隧道支護(hù)橫撐立柱基礎(chǔ)的布置與應(yīng)用

王 鑫，孫帥勤，劉 坤，郭雨非，劉立健

（1.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京市100082；2.聯(lián)參警衛(wèi)局，北京市100017）

0 引言

城市中的道路為了實現(xiàn)對軌道交通、城市道路、河道等構(gòu)筑物的穿越，通常會采用上跨或下穿方案。下穿方案一般采用U 槽和閉合框架結(jié)構(gòu)相結(jié)合的隧道形式，由于其對周邊景觀及環(huán)境影響較小，常作為首選方案。

在隧道工程建設(shè)過程中，基坑開挖是一個很重要的階段。一般來說，基坑開挖時以鋼板樁、護(hù)坡樁等支護(hù)形式最為常用，其固定形式主要有樁撐和樁錨。當(dāng)土層性質(zhì)較差或支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下構(gòu)筑物矛盾時，樁錨無法使用，需采用樁撐。而如果基坑較寬，支護(hù)橫撐需在中間處設(shè)置立柱以提高橫撐剛度。將該立柱基礎(chǔ)作為后期隧道結(jié)構(gòu)的支撐樁或抗拔樁使用，一樁多用，可大大節(jié)約工程造價和工程所用時間。在工程中對該方案進(jìn)行核算，并予以實施，使其成為一種可行的施工方法。

1 工程概況

本項目位于嶺南某城市新區(qū)，地貌類型為河流沖積平原區(qū)，地勢平坦，植被不發(fā)育，現(xiàn)況多為魚塘，分布少量田地及村落。新區(qū)內(nèi)部水域分布極廣，類型包括江河、渠道和魚塘等，總面積占新區(qū)面積的40%以上。經(jīng)勘察揭示，本次勘察區(qū)段場地地基由人工填土層、第四系沖積層、洪積層及石炭系石磴子段灰?guī)r等組成。第四系土層由粉質(zhì)黏土、淤泥、淤泥質(zhì)土及飽和砂土等組成；基巖按風(fēng)化程度劃分為中風(fēng)化巖帶，基巖中存在溶洞。建場區(qū)地下水位埋藏較淺，在進(jìn)行抗浮設(shè)計時，考慮場地原始地貌及水文地質(zhì)條件、氣象因素，抗浮設(shè)計水位按道路設(shè)計標(biāo)高考慮。為完善道路交通功能，實現(xiàn)新區(qū)道路快速化，在該區(qū)域部分主干路建設(shè)下穿隧道。

2 發(fā)現(xiàn)問題

（1）隧道低于現(xiàn)況地面，實施隧道需下挖基坑。因項目場區(qū)內(nèi)在隧道土層中有比較厚的淤泥及淤泥質(zhì)土，故采用穩(wěn)定性較好的鉆孔灌注樁+ 內(nèi)撐支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑支護(hù)。隧道結(jié)構(gòu)較寬，內(nèi)撐長度達(dá)到25 m，需在其中點附近設(shè)置一支撐，采用鉆孔灌注樁+鋼格構(gòu)柱形式。

（2）隧道基礎(chǔ)所在土層為軟弱土層，承載力無法滿足結(jié)構(gòu)需求，經(jīng)驗算需進(jìn)行軟基處理。比選后采用PHC 管樁處理方式。而兩側(cè)相接隧道的U 槽段經(jīng)抗浮驗算，需設(shè)置抗拔樁，采用鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)。

（3）基于以上兩點，基坑內(nèi)共有PHC 管樁基礎(chǔ)、抗拔樁基礎(chǔ)、鋼格構(gòu)柱樁基礎(chǔ)等，基礎(chǔ)種類多，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，施工難度較大。

3 解決思路

結(jié)構(gòu)設(shè)計與軟基處理設(shè)計、基坑支護(hù)設(shè)計統(tǒng)籌考慮，合理布置護(hù)坡樁橫撐的鋼格構(gòu)柱基礎(chǔ)位置，將其作為后期結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的鉆孔灌注樁使用，替代PHC 管樁及鉆孔灌注樁的作用，提高結(jié)構(gòu)承載力；同時在結(jié)構(gòu)有抗浮需求的節(jié)段，取代抗拔樁使用。利用其承載能力及抗拔能力，減少結(jié)構(gòu)種類，避免重復(fù)施工和浪費。對結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)調(diào)整布置見圖1、圖2。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)斷面圖1

圖2 隧道結(jié)構(gòu)斷面圖2

該鉆孔灌注樁占位原樁基礎(chǔ)，并替代原基礎(chǔ)作用。

鋼格構(gòu)柱作為橫撐的支點，在拆撐后才失去其支點的作用，而通常隧道頂板施工完成，肥槽土回填壓實后方拆除該處橫撐。由此可知，鋼格構(gòu)柱拆除應(yīng)在頂板施工之后，此時底板早已完工，而鋼格構(gòu)柱樁基穿透底板，沿底板頂面將該基礎(chǔ)截斷即可。其余樁基礎(chǔ)均不與結(jié)構(gòu)底板直接發(fā)生關(guān)系：PHC 管樁上設(shè)置鋼筋混凝土整體托板，結(jié)構(gòu)位于托板上，防水層位于結(jié)構(gòu)與托板之間；鉆孔灌注樁或CFG 樁在樁頂設(shè)置碎石墊層做緩沖，結(jié)構(gòu)位于墊層之上。這種做法給結(jié)構(gòu)帶來的主要是施工工序的調(diào)整和底板防水層處理的問題。

參照地下建筑防水構(gòu)造圖集（02J301）中樁基深入底板的防水構(gòu)造，將樁頭包在底板中，底板在樁基礎(chǔ)加厚，外包防水層在相接處加強(qiáng)。做法見圖3。

圖3 樁基與底板相接處防水構(gòu)造

4 結(jié)構(gòu)分析

對擬建結(jié)構(gòu)進(jìn)行核算，核算結(jié)構(gòu)各部分受力狀況，以驗證以上工程設(shè)想。

4.1 模型及體系

計算軟件采用Midas/Civil 軟件，隧道結(jié)構(gòu)使用板單元模擬，樁基采用梁單元模擬，見圖4。通過該程序得出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值（見圖5～圖7）和撓度值（撓度計算時程序已按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》考慮了混凝土開裂時剛度的折減）。截面配筋和裂縫計算按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》列表計算。

圖4 閉合框架及樁基段有限元模型

圖5 閉合框架橫向彎矩

圖6 樁基最大彎矩

圖7 樁基最大軸力

4.2 材料

計算所選用的材料為鋼筋混凝土。其中鋼筋采用：HRB400 鋼；混凝土采用C30，其抗壓彈性模量：3.0×104MPa。

4.3 邊界條件

底板地基土體模擬為只受壓的文克勒彈簧。從《地質(zhì)勘察報告》中得到，基底所屬土層為淤泥，其剛度參照相應(yīng)基床系數(shù)，取值為1000 kN/m3。

樁基側(cè)處于淤泥環(huán)境，樁底進(jìn)入巖層。樁基使用m法模擬，樁側(cè)為淤泥，m值取3000 kN/m4，樁底模擬為固結(jié)。

樁與底板接觸位置使用剛性連接，主從節(jié)點間約束6 向自由度。

4.4 荷載及工況

計算荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、土壓力荷載、水壓力荷載、鋪裝荷載、活載。

（1）結(jié)構(gòu)自重密度取為26 kN/m3。

（2）鋪裝重度取24 kN/m3。

（3）側(cè)向壓力。側(cè)向壓為側(cè)向土壓力與側(cè)向水壓力疊加。水壓力直接根據(jù)靜水壓力計算；側(cè)向壓力按主動土壓力計算，按地下水位至地表距離0 m計算。

（4）鋪裝上部活載。汽車活載作用，城-A 級，按車輛荷載布載，45℃擴(kuò)散考慮（《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》）（車道荷載校核）。

計算過程分兩種情況：不考慮水浮力作用；考慮水浮力作用。

4.5 使用階段計算分析

根據(jù)模型計算結(jié)果，核算各工況下結(jié)構(gòu)的受力及樁基受力，以確保結(jié)構(gòu)安全及樁基承載力需求。

（1）根據(jù)計算結(jié)果，對隧道結(jié)構(gòu)及樁基配置合理的鋼筋。

（2）樁基按摩擦樁考慮，進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)承載能力計算。

（3）進(jìn)行抗浮計算，對有抗浮需求的節(jié)段，樁基需同時滿足承載力需求和結(jié)構(gòu)抗拔力需求。

5 實施效果

對所構(gòu)想的方案應(yīng)用于實際工程中，并根據(jù)現(xiàn)場情況相應(yīng)微調(diào)，效果見圖8、圖9。

圖8 鋼格構(gòu)柱基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)布置（底板墊層施工中）

圖9 鋼格構(gòu)柱與樁撐細(xì)部圖（結(jié)構(gòu)底板施工中）

6 結(jié) 語

在隧道工程中，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁撐結(jié)構(gòu)而斷面較寬時，支護(hù)橫撐需在中間處設(shè)置立柱以提高橫撐剛度。而如隧道有抗浮或增加地基承載力需求，應(yīng)設(shè)置抗拔樁或抗壓樁。此時結(jié)構(gòu)設(shè)計與軟基處理設(shè)計、基坑支護(hù)設(shè)計宜統(tǒng)籌考慮，合理布置護(hù)坡樁橫撐的鋼格構(gòu)柱基礎(chǔ)位置，將其作為后期結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的鉆孔灌注樁使用，替代PHC 管樁及鉆孔灌注樁的作用，提高結(jié)構(gòu)承載力；同時在結(jié)構(gòu)有抗浮需求的位置，取代抗拔樁使用。利用其承載能力及抗拔能力，減少結(jié)構(gòu)種類，避免重復(fù)施工和浪費。

該種樁基布置方式經(jīng)工程實際應(yīng)用，操作簡單有效，可滿足經(jīng)濟(jì)性及安全性要求。