李金鑫

(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院， 湖南 長沙　410008)

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緊鄰高樓的隧道基坑支護方案研究

李金鑫

(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院， 湖南 長沙410008)

摘要：普瑞隧道明挖段基坑K1+230～275段緊鄰18層樓房，采用了鉆孔樁+橫撐的結構型式對基坑進行了支護。采用理正深基坑7.0計算軟件對基坑支護結構穩(wěn)定性進行了計算，得出基坑整體穩(wěn)定性安全系數、抗傾覆安全系數；并對基坑開挖過程進行了數值模擬，得出了地表位移、排樁位移及內力、第一道橫撐的位移及內力，結果表明基坑及高樓均是安全的，對類似工程有一定的借鑒意義。

關鍵詞：隧道； 基坑； 高樓； 鉆孔樁； 橫撐； 位移

1工程概況

普瑞隧道K1+230～275段緊鄰18層樓房，該段隧道為明挖，明挖基坑深度為13.2 m，寬21.4 m，具體見圖1所示。18層樓房距離基坑邊僅為5 m。該段圍巖從上而下依次為1 m厚填筑土、2 m厚軟粘土、4 m厚圓礫層、4 m強風化板巖、中風化板巖。

圖1　基坑平面

基坑深度較大且該段圍巖穩(wěn)定性差，選擇好的基坑支護型式很關鍵；18層樓房離基坑的距離僅5 m，基坑開挖之后容易導致高樓產生較大的沉降，從而影響高樓的穩(wěn)定性。

2基坑的支護型式設計及計算

由于本基坑工程圍巖較差且有2 m厚的軟粘土，如果采用樁錨支護型式的話，錨索預應力容易損失，且錨索容易侵入到高樓地下車庫，從而無法保證基坑及高樓的穩(wěn)定性；地下連續(xù)墻雖然能有效地阻止基坑變形，不過鑒于本項目基坑不是太深，采用地下連續(xù)墻會導致造價太高；針對本基坑的特點決定采用鉆孔樁+橫撐的支護型式，見圖2、圖3所示，鉆孔樁的直徑為1.0 m，間距1.3 m，并在地表施做冠梁(截面尺寸為1.0 m×0.8 m)，在基坑內部設置3道水平支撐，豎向間距為4 m，第1道支撐為鋼筋混凝土(截面尺寸1.0 m×0.8 m，每隔7 m布置1道)，其余2道水平支撐為鋼管(鋼管直徑為609 mm，壁厚12 mm，每隔3.9 m布置1道)；在基坑外側設置高壓旋噴樁，旋噴樁的直徑為0.8 m，按間距1.3 m布置。

隧道結構斷面見圖4所示，鉆孔樁與旋噴樁的布置關系見圖5所示。

圖2　支護立面(單位： cm)

圖3　基坑支護平面

圖4　隧道斷面(單位： m)

圖5　鉆孔樁與旋噴樁(單位： m)

為了確保基坑結構的穩(wěn)定性，同時不影響高樓安全，采用理正深基坑7.0計算軟件進行本段基坑結構左側(高樓所在的那一側)進行計算，計算模型見圖6所示，受高樓的影響，地表超載值取P=20 kN/m2，超載距離基坑5 m。計算內容有： ①地表沉降計算，見圖7所示； ②整體穩(wěn)定計算，見圖8所示； ③抗傾覆穩(wěn)定計算； ④抗隆起驗算，見圖9所示。

圖6　計算模型(單位： m)

圖7　地表沉降

圖8　整體穩(wěn)定性計算模型(單位： m)

圖9　抗隆起計算模型(單位： m)

1) 地表沉降：從圖7中可以看出，離坑邊越遠地表沉降就越小，最大地表沉降值為2 mm左右，且距離基坑5 m處(18層樓房位置)的地表沉降約為1.1 mm，滿足要求。

2) 整體穩(wěn)定性驗算：計算方法：瑞典條分法，條分法中的土條寬度：0.40 m；應力狀態(tài)：總應力法，滑裂面數據：整體穩(wěn)定安全系數Ks=2.347，滿足要求。

3) 抗傾覆驗算：抗傾覆安全系數：

式中：Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩，對于內支撐支點力由內支撐抗壓力決定；對于錨桿或錨索，支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值；Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

Ks=1.658，大于1.250，滿足規(guī)范要求。

4) 抗隆起驗算：

經過10多年的發(fā)展，INSPIRE相關法令（包括規(guī)定）、數據規(guī)范、元數據及網絡服務、數據與服務共享、空間數據服務和報告監(jiān)測機制等已在歐洲國家，包括部分亞洲國家普遍采用，19個專家組開發(fā)的70多個核心模式已在基礎設施建設涉及的各領域得到普遍應用，INSPIRE標準系列的頂層設計經驗亦推廣到相關國家和區(qū)域。

坑底抗隆起按以最下層支點為轉動軸心的圓弧條分法計算，結果如下：

Ks=2.585，大于2.200，坑底抗隆起穩(wěn)定性滿足。

3基坑開挖數值模擬

3.1模型及材料參數

本文采用MIDAS/GTS 數值計算軟件對18層高樓附近段的基坑(樁號為K1+245～265)進行開挖數值模擬，為了計算的方便，計算模型橫向(X方向)取80 m，豎直方向(Z方向)取30 m，縱向(Y方向)取20 m；邊界條件為橫向左右固定，豎直方向底部固定，縱向前后固定；18層高樓采用地面超載P=20 kN/m2進行模擬，整體模型見圖10所示，鉆孔樁+橫撐支護結構模型見圖11所示。

圖10　整體模型

圖11　支護結構模型

計算中，冠梁、鉆孔樁、水平支撐均采用梁單元來模擬，本構關系為彈性；高樓采用地面超載進行模擬；圍巖采用實體單元模擬，本構關系為摩爾-庫倫。 材料參數見表1、表2所示。

表1 材料參數表材料單元類型模型類型彈性模量E/(kN·m-2)泊松比ν容重/(kN·m-3)γ飽和粘聚力c/MPa摩擦角φ/(°)填筑土實體單元摩爾庫倫130000.3520210.1225軟粘土實體單元摩爾庫倫860000.321220.330圓礫實體單元彈性2000000.22223——板巖實體單元彈性4200000.22122

表2 結構單元參數表材料單元類型模型類型彈性模量E/(kN·m-2)泊松比ν重量密度/(kN·m-3)厚度或直徑/m鉆孔樁梁單元彈性298600000.2261.0第1道橫撐梁單元彈性297000000.2240.8第2、第3道橫撐梁單元彈性1000000000.278.50.6冠梁梁單元彈性298200000.2250.8

3.2開挖流程

具體開挖流程為： ①施做鉆孔樁、冠梁、旋噴樁； ②向下開挖2 m然后施做第1道鋼筋混凝土橫撐； ③繼續(xù)向下開挖4 m并施做第2道鋼支撐； ④繼續(xù)向下開挖4 m并施做第3道鋼支撐； ⑤繼續(xù)向下開挖3.2 m； ⑥施做隧道襯砌并逐步拆除橫撐； ⑦基坑回填。3道橫撐的施做見圖12所示。

a) 施做第1道橫撐b) 施做第2道橫撐

c) 施做第3道橫撐

3.3結果分析

通過計算得出本段基坑開挖后圍巖位移變形等值性圖，見圖13所示。

a) 豎向位移

b) 水平位移

從圖中可以看出，基坑開挖后地表發(fā)生了沉降，基坑底部向上隆起，而基坑側壁圍巖向內側發(fā)生了變形，具體表現在：基坑兩側地表位移不一樣，受高樓的影響，地表左側位移要比右側大，高樓處地表最大沉降為1.36 mm；受高樓的影響，基坑左側水平位移要比右側大，左側最大水平位移發(fā)生在左側壁下部，最大水平位移值為2.22 mm，右側最大水平位移值同樣發(fā)生在基坑下部，最大值為1.29 mm。因此，從上述分析中可以看出，基坑豎向位移及水平位移均不大，且高樓發(fā)生的沉降值也不大，表明基坑和高樓均是安全的。

3.3.2鉆孔樁位移及軸力分析

通過計算得出鉆孔樁水平位移及軸力圖，見圖14、圖15所示。

圖14　鉆孔樁水平位移

圖15　鉆孔樁軸力

從圖14中可以看出，受側壁圍巖擠壓的影響，鉆孔樁發(fā)生了變形，且左側鉆孔樁水平位移要比右側大，最大位移發(fā)生下鉆孔樁中部，最大值為2.22 mm；從圖15中可以看出鉆孔樁最大軸力發(fā)生在左側3/5位置處，最大值為589 kN。從以上分析可以看出，鉆孔樁位移及軸力均不大，在安全范圍之內。

3.3.3橫撐位移及彎矩分析

在基坑開挖過程中水平橫撐起到了非常關鍵的作用，尤其是第1道水平橫撐有效地控制地表變形，通過計算得出第1道水平鋼筋混凝土橫撐的位移及彎矩圖，見圖16、圖17所示。

從圖中可以看出，受左側高樓的影響，橫撐最大水平位移發(fā)生在橫撐的左側，最大值為0.92 mm；彎矩最大值發(fā)生在橫撐兩端，最大值為720 kN·m。從以上分析可以看出第1道橫撐的水平位移及彎矩均不大，在安全范圍之內。

圖16　第1道橫撐水平位移

圖17　第1道橫撐彎矩

4結論及建議

本文采用了鉆孔樁+橫撐的結構型式對緊鄰高樓段的隧道基坑進行了支護，采用理正深基坑7.0對本段設計進行了驗算，得出基坑整體穩(wěn)定性Ks=2.347、抗傾覆安全系數Ks=1.658、抗隆起安全系數Ks=2.585，均比規(guī)范值要大，表明基坑支護型式是合理的。并對基坑開挖進行了數值模擬，得出了地表位移、排樁位移及內力、第1道橫撐的位移及內力等，從計算結果中可以得出基坑及高樓都是穩(wěn)定的，說明鉆孔樁+橫撐這種結構型式能有效地控制基坑變形。另外在基坑施工過程中建議加強排水工作，對基坑地表位移及側壁位移進行監(jiān)控，以便及時了解基坑施工狀態(tài)。

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中圖分類號：U 45

文獻標識碼：A

文章編號：1008-844X(2016)01-0133-04