“灌注樁+鋼管內支撐”在深基坑中的應用

劉建軍

（中鐵合肥建筑市政工程設計研究院有限公司，安徽 合肥 231600）

我國城鎮(zhèn)化進程不斷加快，城市人口規(guī)模不斷攀升，傳統(tǒng)城市公共交通所面臨的壓力逐漸增大，地鐵成為許多城市必要的交通基礎設施。地鐵站由于地下埋深相對較大，基坑開挖難度明顯較高，必須要保證基坑支護體系的可靠度[1]。灌注樁作為一種常見的擋土結構在地鐵站基坑支護中也存在著較為廣泛的應用?；诖朔N情況，在本文的研究當中，筆者結合自己的設計工作經驗，對“灌注樁+鋼管內支撐”類型的支撐式支擋結構在地鐵站深基坑支護中的應用進行了研究與分析[2]。

1 工程概況

1.1 地鐵站工程概況

該地鐵站位于我國西北地區(qū)某城市，地形較為平坦，基坑長度約為68m，寬7.2m，標準段的基坑底埋深大約為11m，基坑周邊存在大量多層、高層建筑。

1.2 基坑支護方案

在該地鐵站基坑工程中，結合附屬結構形式、地質條件與周邊既有建筑物對基坑周邊土體沉降要求，決定采用“灌注樁+鋼管內支撐”支護體系，圍護灌注樁樁徑均采用800mm，混凝土強度等級為C30，布樁間距采用1600mm，內支撐鋼管管徑為609mm，厚度16mm，沿基坑水平與豎向均勻布置，具體位置位于坑底上方2.6m、7.6m 處，鋼管水平間距為3.5m，預加軸力分別為300KN、350KN，灌注樁樁間采取噴射混凝土擋土措施。同時需要在灌注樁頂部設置冠梁，冠梁規(guī)格800mm×800mm，鋼圍檀采用45b 工字鋼組合型鋼，規(guī)格為群235b[3]。

2 有限元模擬分析

為進一步分析上述基坑支護方式在地鐵站基坑支護中的實際應用效果，在本文的研究當中選擇采用Midas GTS 軟件對基坑開挖過程進行計算分析，并驗證此種支護方式的可靠度。在該工程當中，由于在基坑開挖之前就已經采取了基坑降水措施，并經觀測發(fā)現該基坑坑底1m 范圍內未發(fā)現明顯地下水。為此，在此次有限元分析中忽略地下水的影響[4]。

2.1 有限元模型與相關計算參數

Midas GTS 所建立的三維模型為整體三維模型，根據彈性力學基本原理，為更真實地模擬基坑周邊土體的受力與變形情況，開挖區(qū)域應選擇為開挖尺寸的3～5倍最為合適，為此，在建立三維有限元模型時，最終的尺寸選擇采用170m×115m×38m。經建模之后的軟件檢查，整個模型最終被劃分為148289 個網格單元，25632 個節(jié)點。在該模型中所涉及的單元類型有實體單元、梁單元與桁架單元三種不同類型，其中實體單元主要是土層、梁單元為灌注樁、冠梁與鋼梁，桁架單元則為鋼支撐。由于在該基坑周邊存在一定的交通荷載，再考慮施工過程中可能出現的施工堆載等問題，將基坑周邊的超載設定為15kPa。土體結構按照勘察報告所提供的情況輸入，并輸入材料屬性，梁單元與桁架單元也應按照實際情況輸入模型[5]。

2.2 施工步驟分析

該基坑施工采用明挖法，按照現場條件、設計要求，現場施工大致可以分為如下四個步驟：

1.完成鉆孔、成孔、清孔工作，灌注泥漿，澆筑鉆孔灌注樁。

2.開挖到第一道鋼支撐位置完成鋼支撐安裝，施加的預應力大小為300KN。

3.開挖到第二道鋼支撐位置完成鋼支撐安裝，施加的預應力大小為350KN。

4.開挖到基坑底部。

3 計算結果分析

完成建模之后對模型進行了計算分析，下面將結合計算結果對上述支護方案的可靠度展開分析，具體主要包含基坑周邊沉降、樁體水平位移、鋼支撐軸力以及圍護結構體系所受到的影響等內容。

3.1 基坑周邊地表沉降

隨著基坑的開挖，基坑周邊地層邊界發(fā)生變化，基坑底土層應力釋放回彈，同時隨著擋土結構外側地層土體應力逐步釋放，此過程中支護樁會對周邊土體形成一定約束作用，伴隨擋土結構水平受力變形，分層土體在上部荷載作用下逐漸被壓實，逐層累積導致基坑周邊地表生沉降變化。在該工程當中隨著基坑開挖的逐步推進，基坑周邊土體也出現了豎向變形，模型計算結果如顯示在設置鋼支撐之前，基坑地表沉降量與距離基坑的距離呈現明顯的反比關系。在增設鋼支撐之后，基坑地表沉降量最大值則出現在距離基坑具有一定距離的位置[6]。隨著基坑開挖深度的不斷加大，基坑周邊地表的最大沉降量與整體沉降都在不斷加大，同時基坑開挖所影響的周邊土體范圍也在持續(xù)擴大，最大沉降值出現在距離基坑邊緣大約15m 處的位置，沉降值約為8.5mm。

3.2 樁體水平位移

支護樁由于會受到土體的側向壓力，必然會出現水平位移。由于支護樁的抗剪承載力不高，水平位移不宜過大，同時樁體水平位移也會對周邊土體的變形產生不利影響。為此，必須要對樁體水平位移加以控制。從模型計算結果可以發(fā)現，在完成第一道鋼支撐的布置之后，樁頂水平位移最大值為0.7mm，完成第二道鋼支撐的布置之后，樁頂最大水平位移值為2.8mm，其位置大約出現在距離坑頂位置5m 處。當開挖深度到達基坑底部位置時，則基坑的最大沉降量為6.6mm，其位置則處于距離樁頂5m 處[7]。此外，從圖2 中的數據中可以發(fā)現，隨著基坑開挖深度的不斷加大，樁身的整體水平位移也會持續(xù)增大，但是由于鋼支撐的支擋作用，在布置鋼支撐的位置水平位移會突然間變小。

3.3 鋼支撐軸力

隨著基坑開挖深度的不斷加大，樁后的主動土壓力勢必會持續(xù)增加，從而導致支護樁會向基坑一側水平移動，附加鋼支撐就是為了控制支護樁的位移，但這也會對鋼支撐施加反向約束力。因此，隨著基坑開挖深度的持續(xù)增加，作用在鋼支撐上的軸力也勢必會不斷加大，最終最大軸力必然會出現在基坑開挖至最深處時。在該工程當中計算所得到的最大鋼支撐軸力位于基坑開挖至最深處時的第二道鋼支撐之上，其值為386KN，計算結果與理論分析存在一致性[8]。

3.4 鋼支撐對圍護結果的影響分析

在“灌注樁+鋼支撐”支護方案中，確定鋼支撐最佳位置具有重要意義，合理的支撐位置既能有效控制支護樁的水平位移與周邊土體的沉降，同時在經濟成本方面也更為合理。為了對原支護方案鋼支撐位置的合理性進行計算分析，在上文所建模型的基礎之上還對鋼支撐的位置進行了調整，從而展開對比分析，其中方案1 是在上文所建的模型基礎之上將兩道鋼支撐的位置均向上移動1m，方案2 則是在上文所建的模型基礎之上將兩道鋼支撐的位置均向下移動1m[9]。三種方案的軸力對比分析如圖1、圖2 中所示。

圖1 三種方案第一道鋼支撐軸力對比

圖2 三種方案第二道鋼支撐軸力對比

從圖1 中可以發(fā)現，方案1 中第一道鋼支撐的軸力為365KN，方案2 中第一道鋼支撐的最大軸力為322KN，原設計方案中的最大軸力也為322KN；從圖2 中可以發(fā)現，方案1 中第二道鋼支撐的最大軸力為363KN；方案2 中第二道鋼支撐的最大軸力則為425KN，原設計方案中的第二道鋼支撐最大軸力則為380KN。

通過上文的模型計算結果分析可以發(fā)現，從基坑周邊土體變形、鋼支撐受力方面來進行綜合對比，原設計方案的支護方式是最合適的[10]。

4 結語

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷提升，地鐵將成為許多城市公共交通的主要方式，地鐵建設在未來也必然會變得更為頻繁，基坑支護作為地鐵站建設的重要分部分項，關系到工程建設的安全性、經濟性、進度等諸多要素。為了探索地鐵站基坑支護的合理方式，在本文的研究當中以具體工程項目為例分析了“灌注樁+鋼支撐”此種支護方式在地鐵站支護中的具體應用。通過三維有限元建模計算分析發(fā)現此種支護方式具有一定的合理性，能夠有效控制基坑周邊土體沉降與樁體位移，可以在實際工程中進行大力推廣。但需要注意的是，鋼支撐的軸力與鋼支撐的作用位置存在著緊密的聯系，必須要結合基坑周邊土體物理力學性能、支護樁參數等綜合確定鋼支撐位置計算參數，從而計算出鋼支撐的最佳位置。