樁錨式支護體系在地鐵超寬深基坑中的應(yīng)用

張 伯 夷, 李 東 福, 楊 泳 森

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610081)

1 工程概述

成都軌道交通4號線光華公園站為地下雙層11 m島式站臺車站,車站總長481.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.9 m，頂板覆土厚度約為2.4～3.6 m，底板埋深約15.7～17 m，地下水資源豐富，地面以下3～40 m均為砂卵石層。基坑北側(cè)采用φ1 200@2 500 mm圍護樁，南側(cè)臨近建筑物段采用φ1 200@2 000 mm圍護樁，車站端頭盾構(gòu)洞門處采用φ1 500@1 600 mm玻璃纖維筋圍護樁。樁頂設(shè)冠梁，樁間采用網(wǎng)噴混凝土做為樁間擋土措施，混凝土面層厚150 mm，鋼筋網(wǎng)采用φ8@200 mm×200 mm。在車站樁號YDK21+609.75～YDK21+862.25段，由于需與位于其南側(cè)的地下商場進行共坑開挖，需在基坑北側(cè)設(shè)置樁+錨索的方式進行支護，共設(shè)4道錨索,樁與主體結(jié)構(gòu)之間的間隙采用C20素混凝土回填(圖1)。

2 支護體系設(shè)計

2.1 基坑保護等級及變形控制標(biāo)準(zhǔn)

光華公園站基坑全長481.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.9 m，最大深度17 m，車站西北側(cè)為涌泉廣場，東北側(cè)為在建的珠江新城國際商業(yè)，西南側(cè)為市政綠地，規(guī)劃為市政公園地下空間開發(fā)，市政公園基坑深度約15.3 m，根據(jù)基坑規(guī)模與周邊環(huán)境條件，基坑變形控制保護等級為一級，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)γ=1.1，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移≤0.1%H且≤30 mm，周邊地面最大沉降量≤0.1%H(17 mm)。

2.2 支護參數(shù)的計算

明挖支護型式為多支點樁結(jié)構(gòu)，采用理正深基坑輔助設(shè)計軟件F—SPW V7.0模擬基坑開挖和回筑全過程，按增量法原理計算與驗算(表1、2)。

表1 支錨信息表

表2 工況信息表

計算結(jié)果見圖2(以最大開挖深度工況9為例)：

施工期間，樁錨支護段樁體的最大水平位移為6.97 mm，樁的最大彎矩為507.69 kN·m(設(shè)計值為1 145.15 kN·m)；錨索最大拉拔力為653 kN(第2層錨索)。

2.3 錨索的受力計算

錨索的計算主要包括錨索錨固力和鋼絞線承載力的計算。錨索錨固力的計算主要是進行錨固體與其周圍土體摩阻力的計算，用以確定錨固體的直徑和錨固段長度。根據(jù)成都地區(qū)的施工經(jīng)驗，如按規(guī)范的公式計算，錨索的錨固段一般較長，普遍偏于保守。另外，該工程錨索采用高壓二次灌漿工藝。通常，采用該工藝后錨固體的拉拔力提高很多，因此，該工程錨索錨固體的長度主要是以工程類比為主，計算為輔。首先，根據(jù)經(jīng)驗確定一個值，然后主要通過在相同地層做錨索拉拔力試驗進行調(diào)整(拉拔力試驗規(guī)范要求抗拔試驗錨索根數(shù)在同一土層中不少于3根)。

試驗荷載：

(1)抗拔試驗時最大的試驗荷載不宜超過錨索索體極限承載力的0.8倍，用以確定錨固體與巖土層的粘接強度特征值、錨索設(shè)計參數(shù)和施工工藝及錨索的極限抗拉承載力。

(2)根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》GB/T 5224-2003規(guī)定，1×7標(biāo)準(zhǔn)型，公稱直徑15.2 mm，其標(biāo)準(zhǔn)強度為1 860 MPa的鋼絞線單根的最大力(Fm/kN)不小于260 kN，3根鋼絞線的錨索理論最大力不小于780 kN，4根鋼絞線的錨索理論最大力不小于1 040 kN。

(3)本次抗拉拔試驗荷載經(jīng)計算得知：3根鋼絞線的錨索最大值為780 kN×0.8=624 kN，即最大試驗荷載不超過624 kN；4根鋼絞線的錨索最大值為1 040 kN×0.8=832 kN，即最大試驗荷載不超過832 kN。

2.4 樁錨式支護體系整體穩(wěn)定性驗算

為保證基坑安全，在施工前還需對圍護結(jié)構(gòu)進行整體穩(wěn)定性驗算，計算的方法采用瑞典條分法。選取最典型的工況9為例，其抗傾覆安全系數(shù)Ks為:

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(nèi)支撐支點力則由內(nèi)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。

經(jīng)計算：

Ks= 2.324 ≥1.25, 滿足規(guī)范要求。

3 樁錨式支護體系的主要施工方法

該工程的圍護樁采用旋挖灌注樁。鑒于該類樁施工技術(shù)成熟且普遍，筆者在文中不做介紹，主要介紹錨索的相關(guān)施工工藝。

圖2 圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力位移包絡(luò)圖

3.1 錨索施工工藝流程

掛網(wǎng)噴射樁間混凝土→測量定位錨索位置→鉆機定位→鉆進下錨→拔套管→沖孔→灌漿→施工腰梁、預(yù)埋錨具→張拉→鎖定錨桿。

3.2 施工質(zhì)量控制要點

(1)錨索孔水平及垂直方向的孔距誤差不得大于100 mm，鉆頭直徑不得小于設(shè)計鉆孔孔徑3 mm。鉆機嚴(yán)格按照設(shè)計孔位、傾角和方位準(zhǔn)確就位，采用測角量具控制角度，鉆機導(dǎo)軌傾角的誤差不超過±1°，方位誤差不超過±2°。

(2)錨索體長度嚴(yán)格按照設(shè)計要求制作，錨固段長度的制作允許誤差為±50 mm，自由段長度除滿足設(shè)計要求外，為充分考慮張拉設(shè)備和施工工藝要求，一般預(yù)留超長1.2 m。

(3)針對砂卵石地層錨索施工易塌孔的特點，錨索注漿采取邊注漿、邊拔管的方式分3次拔管。錨索安裝完成立即注漿，第一次注漿8 m，拔管6 m；第二次注漿6 m，拔管6 m；第三次完成自由段注漿，拔出孔內(nèi)的剩余套管。

(3)當(dāng)錨固體與腰梁混凝土強度達到設(shè)計強度的75%時方能進行錨索張拉鎖定作業(yè)。

(4)錨索正式張拉前，取0.1～0.2倍的軸向拉力設(shè)計值對錨索預(yù)張拉1～2次，使錨索完全平直并與各部位接觸緊密，產(chǎn)生初剪。錨索張拉至1.05～1.1倍軸向拉力設(shè)計值并保持15 min，然后卸荷至零，再重新張拉至鎖定荷載進行鎖定，鎖定荷載為0.75～0.9倍的軸向拉力設(shè)計值。預(yù)應(yīng)力張拉分級加載，張拉分級加載依0.1～0.2、0.5、0.75、1、1.05～1.1倍的錨索軸向拉力設(shè)計值進行，每級持續(xù)5 min，分級記錄預(yù)應(yīng)力伸長值。

4 監(jiān)控量測與成果分析

為了確保樁錨式支護體系在車站主體結(jié)構(gòu)施工期間周圍環(huán)境及圍護結(jié)構(gòu)自身的施工安全，在施工過程中需進行測點的設(shè)置、日常量測工作和數(shù)據(jù)處理、信息反饋工作，進行信息化施工以確保工程施工的安全。通過監(jiān)控量測達到以下目的：

(1)將監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值相比較，判斷前一步施工工藝和支護參數(shù)是否符合預(yù)期要求，以確定和調(diào)整下一步施工，確保施工安全。

(2)將現(xiàn)場監(jiān)測到的數(shù)據(jù)、信息及時反饋以便及時修改和完善設(shè)計，使設(shè)計方案達到優(yōu)質(zhì)安全、經(jīng)濟合理。

(3)將現(xiàn)場測量到的數(shù)據(jù)與理論預(yù)測值比較，用反分析法進行分析計算，使設(shè)計更符合實際用以指導(dǎo)今后的工程建設(shè)。

(4)監(jiān)視圍護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況，驗證圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計效果，保證圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、地表建筑和地下管線的安全。

(5)監(jiān)測成果分析。

①樁頂水平位移。樁頂水平位移的時間變化規(guī)律(選取裝錨段N2測點)：坑內(nèi)土方未開挖時(表2，工況1)為0。隨著土方開挖直至第一道錨索張拉前(表2，工況2)，逐漸增大至C1；第一道錨索端頭錨固后逐漸減小，隨著土方開挖直至第二道錨索張拉前(表2，工況4)又逐漸增大至C2；第二道錨索端頭錨固后逐漸減小，隨著土方開挖直至第三道錨索張拉前(表2，工況6)又逐漸增大至C3，第三道錨索端頭錨固后逐漸減小；開挖至第四道錨索時(表2，工況8)又逐漸增大，在第4道錨索錨固和底板施工后又逐漸減小至C4；之后漸趨穩(wěn)定。其中C1>C3>C4>C2(圖3)。

圖3 N2點水平位移時間曲線圖

樁頂水平位移的實測最大值為16 mm，小于計算最大值和報警值。通過觀察樁頂水平位移變化規(guī)律，證明樁錨式支護體系的設(shè)置對控制基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形切實有效。

②地表沉降。因其距城市主干路較近，故在基坑北側(cè)設(shè)置了5個地表沉降觀測點，其距基坑邊緣的距離分別為2.3 m、8.4 m、16.8 m、25.2 m、33.6 m；因市政公園基坑較寬，南側(cè)道路受基坑開挖影響較小，故在基坑南側(cè)未設(shè)觀測點。

根據(jù)觀測結(jié)果，基坑北側(cè)5個觀測點的地表沉降分別為1.2 mm、11.1 mm、16.5 mm、10.5

mm、0.8 mm，表明基坑周邊地表沉降隨著離開基坑邊緣距離的增大，先是逐漸增大，在離開基坑邊緣距離大約為1倍基坑挖深時達到最大，其后又逐漸減小，符合基坑開挖影響規(guī)律(圖4)。

圖4 周邊地表沉降(坑邊距離曲線)圖

5 結(jié) 語

成都軌道交通4號線光華公園站采用的鉆孔灌注樁+4層錨索的支護體系為共同開發(fā)的地下商場提供了施工條件，并通過前期計算和實踐證明樁錨式支護體系在成都地區(qū)的地層條件下是可行的，其取得的經(jīng)驗可為后續(xù)類似工程提供參考。