嵐山隧道明挖深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估

【摘要】

以日照市廈門路嵐山隧道明挖深基坑為工程依托，從地質(zhì)、工期、安全等角度考慮，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。圍護(hù)結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)為800 mm排樁+橫撐的組合支護(hù)形式，考慮施工便捷性，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化為雙排325 mm鋼管樁與錨索的組合結(jié)構(gòu)，將明挖深基坑改為敞口施工。從計(jì)算結(jié)果分析來看，兩種支護(hù)方式的結(jié)構(gòu)位移和受力都滿足要求，由剛性聯(lián)系梁和前后排樁組成的超靜定結(jié)構(gòu)的鋼管樁整體剛度更大，且前后排樁可形成與側(cè)壓力反向作用力偶，使雙排樁具有更強(qiáng)的抵抗變形能力，結(jié)構(gòu)受力更為合理。

【關(guān)鍵詞】深基坑； 圍護(hù)結(jié)構(gòu)； 土體位移； 安全評(píng)估

【中圖分類號(hào)】TU94+2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2024-10-15

［作者簡介］劉新華（1976—），女，本科，工程師，從事安全管理工作。

0 引言

為保證深基坑開挖安全，深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常采用鉆孔灌注樁+混凝土支撐+鋼支撐（鋼換撐）的支護(hù)形式。當(dāng)基坑開挖較深時(shí)，多道內(nèi)支撐反復(fù)安拆無疑會(huì)影響施工進(jìn)度。受周邊環(huán)境、場地條件、施工工期、建設(shè)投資、地質(zhì)條件等多因素影響，越來越多的學(xué)者對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的型式展開了研究，如劉紅軍等［1］開展了加錨雙排樁與“吊腳樁”的研究，提出了合理的排距和樁剛度。易順等［2］對(duì)內(nèi)撐式基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形進(jìn)行了研究，提出了基坑變形曲線函數(shù)和指標(biāo)體系。王延明［3］考慮安全、經(jīng)濟(jì)、適用等原則，對(duì)比了多種基坑支護(hù)形式，為基坑工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。趙文強(qiáng)［4］以青島地鐵為依托，針對(duì)上軟下硬地質(zhì)中的吊腳樁展開了研究，提出了上部采用樁與支撐組合結(jié)構(gòu)，下部噴錨支護(hù)組合形式。

本文以日照廈門路嵐山隧道明挖深基坑為工程依托，針對(duì)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)估，為以后的類似工程提供設(shè)計(jì)、施工借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

本項(xiàng)目為山東省日照市嵐山區(qū)與市區(qū)連接線三期（廈門路南延）工程，為廈門路的一部分。

本項(xiàng)目全長4.366 km，采用雙向六車道一級(jí)集散公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度為60 km/h，主線路基標(biāo)準(zhǔn)寬度25.5 m，隧道凈寬2×13.25 m，隧道凈高5.0 m。輔道設(shè)計(jì)速度按照40 km/h，單側(cè)輔道寬度13.5 m，輔道外側(cè)設(shè)置綠道和人行道。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭露，隧址區(qū)覆蓋層為第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4 ml）填筑土和坡積（Q4dl）粉質(zhì)黏土，填筑土厚度約0～2.8 m，主要分布在出口段，粉質(zhì)黏土厚度0～2.6 m，主要分布在隧道上方，下伏基巖為新元古代鐵山序列（γ23）片麻巖。

嵐山隧道基坑?xùn)|西兩側(cè)分布有實(shí)驗(yàn)小學(xué)、實(shí)驗(yàn)幼兒園、住宅小區(qū)等建筑物，地表分布有大量管線，周邊條件不允許放坡開挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用排樁支護(hù)，基坑巖石堅(jiān)硬，排樁施工功效低（圖1）。

2 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況

2.1 原設(shè)計(jì)情況

隧道明挖段深基坑距離小學(xué)主教學(xué)樓最小距離僅為11.5 m，隧道距離小區(qū)住宅樓10.6 m，為減少對(duì)周邊居民及學(xué)生的正常活動(dòng)的影響，以及確保建筑物的安全，該基坑支護(hù)方案主要采用排樁+橫撐支護(hù)（圖2）。

該支護(hù)結(jié)構(gòu)由支護(hù)樁體和內(nèi)支撐體系兩部分組成。樁徑800 mm，間距為1.0 m，冠梁尺寸1.0 m×1.0 m，止水帷幕土層段采用高壓旋噴樁，巖層段采用深孔注漿方式，采用單排48 mm袖閥管，間距為1.0 m。

支護(hù)墻體采用鋼筋混凝土排樁墻，內(nèi)支撐體系采用水平多層支撐，第一道采用鋼筋混凝土支撐，以下均采用鋼支撐。鋼筋混凝土支撐其優(yōu)點(diǎn)就是剛度大，變形小，布置靈活，而鋼支撐的優(yōu)點(diǎn)是可重復(fù)使用，施工速度快，且可施加預(yù)壓力。

2.2 支護(hù)方案優(yōu)化

經(jīng)補(bǔ)勘發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域上部地層為素填土、雜填土等松散土體，下部地層為強(qiáng)-中風(fēng)化片麻巖，灌注樁體下端嵌入基巖中，施工難度大，效率低?；娱_挖時(shí)，若是樁體與內(nèi)支撐的組合形式，內(nèi)支撐頻繁安拆更換也會(huì)降低施工效率。

為盡量減少對(duì)學(xué)校正常教學(xué)活動(dòng)影響，借鑒青島地鐵施工經(jīng)驗(yàn)，提出了一種優(yōu)化的支護(hù)方案。

基坑下部基本為中-微風(fēng)化片麻巖時(shí)，采用“吊腳樁”支護(hù)形式。“雙排鋼管樁-吊腳樁”+錨索結(jié)構(gòu)，樁徑325 mm（t=16 mm），樁間距0.6 m，排距1.5 m，巖臺(tái)寬度1.0 m，采用L型鎖腳腰梁，樁端嵌入中風(fēng)化巖石0.3h（h為巖臺(tái)以上基坑深度）且不小于2.0 m，冠梁尺寸為0.5 m×0.6 m。基坑下部采用168 mm鋼管樁，間距1.0 m，嵌固深度為2.0 m，采用22 mm砂漿錨桿，長5.0 m，間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置，如圖3所示。止水帷幕采用深孔注漿方式，采用三排50 mm 注漿鋼花管，間距1.5 mm×1.5 m，梅花形布置。

如圖4所示，基坑開挖范圍內(nèi)無中-微風(fēng)化片麻巖時(shí)，采用雙排鋼管樁形式落底。雙排鋼管樁與錨索結(jié)構(gòu)，樁徑325 mm（t=16 mm），樁間距0.6 m，排距1.5 m，冠梁尺寸為0.5 m×0.6 m。止水帷幕采用深孔注漿方式，采用三排50 mm 注漿鋼花管，間距為1.5 m×1.5 m，梅花形布置。

3 明挖深基坑安全評(píng)估

3.1 鋼管混凝土樁剛度分析

根據(jù)截面等剛度計(jì)算原理，將鋼管與混凝土組合成一個(gè)單元，組合截面的EA、EI按照式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算：

EA=ECAC+ESAS（1）

EI=ECIC+ESIS（2）

式中：EA為鋼管混凝土壓縮和拉伸剛度；EI為鋼管混凝土的彎曲剛度；EC為混凝土的彈性模量；AC為混凝土的截面積；IC為混凝土的慣性矩；ES為鋼管的彈性模量；AS為鋼管的截面積；IS為鋼管的慣性矩。

325 mm 壁厚16 mm的鋼管樁剛度：

EI=E1I1+E2I2=E1π（D4-d4）/64+E2πd4/64=48×106N·m2等效剛度C30鋼筋混凝土樁基直徑為：

d=464EI/E2π=0.42 m

參照J(rèn)GJ120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，按照平面剛架結(jié)構(gòu)模型計(jì)算雙排樁結(jié)構(gòu)。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

依據(jù)JTJ120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，采用基于彈性地基梁彈性抗力法來考慮前后排樁相互作用的模型分析雙排樁，選擇典型斷面計(jì)算，如圖5所示。

根據(jù)地勘報(bào)告，計(jì)算參數(shù)見表1。支護(hù)采用5道錨索，錨索的具體參數(shù)信息如表2所示。

3.3 計(jì)算結(jié)果

分別對(duì)原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算包絡(luò)見圖6。

（1）樁體位移。雙排325 mm鋼管樁支護(hù)方案基坑最大水平位移量為7.98 mm，單排800 mm混凝土灌注樁支護(hù)方案基坑最大水平位移量為6.82 mm，兩種工況下均滿足基坑位移的要求。

（2）樁體受力。雙排樁方案前排樁的正負(fù)最大彎矩為25.13 kN·m、22.90 kN·m，單排樁的正負(fù)最大彎矩分別為35.66 kN·m、87.81 kN·m，對(duì)比來看，雙排樁的受力更為均勻。

有計(jì)算結(jié)果可知，雖然鋼管樁樁徑較小，但其受力機(jī)理優(yōu)于單排樁，由剛性聯(lián)系梁和前后排樁組成的超靜定結(jié)構(gòu)整體剛度大，且前后排樁可形成與側(cè)壓力反向作用力偶，使雙排樁具有更強(qiáng)的抵抗變形能力。

3.4 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)

如圖7所示，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)值計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn)基坑頂部的樁體水平位移最大，最大位移值為5.81～6.25 mm。

4 結(jié)論

（1）基坑外地表豎向沉降遠(yuǎn)小于樁身水平位移，表明排樁支擋起到支護(hù)效果，且錨索的錨拉作用下，能進(jìn)一步降低基坑開挖導(dǎo)致的地表沉降，提高基坑的整體穩(wěn)定性。

（2）基坑以水平變形為主，且在錨固加強(qiáng)作用下，有效減少基坑可能出現(xiàn)的變形，進(jìn)一步提高了基坑穩(wěn)定性，監(jiān)測數(shù)據(jù)均在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)，說明支護(hù)可靠。

（3）鋼管樁及錨索的組合支護(hù)形式將基坑施工變?yōu)槌谑绞┕?，可提高施工效率，縮短工期。

參考文獻(xiàn)

［1］ 劉紅軍，李東，張永達(dá)，等.加錨雙排樁與“吊腳樁”基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（S1）：225-230.

［2］ 易順，陳健，潘家軍，等.內(nèi)撐式基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形的表征函數(shù)研究［J］.巖土力學(xué)，2024，45（S1）：568-578.

［3］ 王延明.某項(xiàng)目中的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工與優(yōu)化方案［J］.城市建設(shè)理論研究（電子版），2024（24）：136-138.

［4］ 趙文強(qiáng).上軟下硬復(fù)合地層條件下深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)探析［J］.隧道建設(shè)，2014，34（2）： 153-157.