城市框架下穿隧道基坑支護(hù)工藝對比研究

林齊鳴 萬 歷 唐 瑜

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048）

1 工程簡介

成都市五環(huán)路雙流段項(xiàng)目擬建的成新蒲下穿隧道長度為810m，其中某段（220m）下穿成新蒲大道入城段。下穿隧道采用明挖順筑法進(jìn)行施工，因此需在成新蒲大道與下穿隧道交叉范圍進(jìn)行基坑開挖，為框架隧道提供工作面?；娱_挖深度為8.0m～9.6m，屬于深基坑，安全等級為一級?；游鱾?cè)距已建成的中電科大樓約為60m，東側(cè)距現(xiàn)有雙楠大道約為65m、距中鐵大樓約為35m。由于下穿隧道施工周期較長且周邊建（構(gòu)）筑物眾多，因此當(dāng)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮開挖支護(hù)對基坑自身及周邊建（構(gòu)）筑物的影響，保證基坑穩(wěn)定。

2 基坑支護(hù)方案對比分析

根據(jù)基坑支護(hù)工藝技術(shù)成熟性的要求，框架段下穿隧道基坑支護(hù)工藝可選用放坡開挖、灌注樁支護(hù)、地下連續(xù)墻支護(hù)以及鋼板樁支護(hù)等4 種支護(hù)工藝。

擬建隧道與既有成新蒲大道接近正交且框架段基坑開挖深度為8.0m～9.6m，若放坡開挖，則橫向會大量占用既有道路，導(dǎo)致縱向與周邊建（構(gòu)）筑物安全距離不足。

當(dāng)采用灌注樁支護(hù)工藝時(shí)基坑可接近垂直開挖，不額外占用既有道路及周邊用地[1]。其較好的抗變形能力可保障基坑安全，但現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)因混凝土齡期特性所以會導(dǎo)致施工周期較長，制約項(xiàng)目工期及材料投入。

雖然地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度大，抗?jié)B性、擋土和隔水效果好，但是當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻遇到堅(jiān)硬土體或是巖層時(shí)施工較困難，需要特殊的成槽設(shè)備且施工費(fèi)用較高[2]。

結(jié)合下穿隧道框架段地質(zhì)情況，地面下約4～6m 為超厚卵石層且基坑開挖深度較深，采用鋼板樁不僅難以抵抗巨大的土壓力，還在卵石層中難以順利打拔，不能保障基坑安全性。

通過上述分析，結(jié)合五環(huán)路雙流段項(xiàng)目建設(shè)要求，初步擬定采用灌注樁支護(hù)及地下連續(xù)墻支護(hù)，具體結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)如下。

支護(hù)工藝1：灌注樁支護(hù)。采用φ1.2m 灌注樁及樁間掛網(wǎng)噴漿防護(hù)，樁頂設(shè)置冠梁，基坑橫向設(shè)置兩道格構(gòu)柱，其下設(shè)置φ1.0m 立柱樁，其頂設(shè)砼支撐，沿基坑縱向間距8m共計(jì)12 排。

支護(hù)工藝2：地下連續(xù)墻支護(hù)。采用厚800mm 的自立式地下連續(xù)墻，“I”形斷面，墻體為C35 混凝土，接頭形式為鋼筋混凝土接頭。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

根據(jù)上文基坑支護(hù)方案對比分析結(jié)果，重點(diǎn)對灌注樁支護(hù)及地下連續(xù)墻支護(hù)這兩種工藝的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.1 灌注樁支護(hù)穩(wěn)定性分析

3.1.1 計(jì)算嵌固穩(wěn)定性

灌注樁支護(hù)工藝屬于單層支撐的支擋結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻(xiàn)[3]要求，其嵌固深度應(yīng)符合下列嵌固穩(wěn)定性的要求。結(jié)構(gòu)受力簡圖如圖1所示，計(jì)算嵌固穩(wěn)定性如公式（1）所示。

圖1 單層支撐的支擋結(jié)構(gòu)嵌固穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)構(gòu)簡圖

式中：Kem為嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)；當(dāng)基坑安全等級為一級時(shí)，Kem≥1.25；Eak、Epk分別為基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力和內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Za2、Zp2分別為基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力和內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)至支點(diǎn)的距離，m。

根據(jù)公式（1）和灌注樁支護(hù)工藝結(jié)構(gòu)物參數(shù)，計(jì)算灌注樁嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)Kem=2.47≥1.25，滿足規(guī)范要求。

3.1.2 計(jì)算坑底隆起穩(wěn)定性

單層支撐的支擋結(jié)構(gòu)嵌固深度應(yīng)滿足坑底隆起穩(wěn)定性要求，結(jié)構(gòu)受力簡圖如圖2所示，計(jì)算抗隆起穩(wěn)定性如公式（2）～公式（4）所示。

圖2 擋土構(gòu)件底端平面下土的抗隆起穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)構(gòu)簡圖

式中：Khe為抗隆起安全系數(shù)，當(dāng)基坑安全等級為一級時(shí)，Khe≥1.8；γm1、γm2分別為基坑外和基坑內(nèi)擋土構(gòu)件底面以上土的重度，kN/m3；D為基坑底面至擋土構(gòu)件底面的土層厚度，m；h為基坑深度，m；q0為底面均布荷載，kPa；Nc、Nq為承載力系數(shù)；c為擋土構(gòu)件底面以下土的黏聚力，kPa；φ為擋土構(gòu)件底面以下土的內(nèi)摩擦角，°。

根據(jù)公式（2）～公式（4）以及灌注樁支護(hù)工藝結(jié)構(gòu)物與土層參數(shù)，計(jì)算灌注樁抗隆起安全系數(shù)Khe=3.60≥1.8，滿足規(guī)范要求。

3.2 地下連續(xù)墻穩(wěn)定性分析

3.2.1 嵌固穩(wěn)定性計(jì)算

地下連續(xù)墻支護(hù)工藝屬于懸臂式支擋結(jié)構(gòu)，根據(jù)規(guī)范要求，嵌固深度應(yīng)符合下列嵌固穩(wěn)定性的要求。結(jié)構(gòu)受力簡圖如圖3所示，計(jì)算嵌固穩(wěn)定性如公式（5）所示。

圖3 懸臂式的支擋結(jié)構(gòu)嵌固穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)構(gòu)簡圖

式中：Kem為嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)；當(dāng)基坑安全等級為一級時(shí)，Kem≥1.25；Eak、Epk分別為基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力和內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Za1、Zp1分別為基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力和內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)至擋土構(gòu)件底端的距離，m。

根據(jù)公式（5）以及地下連續(xù)墻支護(hù)工藝結(jié)構(gòu)物參數(shù)，計(jì)算地下連續(xù)墻嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)Kem=1.77≥1.25，滿足規(guī)范要求。

3.2.2 整體穩(wěn)定性計(jì)算

懸臂式支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足整體穩(wěn)定性要求，可采用圓弧滑動(dòng)條分法進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算，其結(jié)構(gòu)受力簡圖如圖4所示，計(jì)算整體穩(wěn)定性如公式（6）、公式（7）所示。

圖4 圓弧滑動(dòng)條分法整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)構(gòu)簡圖

式中：Ks為圓弧滑動(dòng)整體穩(wěn)定安全系數(shù)，當(dāng)基坑安全等級為一級時(shí)，Ks≥1.25；Ks，i為第i個(gè)滑動(dòng)圓弧的抗滑力矩與滑動(dòng)力矩的比值；cj為第j土條滑動(dòng)弧面處土的黏聚力，kPa；φj為第j土條滑動(dòng)弧面處土的內(nèi)摩擦角，°；bj為第j土條的寬度，m；θj為第j土條滑弧面中點(diǎn)處的法線與垂直面的夾角，°；lj為第j土條的滑弧長度，m，取lj=bj/cosθj；qj為作用在第j土條上的附加分布荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；ΔGj為第j土條的自重，按天然重度計(jì)算，kN；uj為第j土條在滑弧面上的孔隙水壓力，kPa；坑底在地下水位以上時(shí)其值取0。

根據(jù)公式（6）、公式（7）和地下連續(xù)墻支護(hù)工藝結(jié)構(gòu)物與土層參數(shù)，計(jì)算地下連續(xù)墻整體穩(wěn)定安全系數(shù)KS=2.33≥1.25，滿足規(guī)范要求。另外，根據(jù)規(guī)范要求，可不計(jì)算懸臂式支擋結(jié)構(gòu)的抗隆起穩(wěn)定性。

3.3 有限元數(shù)值模擬對比分析

3.3.1 有限元數(shù)值模型建立

通過上文理論計(jì)算得出灌注樁支護(hù)和地下連續(xù)墻支護(hù)各自的穩(wěn)定性安全系數(shù)，為進(jìn)一步驗(yàn)證在兩種支護(hù)工藝情況下，基坑外側(cè)土體變形數(shù)值及規(guī)律，采用MIDAS 軟件，根據(jù)地基土物理力學(xué)指標(biāo)及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)物材料參數(shù)，用1m×1m 的微小單元模擬基坑土體，分別建立兩種基坑支護(hù)工藝有限元數(shù)值模型，模型X方向?yàn)榛訖M斷面，Y為縱斷面，Z向上為正。設(shè)置模型橫向范圍為50m，縱向選取15m。有限元數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 基坑支護(hù)有限元數(shù)值模型

3.3.2 模型計(jì)算結(jié)果及分析

基坑開挖完成后，在不同基坑支護(hù)工藝情況下，基坑外側(cè)土體變形將呈現(xiàn)不同規(guī)律[4]。通過有限元模擬，建立距基坑邊緣不同距離工況，得到不同支護(hù)工藝情況下坑外深層土體位移變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同支護(hù)工藝下坑外深層土體位移變化曲線

由圖6 可知，基坑外側(cè)深層土體距基坑越近，位移變形越大，反之越小。但不同的是，在灌注樁支護(hù)情況下，基坑外側(cè)土體水平位移在地面下約6m 處出現(xiàn)最大值，約為2.4mm；而地下連續(xù)墻支護(hù)在地面下約8m 處出現(xiàn)最大值，約為6.3mm。這種差別是因?yàn)楣嘧吨ёo(hù)工藝嵌固深度較大且樁頂設(shè)有冠梁及橫向砼支撐，所以可大幅度抵抗基坑周圍的主、被動(dòng)土壓力；而地下連續(xù)墻主要作用為抵抗主動(dòng)土壓力，較難影響基坑底面以下部分土體產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力[5]。因此兩者土體最大位移值均出現(xiàn)在基坑開挖深度范圍內(nèi)（基坑開挖深度為9m），但處于不同深度軸線上。

4 結(jié)論

經(jīng)過對五環(huán)路雙流段下穿隧道基坑支護(hù)方案進(jìn)行對比分析，通過理論計(jì)算與有限元模擬對擬定的支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及坑外深層土體位移變形進(jìn)行驗(yàn)證，可以看出，灌注樁支護(hù)工藝在支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，各項(xiàng)安全系數(shù)均大于地下連續(xù)墻支護(hù)，基坑外深層土體的位移變形遠(yuǎn)小于地下連續(xù)墻支護(hù)工藝。綜合考慮工程項(xiàng)目建設(shè)相關(guān)規(guī)定、不同支護(hù)工藝各自的安全系數(shù)、施工內(nèi)容、工期進(jìn)度以及施工成本等，項(xiàng)目最終采用灌注樁支護(hù)工藝作為基坑支護(hù)首選方案。