衡重式雙排樁與大跨度支撐在填海區(qū)超大基坑支護(hù)中的應(yīng)用

祁孜威 徐玉勝 顧問(wèn)天 龐小朝 溫繼偉

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東深圳 518000；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059）

填海造地是沿海大型城市拓展土地空間的一項(xiàng)重要手段。新近填海區(qū)的深厚欠固結(jié)淤泥層分布不均，力學(xué)性能差［1］。在該類(lèi)地層中的超大、超深基坑工程對(duì)設(shè)計(jì)、施工提出新的挑戰(zhàn)。針對(duì)填海區(qū)傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)制約建設(shè)工期的難題，馬馳等［2］提出的咬合樁+錨碇、錨索的支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于周邊環(huán)境開(kāi)放且錨索施工無(wú)限制的基坑；劉唱曉［3］認(rèn)為雙排樁的門(mén)架式結(jié)構(gòu)可以提供很大的側(cè)向剛度，對(duì)8 m 深以?xún)?nèi)的基坑控制變形效果較好；應(yīng)宏偉等［4］對(duì)雙排樁帶撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，認(rèn)為支撐剛度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響顯著；顧問(wèn)天等［5］提出的衡重式雙排樁結(jié)構(gòu)可以在深度15 m 以?xún)?nèi)不采用任何支錨形式，獨(dú)立自穩(wěn)，但其應(yīng)用于填海區(qū)基坑變形較大。

本文以深圳國(guó)際會(huì)展中心項(xiàng)目（一期）超大深基坑工程設(shè)計(jì)為例，提出衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)重難點(diǎn)及解決措施、支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析等關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

深圳國(guó)際會(huì)展中心項(xiàng)目（一期）位于深圳市寶安區(qū)大空港片區(qū)，總建筑面積160 萬(wàn)m2。該項(xiàng)目2 層地下室區(qū)域基坑（圖1）位于擬建中央廊道和南北登錄大廳下。

圖1 深圳國(guó)際會(huì)展中心項(xiàng)目（一期）平面示意

其中，中央廊道區(qū)域基坑長(zhǎng)1 730.0 m，寬90.7 m；南登錄大廳區(qū)域基坑長(zhǎng)430.3 m，寬158.2 m；北登錄大廳區(qū)域基坑長(zhǎng)229.0 m，寬137.7 m。2 層地下室區(qū)域基坑總開(kāi)挖面積約27 萬(wàn)m2，基坑開(kāi)挖深度10 m，基坑兩側(cè)均為待建展廳。

1.2 工程地質(zhì)條件

項(xiàng)目場(chǎng)地原始地貌主要為河涌和魚(yú)塘，后經(jīng)人工堆填土形成陸域。土地整備階段軟基處理設(shè)計(jì)采用排水固結(jié)法，由于土地整備時(shí)間有限，項(xiàng)目?jī)H南部1/3左右的場(chǎng)地淤泥層進(jìn)行過(guò)排水固結(jié)處理，其余大部分場(chǎng)地的淤泥均未進(jìn)行任何排水固結(jié)或固化處理，僅填土覆蓋?；庸こ踢M(jìn)場(chǎng)時(shí)項(xiàng)目場(chǎng)地仍處于堆填、卸載等多重工程交叉作業(yè)階段?；又ёo(hù)涉及土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 基坑設(shè)計(jì)方案

2.1 重難點(diǎn)及對(duì)策

2.1.1 基坑支護(hù)方案比選

項(xiàng)目建設(shè)時(shí)間限定為2年。由于上部結(jié)構(gòu)施工工期可壓縮性較小，基坑土石方外運(yùn)效率是制約工期的關(guān)鍵因素。為保證無(wú)干擾持續(xù)出土，基坑應(yīng)選擇無(wú)支撐或少支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)常用的基坑支護(hù)方案進(jìn)行比選［6］，見(jiàn)表2。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)綜合比選

基坑工程施工前，中央廊道兩側(cè)展廳的基礎(chǔ)管樁已經(jīng)施工完成，場(chǎng)地不具備打錨索條件，以出土效率為主導(dǎo)因素，優(yōu)先選擇衡重式雙排樁。綜合考慮變形控制，采用衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.1.2 淤泥強(qiáng)度指標(biāo)取值

由于建設(shè)工期緊張，場(chǎng)地大部分區(qū)域淤泥未經(jīng)排水固結(jié)處理，前期試樁過(guò)程中發(fā)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)淤泥層力學(xué)性質(zhì)較差，部分區(qū)域淤泥仍處于流塑狀態(tài)。基坑工程體量巨大，合理選取淤泥層的強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)保證基坑安全、分區(qū)精細(xì)設(shè)計(jì)、節(jié)省工程造價(jià)有重要意義。因此采用TB 10018—2018《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》推薦的方法，根據(jù)十字板原位試驗(yàn)結(jié)果換算淤泥層的實(shí)際抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，見(jiàn)表3。

表3 淤泥層換算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

2.1.3 軟土基坑變形控制

場(chǎng)地大部分區(qū)域基底以下仍為軟土層，被動(dòng)區(qū)抗力不足，會(huì)造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力大，圍護(hù)樁嵌固深度大，經(jīng)濟(jì)性差。通過(guò)三軸水泥土攪拌樁加固，可有效減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和地表沉降。因此采用直徑0.65 m、軸間距0.45 m的三軸水泥土攪拌樁對(duì)基坑被動(dòng)區(qū)予以加固，攪拌樁布置形式為格柵式（2 m×2 m），加固寬度為坑底軟土層厚度的3 倍［7］，加固后土體的黏聚力為15 kPa，內(nèi)摩擦角為15°。

2.2 設(shè)計(jì)方案

衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)中，衡重式雙排樁由L形衡重臺(tái)、前排樁、后排樁組成。其中水平連接板寬6.7 m，厚1.1 m；擋板高4.0 m，厚0.4 m。雙排樁前后排距5.0 m，前排樁為直徑1.2 m 咬合樁，間距2.0 m，葷素咬合尺寸0.2 m，擋土又兼作截水帷幕；后排樁為直徑1.2 m旋挖灌注樁，間距4.0 m?；娱_(kāi)挖深度約10.0 m，前后排樁等長(zhǎng)，雙排樁嵌固深度10～13 m，如圖2所示。

圖2 基坑支護(hù)示意

基坑工程施工工序?yàn)椋孩僭诘孛媸┕ぜ庸虆^(qū)三軸水泥土攪拌樁；②施工前排咬合樁及后排旋挖樁；③土方開(kāi)挖至樁頂標(biāo)高，施工連接板和擋板；④回填衡重臺(tái)土方，施工大跨度支撐結(jié)構(gòu)；⑤基坑內(nèi)土方分區(qū)開(kāi)挖到底；⑥底板傳力結(jié)構(gòu)施工完成后拆除支撐。

2.3 衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

參考衡重式雙排樁的設(shè)計(jì)計(jì)算模型［8］，增加大跨度支撐的等效剛度KH，得到衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3 衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算模型

2.3.1 大跨度支撐剛度計(jì)算

支護(hù)體系的等效剛度是由水平連接板側(cè)向剛度和大跨度支撐支點(diǎn)剛度共同作用產(chǎn)生的綜合剛度，計(jì)算時(shí)需將二者結(jié)合起來(lái)。

每榀大跨度支撐結(jié)構(gòu)可獨(dú)立看成一個(gè)整體，單榀大跨度支撐結(jié)構(gòu)剛度KT計(jì)算式為［9］

式中：E為支撐的彈性模量；A為計(jì)算寬度內(nèi)支撐的橫截面面積；L為支撐計(jì)算長(zhǎng)度，取開(kāi)挖寬度的一半。

衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)綜合剛度計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 綜合剛度計(jì)算模型

在平面水平支撐體系的連接板側(cè)向上施加與其垂直的單位分布荷載P=1 kN/m，求得連接板上各結(jié)點(diǎn)的平均位移δ（與連接板方向垂直的位移），則衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)等效剛度KH為10］

2.3.2 大跨度支撐間距優(yōu)選

為合理選擇大跨度支撐間距，采用SAP2000 有限元軟件計(jì)算不同間距下的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5（a）、圖5（b）可知，隨著支撐間距的減小，水平位移逐漸減小，最大位移點(diǎn)逐漸由樁頂向樁身中部轉(zhuǎn)移。

由圖5（c）、圖5（d）可知，隨著支撐間距的減小，前、后排樁樁身彎矩不斷減小，前排樁樁身負(fù)彎矩最大值點(diǎn)不斷下移，樁頂逐漸產(chǎn)生正彎矩，前排樁彎矩變化幅度比后排樁大。

圖5 不同支撐間距下結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力

由圖 5（e）、圖 5（f）可知，隨著支撐間距的減小，前、后排樁樁身正向剪力不斷減小，負(fù)向剪力不斷增大。

支撐間距與無(wú)干擾面積占比、結(jié)構(gòu)水平位移關(guān)系曲線見(jiàn)圖6?？芍S著支撐間距的減小，結(jié)構(gòu)水平位移不斷減小，基坑無(wú)干擾面積占比不斷增加。合適的支撐間距應(yīng)兼顧控制變形和出土便利性，大跨度內(nèi)支撐間距60～70 m時(shí)結(jié)構(gòu)水平位移可控制在20～40 mm。

圖6 支撐間距與無(wú)干擾面積占比、結(jié)構(gòu)水平位移關(guān)系曲線

綜合考慮，項(xiàng)目基坑支撐間距取70 m，平面布置如圖7所示。

圖7 基坑工程平面布置示意

3 三維有限元模擬分析

衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)充分利用了空間效應(yīng)。采用Plaxis 3D 巖土工程三維有限元分析軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形計(jì)算。

土的本構(gòu)模型采用HS（Hardening-Soil）模型，前排咬合樁采用板單元模擬（將排樁等效為相同抗彎剛度的板），后排樁采用Embedded 樁單元模擬，參數(shù)見(jiàn)表4。衡重臺(tái)、支撐板采用板單元模擬，支撐梁采用梁?jiǎn)卧M。

表4 雙排樁材料參數(shù)

由于項(xiàng)目基坑形狀規(guī)則，受力模式比較清晰，出于簡(jiǎn)化模型考慮，選取淤泥層較深厚的中央廊道區(qū)域建立模型，如圖8 所示，模型尺寸為200 m×200 m×40 m。

圖8 整體模型

計(jì)算過(guò)程設(shè)定2種工況。工況一為基坑正常開(kāi)挖到底；工況二為地下室底板施工完成拆除支撐。工況一、工況二水平位移分別見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 工況一水平位移云圖

圖10 工況二水平位移云圖

由圖9可知，基坑開(kāi)挖到底，支護(hù)結(jié)構(gòu)總體上為傾覆式變形，平面上支撐支點(diǎn)處水平位移小，連接板相鄰兩榀支撐間的中心處水平位移大，水平位移最大值為35.8 mm，位于擋板頂部。

由圖10 可知，地下室底板施工完成后拆除大跨度支撐，結(jié)構(gòu)水平位移最大值由35.8 mm 增加至39.2 mm，基坑整體安全穩(wěn)定。

4 施工效果

該項(xiàng)目基坑工程于2017 年11 月開(kāi)始挖除第一層土方，施工大跨度支撐結(jié)構(gòu)，2018年1月底基坑已大面積開(kāi)挖到底，近300萬(wàn)m3的土方開(kāi)挖僅用時(shí)3個(gè)月，日均出土量3萬(wàn)m3。

基坑水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在擋板頂部（布置間距20 m），以中央廊道B8 區(qū)域基坑為例，該區(qū)域已于2018 年1 月20 日開(kāi)挖到底，水平位移實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖11。可知，坑頂變形趨勢(shì)為向坑內(nèi)偏移，基坑開(kāi)挖階段累計(jì)最大水平位移為37.2 mm，其余點(diǎn)位累計(jì)位移介于15.0～32.5 mm。實(shí)測(cè)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果基本一致，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案合理可行。

圖11 B8坑頂水平位移實(shí)測(cè)值

5 結(jié)論

1）深厚欠固結(jié)淤泥層的填海場(chǎng)地中，超大深基坑采用衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)控制變形能力較強(qiáng)，土方外運(yùn)效率高。

2）支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移隨支撐間距的減小而減小，最大位移點(diǎn)逐漸由樁頂向樁身中部轉(zhuǎn)移。

3）支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩隨支撐間距的減小而減小，前排樁樁身負(fù)彎矩最大值點(diǎn)不斷下移，樁頂逐漸產(chǎn)生正彎矩，前排樁彎矩變化幅度比后排樁大。

4）隨著支撐間距的減小，前、后排樁樁身正向剪力不斷減小，負(fù)向剪力不斷增大。

5）對(duì)于地層條件和基坑深度類(lèi)似的項(xiàng)目，可采用衡重式雙排樁結(jié)合大跨度支撐結(jié)構(gòu)，支撐的合理間距為60～70 m。