雜，建（構(gòu)）筑物及管網(wǎng)分布密集。 其中北側(cè)基坑邊坡長(zhǎng)125m，最大高度19m，為土質(zhì)基坑邊坡，基坑側(cè)壁主要為雜填土、粉質(zhì)黏土，支護(hù)結(jié)構(gòu)距離既有軌道交通約26m，位于軌道交通保護(hù)區(qū)內(nèi)，距離濱江路約15m，距離嘉陵江約70m，詳見(jiàn)圖1。

圖1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)典型剖面圖

既有軌道交通為跨坐式單軌，工程段采用高架橋，群樁基礎(chǔ)，四樁承臺(tái)，樁基礎(chǔ)直徑1.2m，長(zhǎng)約30m，嵌入中風(fēng)化巖體深度4m。

1.2 邊坡工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地位于嘉陵江南岸，原地形為河岸陡坡地帶，基巖面向嘉陵江傾斜，坡度約25°～40°，修建濱江路時(shí)已回填平整。邊坡覆蓋層為第四系全新統(tǒng)人工雜填土層（Q4ml）、沖洪積粉質(zhì)黏土層(Q4al+pl)，厚度18～28m，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖夾砂巖。 受長(zhǎng)江三峽大壩調(diào)度影響， 嘉陵江常年水位在145～175m 之間波動(dòng)， 設(shè)計(jì)洪水位按五年一遇洪水位184.88 m 考慮，基坑底部高程為169.50m?；舆吰碌谒南邓缮⒖紫端撍┴S富，與嘉陵江水位聯(lián)系密切。

1.3 巖土參數(shù)取值

邊坡安全等級(jí)為一級(jí)，為臨時(shí)基坑邊坡，使用年限為2 年，穩(wěn)定安全系數(shù)取1.25。 其余參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 邊坡巖土體參數(shù)

重慶地區(qū)通常采用粉質(zhì)黏土的直接快剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算填土沿巖土界面或粉質(zhì)黏土界面滑動(dòng)的穩(wěn)定性及剩余下滑力，因此地勘報(bào)告往往只提供粉質(zhì)黏土直接快剪強(qiáng)度參數(shù)。 該工程的粉質(zhì)黏土為正常固結(jié)土，采用直接快剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算的土壓力明顯偏保守和不經(jīng)濟(jì)，且與文獻(xiàn)[2-3]要求也不一致。

（4） 支護(hù)結(jié)構(gòu)位置巖土界面陡傾的問(wèn)題

基坑邊坡原地形為河岸陡坡，基巖面起伏大，達(dá)25°～40°，局部為陡坎，且存在孤石和漂石，可能導(dǎo)致支護(hù)樁的設(shè)計(jì)嵌固位置與實(shí)際不一致或誤將孤石和漂石誤判為基巖，存在較大的安全隱患。

（5） 變形控制問(wèn)題

工程支護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂允許位移為30mm， 軌道交通管理部門(mén)要求運(yùn)營(yíng)中墩臺(tái)的水平、豎向最大可調(diào)位移按5mm 控制，常規(guī)設(shè)計(jì)方法只能獲得支擋結(jié)構(gòu)自身內(nèi)力和變形情況，軌道結(jié)構(gòu)的變形卻不得而知。

2 設(shè)計(jì)問(wèn)題探討及支護(hù)方案的確定

2.1 主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)分析

（1） 基坑邊坡破壞后果嚴(yán)重：坡頂存在軌道交通、濱江路、箱涵、管網(wǎng)等重要保護(hù)對(duì)象，支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性及變形控制要求嚴(yán)格。

（2） 基坑邊坡高度大、工程地質(zhì)條件差：邊坡高度達(dá)19m，放坡條件有限；原始地貌為河岸陡坡地帶，基巖面向嘉陵江傾斜，修建濱江路時(shí)已回填平整，現(xiàn)狀主要為松散雜填土層、沖洪積粉質(zhì)黏土層，厚度18～28m。

（3） 水文地質(zhì)條件復(fù)雜：松散雜填土為強(qiáng)透水層，基坑坑底比設(shè)計(jì)洪水位低15.32m，水壓力大，對(duì)止水帷幕的要求高。

2.2 設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題

（1） 地下水控制問(wèn)題

基坑邊坡面臨地下水豐富、設(shè)計(jì)水頭大且工程地質(zhì)條件復(fù)雜等突出問(wèn)題， 因此地下水控制問(wèn)題為本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一，然而在重慶地區(qū)雜填土層和含孤石的粉質(zhì)黏土層中實(shí)施止水帷幕少有經(jīng)驗(yàn)可循。

（2） 支護(hù)形式選擇問(wèn)題

坡頂具有重要構(gòu)筑物的土質(zhì)邊坡，重慶地區(qū)通常采用抗滑樁或抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨索兩種支護(hù)形式。 該工程基坑邊坡高度17～19m，若采用抗滑樁，懸臂長(zhǎng)度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致樁頂位移偏大，樁的可靠性降低且造價(jià)高；基坑邊坡原地形為河岸陡坡，基巖面整體向嘉陵江傾斜，預(yù)應(yīng)力錨索不能以中等風(fēng)化基巖作為錨固段，因此抗滑樁+預(yù)應(yīng)力錨索的結(jié)構(gòu)型式也不適用。

（3） 粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值問(wèn)題

2.3 解決措施

（1） 針對(duì)問(wèn)題（1）和問(wèn)題（2），筆者通過(guò)調(diào)查研究、比選和類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，最終提出了采用“門(mén)字形雙排樁+樁間兩排高壓旋噴樁止水帷幕”的聯(lián)合支擋結(jié)構(gòu)[4]。 “門(mén)字形雙排樁”和“止水帷幕”在重慶基坑邊坡中應(yīng)用較少，但沿海地區(qū)應(yīng)用較多。 “門(mén)字形雙排樁+樁間兩排高壓旋噴樁止水帷幕”的聯(lián)合支擋結(jié)構(gòu)，在借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又與沿海地區(qū)雙排樁明顯不同： ①該工程基坑底部以下存在強(qiáng)度較高的基巖，嵌固段位于中等風(fēng)化基巖時(shí)可提供較大的水平承載力，這與沿海軟土地區(qū)雙排樁結(jié)構(gòu)迥異；②沿海地區(qū)雙排樁和止水帷幕一般各為一個(gè)體系，本次設(shè)計(jì)將高壓旋噴止水帷幕設(shè)置在門(mén)字形雙排樁中間，形成共同支擋體系，其不僅能明顯增大支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平剛度、降低內(nèi)力，還能較好控制基坑變形、降低造價(jià)，并具備結(jié)構(gòu)可靠、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)。 該設(shè)計(jì)與樁錨體系相比，工期更短，工期風(fēng)險(xiǎn)較低；與內(nèi)支撐相比，造價(jià)更低，省時(shí)省力，施工更簡(jiǎn)單。

（2） 針對(duì)問(wèn)題（3）和問(wèn)題（4），考慮到保護(hù)對(duì)象的重要性及相關(guān)規(guī)范[5]的要求，設(shè)計(jì)提出對(duì)支擋結(jié)構(gòu)位置的旋挖成孔灌注樁進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探（間隔1 根樁實(shí)施1 個(gè)鉆孔），并將其提前至施工圖設(shè)計(jì)階段實(shí)施， 重新采取試樣質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)的粉質(zhì)黏土樣，進(jìn)行室內(nèi)天然、飽和固結(jié)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。 從表2 可知，設(shè)計(jì)最終采用的粉質(zhì)黏土固結(jié)快剪強(qiáng)度參數(shù)明顯高于直接快剪強(qiáng)度參數(shù)，相應(yīng)的土壓力由753 kN/m 降低為555kN/m （以圖1 中的典型剖面為例），減少了26%，工程造價(jià)也得到了明顯降低。

表2 粉質(zhì)黏土直接快剪與固結(jié)快剪參數(shù)和土壓力對(duì)比表

（3） 針對(duì)問(wèn)題（5），該工程除采用常規(guī)的理正深基坑軟件計(jì)算外，還結(jié)合數(shù)值模擬分析、第三方安全評(píng)估和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)。

（4） 其它關(guān)鍵控制措施：①旋噴止水帷幕工藝試驗(yàn)。 旋噴止水帷幕的施工工藝是確保止水帷幕成功的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)要求在施工帷幕前先進(jìn)行工藝試驗(yàn)，以確定工藝參數(shù)和止水效果；②施工順序確定。 為避免施工擾動(dòng)對(duì)止水帷幕造成破壞，影響止水效果，設(shè)計(jì)先按“跳樁法”施工支護(hù)樁，再施工高壓旋噴樁，支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%后才能按“至上而下、分段分層、及時(shí)施工樁間擋土板”的逆作法施工順序進(jìn)行基坑開(kāi)挖，同時(shí)要求選擇嘉陵江低水位期進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工；③監(jiān)測(cè)要求。 具有資質(zhì)的第三方測(cè)量單位對(duì)保護(hù)對(duì)象、邊坡、支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，堅(jiān)持動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工原則。

2.4 支護(hù)方案的確定及內(nèi)力分析

按照上述解決方法，經(jīng)分析計(jì)算，門(mén)字形雙排樁的前排樁和后排樁樁徑均為1.8m，通過(guò)剛架梁連接，樁中心距為3m，前排樁與后排樁的排距3.6m，樁嵌入中等風(fēng)化基巖長(zhǎng)度不小于8m；前排樁與后排樁的中間采用兩排有效樁徑不小于1.0m 的高壓旋噴樁止水帷幕相互套接，套接長(zhǎng)度0.35m，高壓旋噴樁底部進(jìn)入中等風(fēng)化基巖相對(duì)隔水層，在空間上圍合成一個(gè)閉合的止水帷幕，支護(hù)方案見(jiàn)圖1。

前排樁與后排樁的彎矩圖、剪力圖分別見(jiàn)圖2 和圖3，從圖中可知，前排樁彎矩最大值為11596kN·m，剪力最大值為2902 kN，后排樁彎矩最大值為9838 kN·m，剪力最大值為1839 kN。前排樁與后排樁的彎矩和剪力分布趨于一致，證明了門(mén)字形雙排樁與兩排高壓旋噴止水帷幕形成了共同的支擋體系，更加協(xié)調(diào)一致。

圖2 前排樁彎矩圖、剪力圖

圖3 后排樁彎矩圖、剪力圖

3 對(duì)既有軌道結(jié)構(gòu)的安全影響及監(jiān)測(cè)分析

3.1 安全影響分析

第三方評(píng)估單位針對(duì)基坑邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)既有軌道的影響進(jìn)行了安全評(píng)估，基坑邊坡按本次支護(hù)設(shè)計(jì)施工后，基坑邊坡、支護(hù)結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)的變形圖見(jiàn)圖4、圖5，輕軌樁基礎(chǔ)的彎矩、剪力圖見(jiàn)圖6。 從圖中可知， 門(mén)字形雙排樁樁頂最大側(cè)向位移為6.5mm，滿足要求；軌道最大側(cè)向位移為2.5mm，滿足要求；軌道樁基礎(chǔ)的彎矩最大為117.9 kN·m，滿足要求。 因此該項(xiàng)目在嚴(yán)格按設(shè)計(jì)實(shí)施的條件下，對(duì)既有軌道結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)營(yíng)影響小。

圖4 基坑開(kāi)挖后位移圖

圖5 基坑開(kāi)挖后雙排樁和輕軌變形圖

圖6 基坑開(kāi)挖后輕軌樁基礎(chǔ)彎矩圖、剪力圖

3.2 變形監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

工程在施工期間和竣工完成后的兩年內(nèi)委托了有資質(zhì)的單位進(jìn)行專(zhuān)門(mén)監(jiān)測(cè)。 監(jiān)測(cè)時(shí)間為2017 年3 月2 日—2020 年4 月12日，雙排樁累計(jì)水平位移最大值為2.3mm，累計(jì)豎向位移最大值為2.2mm，最大側(cè)向位移3.2mm；軌道結(jié)構(gòu)累計(jì)水平位移最大值為2.3mm，累計(jì)豎向位移最大值為2.7mm，最大側(cè)向位移3.5mm。從監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的變形均受到了嚴(yán)格的控制，支護(hù)效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)基于軌道交通保護(hù)的臨江超限深基坑工程實(shí)例，在分析邊坡風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和難點(diǎn)的基礎(chǔ)上， 對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨的地下水控制、支護(hù)形式選擇、參數(shù)取值、變形控制等問(wèn)題進(jìn)行了深入探討，提出了保證軌道交通和超限高邊坡安全的解決方法，然后依據(jù)解決方法提出了采用具有重慶地區(qū)山地地質(zhì)特點(diǎn)的 “門(mén)字形雙排樁+樁間兩排高壓旋噴樁止水帷幕” 的聯(lián)合支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)。 工程于2018 年4 月竣工驗(yàn)收，目前主體建筑已修建完成，且已采用地下室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了永久性支擋，監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明支護(hù)結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)位移得到了較好的控制，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可為類(lèi)似超限深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的參考。