涂啟柱

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢　430063)

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樁+噴錨支護(hù)在某新建站房土巖結(jié)合深基坑中的應(yīng)用

涂啟柱

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢430063)

摘要：在分析土巖結(jié)合深基坑特點的基礎(chǔ)上，針對周邊環(huán)境復(fù)雜、下部巖體為中硬質(zhì)巖或硬質(zhì)巖的土巖深基坑，建議采用上部樁(撐或錨)+下部噴錨支護(hù)的支護(hù)方法，并提出采用三階段計算法進(jìn)行設(shè)計計算。針對某新建站房土巖結(jié)合深基坑，采用三階段計算法進(jìn)行樁+噴錨支護(hù)設(shè)計，并對其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：樁+噴錨支護(hù)能夠較好地控制基坑變形，能夠保證基坑的整體穩(wěn)定，從而驗證了樁+噴錨支護(hù)適用于土巖結(jié)合深基坑支護(hù)，按三階段法進(jìn)行設(shè)計計算是安全可靠的。

關(guān)鍵詞：樁+噴錨支護(hù)；土巖結(jié)合深基坑；三階段計算法；基坑變形；整體穩(wěn)定

1概述

土巖結(jié)合基坑是指在基坑開挖深度范圍內(nèi)上部為土層、下部為巖層的二元結(jié)構(gòu)基坑。當(dāng)下部巖層為中硬巖或硬巖時，巖層具有很好的邊坡自穩(wěn)能力和豎向承載能力，若繼續(xù)沿用上部土層支護(hù)方式，既不經(jīng)濟(jì)，施工也會很困難。而在基坑工程支護(hù)設(shè)計中，必須根據(jù)地質(zhì)情況、周圍環(huán)境選擇合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)類型[1]。

對于土巖結(jié)合深基坑工程，其支護(hù)方法及支護(hù)理論分析，還未形成統(tǒng)一認(rèn)識[2]，未形成全國性的相關(guān)規(guī)范或規(guī)程，僅湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DB42/T159—2012)[3]做了一些簡單規(guī)定，但未對設(shè)計計算方法做出具體規(guī)定。一些學(xué)者在這方面開展了一些研究：韓文浩[4]提出了預(yù)應(yīng)力錨板墻支護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)，但主要適用于巖層基坑；賈緒富等[5]提出了預(yù)應(yīng)力錨桿肋梁支護(hù)技術(shù)，主要是在支護(hù)面層采用縱橫肋梁傳遞錨桿預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)；丁文龍[6]、周賀[7]對樁在土巖結(jié)合基坑中的支護(hù)變形特性和沉降變形規(guī)律進(jìn)行了分析，但樁在中硬巖或硬質(zhì)巖中施工困難；陳勇[8]對影響土巖組合地區(qū)基坑變形的主要因素進(jìn)行了分析，并采用人工智能——BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對土巖組合地區(qū)基坑的變形進(jìn)行了預(yù)測研究；張宗強[9]、李白[10]及劉小麗[11]提出了用微型樁進(jìn)行支護(hù)；林佑高等[12]結(jié)合工程實例探討了雙排樁支護(hù)在土巖結(jié)合深基坑中的應(yīng)用；朱祥山[13]等對青島地區(qū)土巖基坑支護(hù)方法進(jìn)行分析，在綜合考慮變形控制、經(jīng)濟(jì)性及周邊環(huán)境等因素的情況下，認(rèn)為土巖結(jié)合基坑中采用樁+噴錨支護(hù)較為經(jīng)濟(jì)實用；李華杰[14]等也建議在周邊復(fù)雜的環(huán)境土巖深基坑，采用上部樁錨、下部噴錨的深基坑支護(hù)方法。朱志華等[15]對青島地區(qū)基坑支護(hù)方式進(jìn)行了調(diào)查分析，認(rèn)為青島地區(qū)基坑支護(hù)方式以樁+噴錨為主。

綜上所述，針對周邊環(huán)境復(fù)雜的土巖結(jié)合深基坑，在考慮經(jīng)濟(jì)性與施工的可操作性上，眾多學(xué)者建議采用樁+噴錨的支護(hù)方法。本文將首先分析樁+噴錨支護(hù)方法的特點，提出三階段設(shè)計計算方法，并結(jié)合某新建站房深基坑工程實例進(jìn)行深入的分析研究。

2樁+噴錨支護(hù)計算方法

樁+噴錨支護(hù)是指在土巖二元結(jié)構(gòu)地層中，上部土層采用樁+內(nèi)支撐(或錨桿)支護(hù)，在下部巖層采用噴錨支護(hù)(圖1)。從圖1可以看出， 基坑設(shè)計工況主要分為：(1)基坑開挖至強風(fēng)化巖底面，樁端嵌入中風(fēng)化巖，形成樁+內(nèi)支撐(或錨桿)支護(hù)型式；(2)基坑開挖至樁底高程，該工況排樁被動區(qū)土方被挖除，只設(shè)置1～2 m寬的一個平臺，為防止樁嵌固段抗力消失造成破壞，在平臺頂設(shè)置一道鎖腳錨桿；(3)基坑按巖石噴錨支護(hù)方法分層施工至基坑底。

根據(jù)3種主要設(shè)計工況，可以分為3個階段進(jìn)行設(shè)計計算。第一階段：基坑設(shè)計計算深度至強風(fēng)化巖底面(即樁前留設(shè)平臺面)，采用樁+內(nèi)支撐(或錨桿)支護(hù)進(jìn)行計算；第二階段：在平臺頂設(shè)置一道鎖腳錨桿，鎖腳錨桿的抗力按替代樁前被動區(qū)土抗力進(jìn)行設(shè)計計算；第三階段：樁前平臺以下至基坑底部分按巖石噴錨支護(hù)方法進(jìn)行計算，平臺以上樁及外側(cè)土體作為外荷載施加在平臺頂部。

圖1　樁+噴錨支護(hù)示意

3工程實例

3.1工程概況

某鐵路站房綜合交通樞紐工程基坑開挖深度15.60 m，基坑臨近既有站房側(cè)環(huán)境復(fù)雜，地下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外邊線距離既有站房相關(guān)建筑最近距離僅6.7 m，對基坑變形控制要求嚴(yán)格。綜合基坑開挖深度及基坑周邊環(huán)境，基坑安全等級定為一級，支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。本文將主要研究臨近既有站房側(cè)基坑的支護(hù)方式。

3.2地質(zhì)條件

根據(jù)鉆孔揭露，場地內(nèi)分布有人工填土(Q4ml)、下伏基巖為中元古界陳蔡群(pt2ch)花崗片麻巖，地層及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1　基坑設(shè)計地層計算參數(shù)

在勘探孔深度范圍內(nèi)地下水類型主要為上層滯水、基巖風(fēng)化裂隙水，上層滯水分布在雜填土內(nèi)，分布不均，含水量受降雨，季節(jié)變化控制，雨季時接近地表；基巖風(fēng)化裂隙水含水量甚微。勘察期間，地下水位埋深約為4 m。

3.3基坑支護(hù)設(shè)計與計算

(1)基坑支護(hù)設(shè)計方案

然而天有不測風(fēng)云，他的車遭遇了爆胎，就在他下車換輪胎的時候，兇悍男趕上了他，氣勢洶洶地下了車，害他只能躲回車?yán)?。兇悍男屬于睚眥必報的類型，對帥大叔百般折辱，掰斷了他的雨刷器，砸了他車前的玻璃，這還不算完，還爬到奧迪車頂上當(dāng)場大便了一坨。

基坑臨近既有站房側(cè)環(huán)境復(fù)雜，對基坑變形控制要求嚴(yán)格，經(jīng)過多方案綜合比選，確定基坑支護(hù)設(shè)計方案如下：上部采用鉆孔灌注樁+3道預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，其中第3道錨索為鎖腳錨索，鉆孔灌注樁樁徑1.0 m，樁間距1.5 m，樁端嵌入中風(fēng)化巖2 m，預(yù)應(yīng)力錨索水平間距3 m，傾角15°，鉆孔直徑150 mm；下部采用1∶0.2放坡+4道錨桿支護(hù)，錨桿豎向間距1.5 m，水平間距1.5 m，傾角15°，鉆孔直徑100 mm；排樁前設(shè)置1.5 m寬平臺(圖2)。

圖2　基坑支護(hù)設(shè)計方案剖面(高程單位為m，其余為mm)

(2)基坑支護(hù)計算

基坑支護(hù)設(shè)計根據(jù)主要設(shè)計工況分為3個階段進(jìn)行計算。

第一階段：基坑設(shè)計計算深度至強風(fēng)化巖底面，采用樁+2道預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)(圖3)。計算結(jié)果如下：第1道預(yù)應(yīng)力錨索長20 m，錨固段長度11 m，施加預(yù)應(yīng)力250 kN；第2道預(yù)應(yīng)力錨索長11 m，錨固段長度6 m，施加預(yù)應(yīng)力170 kN。根據(jù)彈性法計算排樁前被動區(qū)抗力為79 kN/m。

圖3　第一階段設(shè)計計算剖面(高程單位為m，其余為mm)

第二階段：在第一階段基坑底設(shè)置鎖腳預(yù)應(yīng)力錨索(圖4)。根據(jù)第一階段排樁前被動區(qū)抗力的計算結(jié)果及錨索支護(hù)的構(gòu)造要求，可以得出鎖腳預(yù)應(yīng)力錨索長11 m，錨固段長度6 m，施加預(yù)應(yīng)力190 kN。

圖4　第二階段設(shè)計計算剖面(高程單位為m，其余為mm)

第三階段：下部按巖石錨噴支護(hù)方法進(jìn)行設(shè)計計算(圖5)，第1道全黏結(jié)錨桿長8 m，第2道與第3道全黏結(jié)型錨桿7 m，第4道全黏結(jié)錨桿長6 m。錨桿芯材采用2根φ22 mm的HRB鋼筋。

圖5　第三階段設(shè)計計算剖面(高程單位為m，其余為mm)

3.4有限元分析

為了對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性和整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，采用Plaxis3D有限元分析軟件對基坑支護(hù)設(shè)計方案的開挖過程進(jìn)行模擬計算，以期驗證上述基坑支護(hù)設(shè)計方案的可靠性。

根據(jù)基坑支護(hù)設(shè)計方案，建立基坑模型，模型沿基坑邊寬度取3 m，土體與巖體均采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，支護(hù)樁根據(jù)等剛度法采用板單元?；拥孛娉d取20 kPa，并按照土層的分布情況和實際開挖工況建立計算模型(圖6)。

圖6　基坑有限元分析模型

(2)模型計算參數(shù)

土層部分參數(shù)取值見表1，土層的彈性模量與泊松比參數(shù)見表2。

表2　土層彈性模量與泊松比

(3)計算結(jié)果

①水平與豎向位移(圖7～圖10)

基坑開挖至8 m(即第一階段)，水平位移最大值7.48 mm，豎向位移最大值2.28 mm；基坑開挖至基坑底(即第三階段)，水平位移最大值7.47 mm，豎向位移最大值2.33 mm。從圖8可以看出，基坑開挖至坑底時，水平位移主要發(fā)生在上部雜填土層，而下部巖層、尤其是樁前被動區(qū)巖層未發(fā)生大的水平位移，從圖7與圖8對比可以看出，基坑水平位移主要發(fā)生在第一階段，開挖至基坑底時水平位移增量較小。從圖10可以看出，基坑開挖至坑底時，豎向位移主要發(fā)生在上部雜填土層，而下部巖層、尤其是樁前被動區(qū)巖層未發(fā)生較大的豎向位移，從圖9與圖10對比可以看出，基坑豎向位移主要發(fā)生在第一階段，開挖至基坑底時豎向位移變形增量較小。綜合基坑水平位移與豎向位移的分析結(jié)果可以看出，整個支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的。

圖7　開挖至8 m水平位移云圖

圖8　開挖至坑底水平位移云圖

圖9　開挖至8 m豎向位移云圖

圖10　開挖至坑底豎向位移云圖

②支護(hù)樁彎矩

基坑開挖至8 m(即第一階段)支護(hù)樁彎矩最大值383.8 kNm/m(圖11)；基坑開挖至基坑底(即第三階段)，支護(hù)樁彎矩最大值364.1 kNm/m(圖12)。支護(hù)樁最大彎矩發(fā)生在第一階段坑底處，第三階段相對與第一階段支護(hù)樁彎矩略有減小，是因為第二階段在-7.7 m處設(shè)置了一道鎖腳預(yù)應(yīng)力錨索的緣故。

圖11　開挖至8 m支護(hù)樁彎矩云圖

圖12　開挖至坑底支護(hù)樁彎矩云圖

③穩(wěn)定分析

Plaxis有限元軟件分析穩(wěn)定性采用強度折減法，由總乘子∑Msf來控制。這個乘子將逐步增加，直到發(fā)生破壞。如果在破壞后連續(xù)幾步的計算中能給出一個恒定的∑Msf，這個乘子就定義為安全系數(shù)。評估安全系數(shù)最好方式是繪制∑Msf與某點位移之間的關(guān)系曲線(注：位移的大小沒有意義)。通過穩(wěn)定性分析，基坑開挖至坑底，安全系數(shù)為1.73(圖13)，滿足設(shè)計要求。

圖13　位移-安全系數(shù)曲線

綜合上述分析，基坑支護(hù)設(shè)計方案的第三階段相對于第一階段，基坑水平位移變形與豎向位移變形及支護(hù)樁彎矩變化都較小，開挖樁前被動區(qū)的巖體對支護(hù)樁的影響不大；通過穩(wěn)定性分析，基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到1.73，滿足設(shè)計要求。因此，對于此類土巖結(jié)合基坑支護(hù)設(shè)計，按照三階段法設(shè)計計算是可行的。

4結(jié)論

(1)在分析土巖結(jié)合深基坑特點與眾多學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，針對周邊環(huán)境復(fù)雜、場地狹小、下部巖體為中硬巖或硬質(zhì)巖的土巖結(jié)合深基坑，建議采用樁+噴錨的支護(hù)方法。

(2)樁+噴錨的支護(hù)方法可以根據(jù)主要設(shè)計工況分3個階段進(jìn)行設(shè)計計算。

(3)以某鐵路站房綜合交通樞紐工程深基坑為實例，詳細(xì)闡述了按照3個階段進(jìn)行設(shè)計計算的過程，并利用有限元分析軟件對深基坑開挖進(jìn)行模擬計算，結(jié)果表明：樁+噴錨的支護(hù)設(shè)計方案能較好地控制基坑變形，能夠保證基坑整體穩(wěn)定。從而驗證了樁+噴錨支護(hù)方法適用于土巖結(jié)合深基坑支護(hù)，按三階段法進(jìn)行設(shè)計計算是安全可靠的。

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The Application of Pile and Shotcrete Anchor Supporting in a New Station Building Deep Foundation Pit in Rock and Soil

TU Qi-zhu

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：Based on the analysis of the characteristics of deep foundation pit in rock and soil， the pile and shotcrete anchor supporting is recommended for those deep foundation pits in rock and soil in complex surrounding environment with medium hard or hard lower part rock. And three-stage calculation is conducted for design calculation. For a new station deep foundation pit in soil and rock， three-stage calculation method is used for pile and shotcrete anchor support design， and numerical simulation is used for analysis. The results show that the pile and shotcrete anchor supporting can effectively control the pit deformation and ensure overall stability of the deep foundation pit. So it is verified that the shotcrete anchor support is suitable for deep foundation pit in rock and soil and the three-stage calculation method is safe and reliable．

Key words：Pile and shotcrete anchor supporting; Deep foundation pit in rock and soil; Three stage calculation method; Deformation of foundation pit; Overall stability

文章編號：1004-2954(2016)05-0129-05

收稿日期：2015-11-10； 修回日期：2015-11-30

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃重點課題(2014G008-D)

作者簡介：涂啟柱(1982—)，男，工程師， 2010年畢業(yè)于東南大學(xué)交通學(xué)院巖土工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：277142342@qq.com。

中圖分類號：U248.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.028