高低樁留土反壓結(jié)合中心島多級(jí)支護(hù)體系在臨地鐵深基坑中的應(yīng)用

汪 浩，劉雙橋，宋 志，程 康，周 欽，魏強(qiáng)強(qiáng)

(中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司, 湖北 武漢 430064)

0 引言

隨著城市地下空間的開(kāi)發(fā)，一系列規(guī)模大、難度高的深基坑工程順利實(shí)施，我國(guó)的深基坑工程設(shè)計(jì)和施工技術(shù)不斷進(jìn)步。有針對(duì)性地對(duì)特定類型的深基坑工程進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到節(jié)約造價(jià)、加快建設(shè)速度的目的，成為近年來(lái)深基坑工程設(shè)計(jì)和施工的熱點(diǎn)。懸臂多級(jí)支護(hù)技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的新型節(jié)約型支護(hù)技術(shù)，多級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)主要指較大、較深的基坑工程采用的多種不同形式的分級(jí)開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)。多級(jí)支護(hù)體系在方案合理情況下，次級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效抑制主要支護(hù)結(jié)構(gòu)被動(dòng)區(qū)塑性剪切帶的展開(kāi)，各級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同工作能力良好，整體穩(wěn)定性強(qiáng)。但若基坑開(kāi)挖深度較大，采用懸臂式分級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，容易出現(xiàn)第一級(jí)支護(hù)深度較大、位移難以有效控制的情況。

武漢夢(mèng)時(shí)代廣場(chǎng)項(xiàng)目深基坑長(zhǎng)450m，寬240m，北側(cè)緊鄰軌道交通2號(hào)線寶通寺站站房，開(kāi)挖深度達(dá)17.8m。北側(cè)整體的支護(hù)方案為3級(jí)留土反壓+結(jié)構(gòu)支撐，但地鐵寶通寺站B出口風(fēng)亭區(qū)域距離地上結(jié)構(gòu)較近，若采用整體方案中的3級(jí)留土反壓+結(jié)構(gòu)支撐，則會(huì)導(dǎo)致留土區(qū)域與地上結(jié)構(gòu)邊線沖突，導(dǎo)致后期結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度受到影響(見(jiàn)圖1)。為了避讓地上結(jié)構(gòu)，避免地下結(jié)構(gòu)施工滯后影響地上結(jié)構(gòu)施工，造成整體進(jìn)度緩慢，減少反壓土寬度至12.65m，又將導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移增大，不滿足規(guī)范要求?；诖藛?wèn)題，項(xiàng)目設(shè)計(jì)方及總包單位對(duì)方案進(jìn)行了多次研究和論證，最終采用了“高低樁+樁頂斜撐+多級(jí)支護(hù)+坑內(nèi)預(yù)留土+結(jié)構(gòu)樓板支撐”支護(hù)體系，經(jīng)工程實(shí)踐證明，該方案滿足工程實(shí)際需求。

圖1 3級(jí)留土剖面示意

1 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工藝原理

主動(dòng)土壓力作用于第1排高位樁，高位樁通過(guò)樁及樁頂斜撐形成的支護(hù)體系達(dá)到樁撐支護(hù)的位移控制效果，斜撐將支撐力傳遞至第2排低位樁，形成作用于低位樁的水平和豎向作用力。通過(guò)對(duì)不同斜撐角度下的支護(hù)體系進(jìn)行變形分析，在水平力足夠大于豎向力情況下，支護(hù)樁變形控制和穩(wěn)定性控制得到加強(qiáng)，特別是第1排高位樁的變形減少比較明顯。

高低樁頂部設(shè)置斜撐效果分析如圖2所示。

圖2 高低樁頂部設(shè)置斜撐效果分析

1)設(shè)置樁頂斜撐后，第1排高位樁由懸臂樁結(jié)構(gòu)變?yōu)闃稉谓Y(jié)構(gòu)，位移控制效果得到提高，第2排低位樁由于斜撐桿件豎向力的作用，結(jié)構(gòu)位移不會(huì)發(fā)生大的改變，因高低樁通過(guò)斜撐形成的整體連接，使得支護(hù)體系整體穩(wěn)定性安全系數(shù)大幅提高。

2)低位樁樁頂彎矩也即最大負(fù)彎矩隨支撐到高位樁樁頂距離的增加而增大，由于斜撐水平分力增加，樁頂斜撐顯著增加了低位樁負(fù)彎矩，低位樁為懸臂式支護(hù)，表現(xiàn)出正彎矩為主的形態(tài)，當(dāng)高位樁傳遞給低位樁造成的負(fù)彎矩有限時(shí)，并不會(huì)影響低位樁的結(jié)構(gòu)配筋。

1.2 設(shè)計(jì)方案

“高低樁+樁頂斜撐+多級(jí)支護(hù)+坑內(nèi)預(yù)留土+結(jié)構(gòu)樓板支撐”支護(hù)體系如圖3所示。

圖3 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

2 施工工藝

2.1 總體施工流程

支護(hù)結(jié)構(gòu)由鉆孔灌注樁、預(yù)留土、斜撐桿件3部分組成。灌注樁部分包括高低樁、冠梁、樁間掛網(wǎng)噴混凝土；預(yù)留土部分包括預(yù)留土體及坡面噴混凝土掛網(wǎng)。支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后，隨主體結(jié)構(gòu)、換撐結(jié)構(gòu)的進(jìn)度挖除預(yù)留土方和拆除斜撐。整體施工流程：施工支護(hù)樁及高位樁冠梁→開(kāi)挖至低位樁平臺(tái)→施工低位樁冠梁及斜撐桿件→開(kāi)挖至基底，并按設(shè)計(jì)要求留土→施工底板斜撐，挖除留土→施工先做區(qū)地下結(jié)構(gòu)，并施工換撐結(jié)構(gòu)，拆除鋼管斜撐，回填先做區(qū)地下室肥槽→施工后做區(qū)地下結(jié)構(gòu)，回填后做區(qū)地下室肥槽。

2.2 施工工況

分為7個(gè)工況進(jìn)行施工，如圖4所示。

圖4 施工工況示意

1)工況1 支護(hù)樁及冠梁施工。支護(hù)樁采用旋挖鉆機(jī)施工，鉆孔樁垂直度允許偏差值0.5%，樁位允許偏差50mm；樁底成渣不應(yīng)大于50mm；采用隔樁施工方式，在灌注混凝土24h后進(jìn)行鄰樁成孔施工，并應(yīng)注意內(nèi)排低位支護(hù)樁的樁頂標(biāo)高控制。

2)工況2 留土開(kāi)挖、施工低樁冠梁和斜撐。為控制高位樁變形，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行留土反壓，支撐桿件定位誤差±20mm，均采用支撐節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)定位。

3)工況3 中心島式開(kāi)挖土方至基底，施工連梁，按設(shè)計(jì)要求留土反壓。土方開(kāi)挖應(yīng)遵循分層開(kāi)挖原則，留土反壓區(qū)按照要求留設(shè)坡度，并進(jìn)行噴錨支護(hù)。

4)工況4 施工底板鋼管斜撐，應(yīng)注意底板與鋼管斜撐交接處節(jié)點(diǎn)施工，斜撐施工完成后，挖除留土反壓區(qū)預(yù)留土。

5)工況5 施工先做區(qū)地下室結(jié)構(gòu)，由于設(shè)置有鋼管斜撐，該斜撐穿過(guò)大量地下室結(jié)構(gòu)，需按要求設(shè)置鋼管斜撐穿地下室結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。

6)工況6 施工高低樁區(qū)域樓板換撐，換撐強(qiáng)度達(dá)到后拆除鋼管斜撐，對(duì)穿樓板區(qū)域按照節(jié)點(diǎn)施工完善。

7)工況7 對(duì)先做區(qū)地下室結(jié)構(gòu)進(jìn)行肥槽回填，并施工后做區(qū)地下室結(jié)構(gòu)，最后對(duì)后做區(qū)地下室結(jié)構(gòu)肥槽進(jìn)行回填，地下室結(jié)構(gòu)施工完成。

2.3 施工關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

夢(mèng)時(shí)代廣場(chǎng)北側(cè)基坑臨近地鐵寶通寺站B出口風(fēng)亭區(qū)域，因設(shè)置鋼管斜撐導(dǎo)致產(chǎn)生底板交接處節(jié)點(diǎn)和大量穿樓板節(jié)點(diǎn)。其中2個(gè)典型節(jié)點(diǎn)如下。

1)鋼斜撐與底板交接處節(jié)點(diǎn) 重點(diǎn)注意底板施工時(shí)預(yù)留好節(jié)點(diǎn)鋼筋，底板混凝土強(qiáng)度達(dá)到5MPa即可在底板上支設(shè)節(jié)點(diǎn)模板，預(yù)埋支撐墊板(見(jiàn)圖5)。

圖5 鋼斜撐與底板交接處節(jié)點(diǎn)

2)鋼斜撐與外墻交接處節(jié)點(diǎn) 斜撐與結(jié)構(gòu)板、墻交接面處為橢圓，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際預(yù)留洞應(yīng)做成矩形，外墻處應(yīng)埋設(shè)300mm高止水鋼板，按照外墻施工縫處理，以免后期有滲漏風(fēng)險(xiǎn)(見(jiàn)圖6)。

圖6 鋼斜撐與外墻交接處節(jié)點(diǎn)

3 有限元分析

3.1 建模過(guò)程

本文使用MIDAS GTS 軟件計(jì)算，采用一維梁?jiǎn)卧M圍護(hù)樁、混凝土支撐、鋼斜拋撐、樓板、柱等結(jié)構(gòu)，單元截面形狀及大小按實(shí)際施工圖確定。通過(guò)設(shè)置梁?jiǎn)卧拈g距以實(shí)現(xiàn)圍護(hù)樁、混凝土支撐等構(gòu)件力學(xué)行為的平面模擬。

根據(jù)地鐵寶通寺站2號(hào)風(fēng)亭與基坑的剖面位置關(guān)系，利用MIDAS GTS 軟件建立基坑開(kāi)挖模型，如圖7所示。

圖7 基坑開(kāi)挖計(jì)算模型

根據(jù)施工流程，將整個(gè)過(guò)程劃分為如下8個(gè)分析步。

1)分析步1 地應(yīng)力平衡。在考慮重力荷載及地面超載等先期荷載的作用下，完成內(nèi)力計(jì)算，軟件自動(dòng)平衡地層變形，要求在本分析步完成后，地層變形量<10-5m。

2)分析步2 寶通寺站主體結(jié)構(gòu)及2號(hào)風(fēng)亭施工。移除車站主體結(jié)構(gòu)及2號(hào)風(fēng)亭范圍內(nèi)的土體單元，轉(zhuǎn)換車站主體結(jié)構(gòu)及2號(hào)風(fēng)亭單元屬性，激活車站及風(fēng)亭的梁、柱單元，位移清零。

3)分析步3 圍護(hù)樁施工，激活圍護(hù)樁單元。

4)分析步4 先期開(kāi)挖至樓梯間基坑底標(biāo)高，施工混凝土斜撐和連梁。移除基坑樓梯間標(biāo)高以上的土體，激活連梁、混凝土斜撐等結(jié)構(gòu)單元。

5)分析步5 留反壓土放坡開(kāi)挖至地下室基底標(biāo)高，施工鋼斜撐。移除基坑內(nèi)除反壓土外的土體單元，激活鋼斜撐單元。

6)分析步6 施工地下室主體結(jié)構(gòu)。依次激活地下室的板、墻、柱單元。

7)分析步7 拆除混凝土斜撐、鋼斜撐，施工樓梯間結(jié)構(gòu)。依次移除混凝土斜撐、鋼斜撐單元，激活樓梯間側(cè)墻、板單元。

8)分析步8 施工地下室及上部結(jié)構(gòu)。激活地下室結(jié)構(gòu)單元、施加上部結(jié)構(gòu)荷載。

3.2 分析結(jié)果

經(jīng)建模分析，地層最大水平位移出現(xiàn)于圍護(hù)樁中部，約為7.55mm；地層最大豎向位移出現(xiàn)于基坑底部，約為37mm?；臃磯和灵_(kāi)挖完成后，地鐵車站及2號(hào)風(fēng)亭的最大水平位移約3.23mm，最大豎向位移約7.08mm?；娱_(kāi)挖導(dǎo)致地鐵車站及2號(hào)風(fēng)亭的水平、豎向位移均較小。

4 施工監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)方案

為確保施工安全并控制對(duì)周邊環(huán)境的影響，在結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，需在結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋設(shè)監(jiān)測(cè)元件和監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

1)測(cè)斜管主要埋設(shè)于支護(hù)樁內(nèi)和預(yù)留土前端，并且在支護(hù)樁內(nèi)部通長(zhǎng)埋設(shè)，用于測(cè)量樁身水平位移隨深度變化關(guān)系及預(yù)留土水平位移隨深度變化關(guān)系。

2)正弦式鋼筋計(jì)埋設(shè)于支護(hù)樁及樁頂連梁內(nèi)。在支護(hù)樁樁身前后兩側(cè)同時(shí)布設(shè)，樁身一側(cè)按深度均布8個(gè)，在樁頂連梁內(nèi)上下面各布設(shè)1個(gè)，用于監(jiān)測(cè)樁身內(nèi)力隨深度變化情況及雙排樁連梁內(nèi)力。

3)在基坑外側(cè)一定范圍內(nèi)設(shè)置分層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。按等深度埋設(shè)沉降環(huán)，通過(guò)監(jiān)測(cè)沉降環(huán)深度變化情況，確定不同深度處土體沉降情況。

4)軸力計(jì)布設(shè)于樁頂斜撐桿件上，用于監(jiān)測(cè)樁頂斜撐桿件支撐軸力，從而評(píng)估樁頂斜撐桿件對(duì)結(jié)構(gòu)樓板、柱、梁的影響。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)論

截至回填完成前的最后一次監(jiān)測(cè)，工程北側(cè)臨近地鐵施工段最大水平位移10.23mm，周邊環(huán)境最大沉降量24.70mm，滿足設(shè)計(jì)及地鐵管理部門的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合武漢夢(mèng)時(shí)代廣場(chǎng)項(xiàng)目深基坑實(shí)際情況，采用“高低樁+樁頂斜撐+多級(jí)支護(hù)+坑內(nèi)預(yù)留土+結(jié)構(gòu)樓板支撐”支護(hù)體系，有限元分析和監(jiān)測(cè)證明，該方案滿足工程實(shí)際需求，可得如下結(jié)論。

1)“高低樁+樁頂斜撐+多級(jí)支護(hù)+坑內(nèi)預(yù)留土+結(jié)構(gòu)樓板支撐”支護(hù)體系可增大懸臂、無(wú)支撐或少支撐支護(hù)開(kāi)挖深度，從而節(jié)約造價(jià)和工期。

2)通過(guò)設(shè)置樁頂斜撐，可適當(dāng)減少留土反壓區(qū)寬度，同樣可達(dá)到增加支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，減少位移變形，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、保證工期的目的。

3)通過(guò)有限元建模分析，從理論上保證方案實(shí)施可控，最終監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)有限元分析數(shù)值偏大，考慮為支護(hù)樁底部實(shí)際情況并非完全嵌固，以及模型分析為二維，受外部溝通影響，實(shí)際該區(qū)域基坑施工周期長(zhǎng)，水土條件更為復(fù)雜，導(dǎo)致變形偏大。

4)通過(guò)對(duì)施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形、位移等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和信息反饋，并利用其指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，動(dòng)態(tài)修正施工方法，可確保施工安全。