二元地層深基坑組合支護(hù)搭接部位變形分析及加強(qiáng)措施

王華強(qiáng)，刁志剛，盧金棟

（1.中鐵隧道勘察設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州511458；2.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東廣州511458）

0 引言

二元結(jié)構(gòu)是河流沉積物在垂直剖面上的結(jié)構(gòu)。洪水期河流斷面擴(kuò)大，引起河漫灘洪水流速減小，洪水挾帶的細(xì)粒泥沙，覆蓋在河床沉積物上，形成下部為粗砂和礫石組成的河床沉積物，上部為細(xì)砂或黏土組成的河漫灘沉積物，構(gòu)成下粗上細(xì)的沉積結(jié)構(gòu)，叫“二元結(jié)構(gòu)”。盾構(gòu)施工領(lǐng)域?qū)λ淼缆裆钜话阍?0～30m之間，在該深度范圍內(nèi)的巖土均一性差，物理力學(xué)特性差異大，隧道圍巖既有十分松軟富水的淤泥質(zhì)土、中細(xì)砂層，又有較堅硬的砂礫巖、花崗片麻巖、混合巖，以及介于上述兩類巖土之間具有不同風(fēng)化程度的軟塑—硬塑狀黏性土層。隧道斷面地層的這種復(fù)合特性，其具體表現(xiàn)為：同一里程隧道橫斷面表現(xiàn)為上、下軟硬不均，在隧道縱剖面上表現(xiàn)為軟硬相間，通常稱為上軟下硬的“復(fù)合地層”。對基坑來講，自上而下穿過不同的地層，上層軟弱而下層堅硬，甚至有的上層還是水域，基坑在臨時填筑島的河床下方，這樣借用上述兩種術(shù)語可稱為“二元地層”。

深基坑穿越水域及其下方的河床，通常用圍堰加基坑的方式，圍堰可以看作柔性支護(hù)抵抗水壓力，下部的混凝土支撐與地下連續(xù)墻可看作剛性支護(hù)。這時的支護(hù)形式顯然是不同的，剛?cè)嵝问揭子趨^(qū)分；但基坑穿越上軟下硬、上土下巖，采用圍護(hù)樁加錨噴形成上剛下柔的組合支護(hù)體系，更加合理，這時的剛?cè)嵝问讲惶讌^(qū)分。不過從變形大小來區(qū)分，都可以稱為組合式支護(hù)；通過工程實踐和理論計算發(fā)現(xiàn)，在組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中搭接部位的受力和變形有獨特性質(zhì)。

我國近20年間，在地鐵深基坑設(shè)計施工方面積累了大量經(jīng)驗，圍護(hù)結(jié)構(gòu)總體向大剛度、整體性好、防滲漏強(qiáng)的地下連續(xù)墻、咬合樁等支護(hù)形式發(fā)展，采用地連墻（樁）加內(nèi)支撐的支護(hù)形式成為主流，同時第一道支撐也由20世紀(jì)90年代的以鋼支撐為主轉(zhuǎn)變?yōu)榛炷林螢橹?。而水域的圍堰也由鋼套箱、鋼管樁向鋼板樁發(fā)展，相關(guān)方面的研究也比較多，例如，張有祥[1]等強(qiáng)調(diào)了巖土交界面支護(hù)樁伸入巖層，樁端承載力的驗算是關(guān)鍵點，同時指出了對于跨度大的基坑，臨時中立柱的穩(wěn)定性對基坑整體穩(wěn)定性至重要，并且提出在同一支護(hù)面上應(yīng)盡量采用相同的支護(hù)形式，當(dāng)需要用兩種剛度差別較大支護(hù)形式時，需要考慮二者的變形協(xié)調(diào)性；張涵[2]、徐飛飛[3]、袁釬[4]、陳樂意[5]、楊俊輝[6]等對吊腳樁、內(nèi)外坑中坑相互影響等進(jìn)行了論述，樁的入巖深度、巖肩的寬度和保護(hù)及內(nèi)坑與外坑不同水平間距之間的相互影響，同時提出圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移影響率的概念；侯永茂[7]等認(rèn)為大跨度雙排鋼板樁圍堰具有明顯的三維空間效應(yīng)，圍堰跨中附近側(cè)向變形最大，拐角附近由于拱角效應(yīng)變形最小等規(guī)律；傅立新[8]等發(fā)現(xiàn)對于填海圍堰內(nèi)基坑，地連墻可有效應(yīng)對圍堰后期沉降、深厚淤泥及承壓水地層等復(fù)雜情況，實測混凝土支撐軸力大于三維計算結(jié)果與始發(fā)井周邊注漿加固有關(guān)；邢振華[9]、雷瑩[10]等對此類組合結(jié)構(gòu)形式監(jiān)測等也有總結(jié)。

綜上，國內(nèi)學(xué)者在二元地質(zhì)基坑設(shè)計、吊腳樁、多種支護(hù)形式共同受力、混凝土支撐軸力預(yù)警、基坑變形、數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了大量研究與工程實踐，對照實際監(jiān)測分析了二元地層超深基坑吊腳樁加錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍堰加深基坑組織支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。創(chuàng)新提出了無論是“上剛下柔”還是“上柔下剛”的組織支護(hù)，其剛?cè)岽罱硬课痪枰訌?qiáng)設(shè)計，為此類工程提供了新的借鑒參考。

1 上剛下柔基坑組合支護(hù)

1.1 設(shè)計概況

某豎井作為盾構(gòu)始發(fā)井，其內(nèi)尺寸為35.00m×15.00m，結(jié)構(gòu)總埋深41.45m。主體結(jié)構(gòu)的施工采用明挖順作法，基坑上部圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+四道內(nèi)支護(hù)方式，在基坑深度22.10m以下為巖石噴錨支護(hù)方式；基坑防水采用φ500mm單管旋噴樁樁間止水，鉆孔樁直徑1000mm間距1150 mm。第一道混凝土支撐斷面600mm×900mm，另外3道都是800mm×1000mm，冠梁及最下道腰梁斷面1000mm×1000mm，中間兩道腰梁斷面700 mm×1000mm?；悠矫娌贾萌鐖D1所示。

圖1 基坑平面布置圖

1.2 工程地質(zhì)

＜1-1＞雜填土，＜2-1＞淤泥，N=1.0～3.0擊，平均2.0擊；＜3-1＞粉細(xì)砂層，N=4.0～13.0擊，平均7.9擊；＜4-1＞可塑粉質(zhì)粘土，N=6.0～14.0擊，平均9.3擊；＜5-1＞全風(fēng)化泥巖，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯呈堅硬土柱狀，遇水易軟化，N=30.0～48.0擊，平均38.6擊；＜5-2＞強(qiáng)風(fēng)化帶，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯多呈堅硬土柱狀，半巖半土狀，或3～5cm碎塊狀，巖質(zhì)軟，輕敲易斷，遇水易軟化，該帶風(fēng)化不均，帶中常夾中風(fēng)化巖，N=50.0～95.0擊，平均59.6擊；＜5-3＞中風(fēng)化帶，巖石裂隙稍發(fā)育～發(fā)育，裂隙多呈閉合狀，泥鈣質(zhì)充填，裂面傾角多呈60°～80°，頻度2～12條/m，巖芯多呈5～10cm扁柱狀，部分碎塊狀或10～30cm短柱狀，巖石風(fēng)化不均勻，中風(fēng)化帶中常夾強(qiáng)風(fēng)化夾層或微風(fēng)化巖塊，RQD一般小于50%，數(shù)值為3.54～10.85MPa，平均7.35MPa；＜5-4＞微風(fēng)化帶，巖石裂隙不甚發(fā)育～稍發(fā)育，多呈閉合狀，泥鈣質(zhì)充填，巖芯較完整，多呈10～30cm短柱狀，部分5～10cm扁柱狀，偶見40～60cm長柱狀，巖質(zhì)較新鮮，RQD一般大于50%，以60%～90%為主，數(shù)值為6.80～18.10MPa，平均10.93MPa。

1.3 模擬計算與監(jiān)測

按常規(guī)的計算方式，上部剛性支護(hù)部分采用理正軟件計算，部分計算成果：計算模型見圖2，柔性支護(hù)段開挖前支撐內(nèi)力包絡(luò)圖見圖3，分開計算軸力值及調(diào)整過程見表1。

表1 分開計算軸力值及調(diào)整過程kN

圖2 計算模型圖（單位：m）

圖3 柔性支護(hù)段開挖前支撐內(nèi)力包絡(luò)圖

監(jiān)測點布置初定的軸力報警值：第一道支撐的直撐最大軸力設(shè)計值約為870kN；第二、三道支撐的直撐最大軸力設(shè)計值約為2100kN；第四道支撐的直撐最大軸力設(shè)計值，約為700kN。開挖過程對應(yīng)的支撐軸力監(jiān)測如圖4所示。

從圖4可以看出，在基坑不斷向下開挖的過程中，第一道混凝土支撐軸力值在-310.7～2447.9kN之間，并隨著時間的推移趨于穩(wěn)定；其中ZL1-4監(jiān)測點混凝土支撐主要承受拉力，所受最大拉力為310.7kN（3月20日），監(jiān)測軸力值基本上趨于穩(wěn)定，且均未超報警值。第二道支撐監(jiān)測點ZL2-2～ZL2-6支撐軸力值在2265.3～5750.5kN之間，軸力值基本上趨于穩(wěn)定，且均未超報警值。第三道支撐的ZL3-2，5，6監(jiān)測點混凝土支撐軸力值在2853.8～6855.2kN之間，逐漸穩(wěn)定；ZL3-3，ZL3-4監(jiān)測點混凝土支撐軸力值逐漸增大，暫停施工后支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，其最大值分別為21500.0，20676.1kN；結(jié)束施工后監(jiān)測點ZL3-3和ZL3-4混凝土支撐軸力值分別為20925.6kN和19998.8kN。第四道支撐監(jiān)測點ZL4-1～6混凝土支撐軸力值呈不斷增加趨勢，后期增加速率呈減小趨勢；監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，ZL4-3測點混凝土支撐軸力最大值為26697.5 kN，超過紅色預(yù)警值21999.90kN，ZL4-4測點混凝土支撐軸力值最大值為20493.9kN。

圖4 各支撐軸力變化2015年歷時曲線圖

從軟件計算的情況分析，變形與設(shè)計之初相同，與實際開挖過程監(jiān)測結(jié)果也大體一致。目前類似的基坑實際已經(jīng)非常多。如果把剛性支護(hù)的變形與柔性部分的變形分開考慮，就會影響第四道支撐的配筋和斷面選擇。

2 上柔下剛基坑組合支護(hù)

2.1 案例一

2.1.1 設(shè)計概況

堰筑段主線隧道基坑起始里程K6+550.000～K7+040.000，總長490.00m；寬46.200～74.200m；F匝道隧道基坑起始里程FK1+265.000～FK1+328.391，總長63.391m，寬16.800～17.383m；G匝道隧道基坑起始里程GK0+329.207～GK0+485.000，長155.793m，寬12.450～16.350m。采用明挖順筑法施工。平面、橫剖面圖分別見圖5，6。

圖5 隧道基坑平面圖

圖6 隧道橫剖面圖

堰筑段圍堰沿隧道軸線長560.500m。圍堰為施工臨時建筑物，等級為4級，圍堰全長1393.400m，一次實施，圍堰東側(cè)最大寬度約為206.000m，西側(cè)最大寬度約為116.000m。采用雙排鋼板圍堰。圍堰堰寬10.000m，堰體標(biāo)高+3.00m，外側(cè)鋼板樁頂標(biāo)高+6.00m，鋼板樁型號為U型750.0mm×225.0mm×14.5mm，鋼材為Q390BZ，內(nèi)外排鋼板樁之間采用鋼拉桿連接，鋼材為Q345B，拉桿直徑60.0mm，間距1.50m，中心標(biāo)高2.00m。外排鋼板樁內(nèi)側(cè)設(shè)置L型扶壁式擋墻，墻高2.00m，厚200.0mm，沿圍堰軸線方向每1.5m設(shè)置一道扶壁，扶壁厚150.0mm。扶壁式擋墻與內(nèi)排鋼板樁之間采用400.0mm×500.0mm縱橫混凝土梁連接，橫梁間距3.00m。圍堰迎水側(cè)為避免坡底沖刷，設(shè)砂肋軟體排，軟體排上覆蓋一層250.0mm厚袋裝碎石，上覆塊石拋石層。圍堰背水側(cè)設(shè)置反壓土坡，坡面采用模袋混凝土防護(hù)。主線隧道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用1000.0mm厚地連墻。其中，主線隧道K6+550.000～K6+886.000基坑開挖深度為12.710～16.597m，第一道為1000.0mm×1000.0mm混凝土支撐，第二道為1200.0mm×1200.0mm混凝土支撐，第三道為φ800鋼支撐，另外在第二道混凝土支撐與第三道鋼支撐之間增加一道φ800鋼換撐。第一道混凝土支撐與地連墻頂1400.0mm×1000.0mm冠梁相連，第二道混凝土支撐兩端設(shè)1200.0mm×1200.0mm混凝土圍檁，鋼支撐支撐在雙拼H700.0mm×300.0mm鋼圍檁上，基坑內(nèi)采用φ1000灌注樁+610.0mm×610.0mm格構(gòu)柱減跨?；拥撞坎捎忙?50@600攪拌樁抽條+裙邊加固。

2.1.2 理論計算及監(jiān)測

理論計算模型見圖7，計算結(jié)果為反壓坡水平位移12.57cm，鋼板樁最大水平變形15.48cm。實際監(jiān)測與之相差不大，監(jiān)測結(jié)果見圖8。

圖7 計算模型

圖8 監(jiān)測結(jié)果

2.2 其他案例設(shè)計及施工

某通道目前是中國最長的湖底隧道，全長10.6km，寬60.00～70.00m，其中穿東湖隧道長5.0 km，采用圍堰明挖法，即先在湖中修筑圍堰，再抽干圍堰內(nèi)的湖水，然后往下挖掘10.00～14.00m，接著澆筑隧道，澆筑好后回填黏土，并拆除圍堰，回水還湖。雙邊圍堰，鋼板樁距隧道結(jié)構(gòu)外邊線的距離為20.00～50.00m，鋼板樁圍堰凈寬7.00 m，外輪廓線之間的距離為8.00m，堰體采用黏性土填筑。斷面圖見圖9。另外類似工程斷面見圖10，11。

圖9 上柔下剛基坑典型斷面圖

圖10 基坑第一道是鋼支撐典型斷面圖

3 對照分析

上剛下柔基坑工程處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，但第三、四道支撐軸力伴隨錨噴段的開挖深度增加而大幅度增加說明基坑上下之間有密切聯(lián)系。但是設(shè)計預(yù)警和極限預(yù)警2個值，多級預(yù)警更加合理可行，通過理論計算和實際施工，分別按設(shè)計工況下的支撐軸力設(shè)計值作為第一預(yù)警值N1，用來反映實際施工與設(shè)計的吻合程度；另外采用支撐的極限承載力的80%（預(yù)留20%安全系數(shù)）做為第二預(yù)警值N2，反映支撐結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。除外溫度、監(jiān)測技術(shù)等通常原因外，分開算與整體算綜合分析法是現(xiàn)階段最接近實際的理論方法。因巖土工程的復(fù)雜性，還需要更加深入地研究。

上柔下剛基坑施工過程處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，同時對比發(fā)現(xiàn)，在對上下搭接位置進(jìn)行剛度加強(qiáng)后，圍堰變形大大減小，下部基坑變形影響不大。對于圖10，11中未進(jìn)行加強(qiáng)的基坑，上部圍堰變形可達(dá)982.0mm。

圖11 基坑無支撐典型斷面圖

4 結(jié)語

1）樁錨撐組合支護(hù)時，由于錨桿屬于柔性支護(hù)，內(nèi)支撐為剛性支護(hù)，二者協(xié)同變形比較復(fù)雜，但總體上會增加剛性部分的內(nèi)力，表現(xiàn)出來就是支撐軸力增大。文中搭接部位混凝土支撐軸力大大超出設(shè)計的理論計算值，而且隨著噴錨段陸續(xù)下挖呈逐漸增大趨勢，在挖到設(shè)計底標(biāo)高前3.00m時前后開了6次分析會，只能臨時封底，最后采用上部加撐下部提前臨時封底再做抗拔樁的措施。

2）基坑無剛度大的支撐或單純的圍堰，其變形均是480.0～750.0mm數(shù)量級，甚至有982.0mm的較大變形，當(dāng)圍堰與連續(xù)墻形成組合式支護(hù)體系時，把圍堰看作柔性支護(hù)，通過分開建模和整體建模，互補(bǔ)協(xié)調(diào)剛?cè)嵝灾g的變形關(guān)系，得出補(bǔ)償軸力值及限制變形量。分開計算時，把搭接部位設(shè)置為剛度鉸進(jìn)行計算與實際更接近。通過上柔下剛案例一施工過程分析，對搭接部位的第一道混凝土支撐進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)（中間增加板撐，既做便道又提升了整體剛度），這對控制變形非常有利，同時圍堰實際變形與理論計算基本一致。與類似情況相比，圍堰變形量大大減少。

3）鑒于當(dāng)前巖土工程設(shè)計理論的不完善及實踐經(jīng)驗的欠缺，吊腳樁支護(hù)系統(tǒng)、圍堰加基坑支護(hù)體系等理論尚未成熟，計算模型尚不完善，設(shè)計工作至今仍采用以經(jīng)驗為主的半理論、半經(jīng)驗設(shè)計方法，工程的實施須以信息化施工作為重要手段，以達(dá)到驗證并改進(jìn)設(shè)計推進(jìn)剛?cè)峤M合體系設(shè)計理論發(fā)展的目的。多個實際工程證明了對搭接部位的適當(dāng)剛度加強(qiáng)是非常必要的，這一經(jīng)驗既可以指導(dǎo)實踐又可以促進(jìn)理論研究的發(fā)展。