土巖二元結構地層地區(qū)吊腳墻基坑支護研究

熊 璐

（1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院），陜西西安 710043）

0 引言

城市土地資源日趨緊張，城市地下空間開發(fā)需求不斷加大，基坑開挖深度不斷加深，基坑開挖較深可能進入中等風化-微風化巖層，形成“上軟下硬”的土巖二元結構地層，基坑上部為土層，下部為基巖，兩種介質(zhì)差異性較大，很難用一種計算模型解決該問題[1]。對于上述土巖二元結構地層，基坑上部土層范圍常采用墻（樁）撐（錨）支護結構，考慮到基巖單軸抗壓強度較大，墻（樁）底嵌入基巖深度有限，而基坑底面在基巖以下數(shù)米，墻（樁）底好像吊在空中，形成“吊腳墻（樁）”[2]。目前關于吊腳墻（樁）的研究較少，劉紅軍等[3]建立吊腳樁有限元數(shù)值模型，分析了樁體嵌巖深度、樁腳處錨桿軸力和預留巖肩寬度等因素對基坑的影響。田海光[4]認為吊腳樁的嵌固深度取2 m，巖肩寬度取1.5 m較合理。趙文強[5]、朱丹暉[6]認為微型鋼管樁超前支護在直立巖石邊坡預裂及減振作用明顯。吳曉剛[7]結合有限元仿真計算結果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對吊腳樁深基坑圍護結構及土體的變形規(guī)律展開了研究。黃 薛等[8]認為吊腳樁采用樁錨支護及兩樁一錨的布設方式經(jīng)濟效益和時間效益明顯。畢經(jīng)東等[9]認為微型鋼管樁對吊腳樁巖肩保護作用明顯。許滿吉[10]以深圳地鐵5號線為例，詳細介紹了吊腳墻施工技術和錨索施工技術。本文以廣州地鐵21號線員村站為例，對土巖二元結構地層采用吊腳墻的支護體系計算方法進行研究，計算結果符合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，可以作為吊腳墻支護體系設計的參考。

1 工程概況

員村站初期是21號線的第一個車站，遠期是11號線的中間站，與5號線員村站進行換乘，車站南端設折返線。車站位于規(guī)劃的花城大道與員村二橫路交匯十字路口以南，沿員村二橫路南北向布置，車站總平面布置圖見圖1，車站有效站臺中心里程為DK5+112.000，車站明挖設計起點里程為DK4+769.590，車站設計終點里程為DK5+214.800。車站主體為地下四層14.5 m島式站臺車站，車站全長445.21 m，標準段寬為23.8 m，車站基坑開挖深度約28.12～30.86 m?；拥孜挥谥械蕊L化及微風化巖層。

圖1 員村站總平面布置圖

員村站主體基坑主要位于絹麻廠地塊內(nèi)，周邊建筑物主要包括站位北側的南新大街民房，西側的員村派出所，東側的程界西村居民房，南側的程屆西子富新邨居民樓，基坑明挖施工占用車站南側員村二橫路以及北側西界東馬路，給交通帶來不便，可以通過交通導改解決。

影響車站的主要管線有：員村二橫路上的φ1000雨水管線、φ400給水管道兩路，200×300電信管線；二號風亭上的φ800×700雨水管線，二號風亭處排水管線采用臨時遷改，施工完成后恢復。車站主體明挖段上方市政管線均考慮置換懸吊后恢復。

2 地質(zhì)概況

員村站及站后折返線場地地貌屬于珠江三角洲沖積平原，地面標高約6.37～12.72 m，地勢稍有起伏。上覆地層主要為第四系河湖相沉積地層和陸相沖、洪積相地層，下伏基巖為白堊系泥質(zhì)粉砂巖和礫巖。主要地層從上至下依次為人工填土<1>、粉質(zhì)黏土<4N-2>、淤泥質(zhì)土<4-2B>、殘積粉質(zhì)黏土<5N-1>、殘積粉質(zhì)黏土<5N-2>、全風化碎屑巖<6>、強風化礫巖、泥質(zhì)粉砂巖（<7-1>、<7-3>）、中等風化礫巖、泥質(zhì)粉砂巖（<8-1>、<8-3>）、微風化礫巖、泥質(zhì)粉砂巖（<9-1>、<9-3>），局部為粉細砂<3-1>、中粗砂<3-2>、淤泥<4-2A>。車站巖土參數(shù)建議值表如表1所示。

表1 巖土參數(shù)建議值表

勘察期間測得地下水初見水位埋深為1.00～4.60 m（標高3.67～9.19 m），穩(wěn)定水位埋深為1.20～4.80 m（標高3.87～9.69 m）。場地地下水類型主要包括①第四系孔隙水，主要賦存于沖、洪積砂層中，在松散填土之中亦有少量第四系孔隙水；②基巖風化裂隙水，主要賦存于強風化、中等風化巖體的風化裂隙之中、含水層無明確界限，埋深和厚度很不穩(wěn)定，其透水性主要取決于裂隙發(fā)育程度、巖石風化程度和含泥量。風化程度越高、裂隙充填程度越大，滲透系數(shù)則越低。

3 基坑支護方案

員村站為地下四層車站，主體基坑深度約為28.12～30.86 m。站位所在位置臨近珠江，結構周邊居民房屋密集，建筑物距離車站主體最近約15.2 m左右，地質(zhì)鉆孔顯示車站南端有較厚的砂層和淤泥層。為減少基坑開挖對周邊建筑物和重要管線的影響，車站圍護結構采用剛度大、變形小、工藝成熟、抗?jié)B止水效果好的地下連續(xù)墻方案。

由詳勘地質(zhì)鉆孔揭示，基坑26-53軸范圍巖面較高，中等風化及微風化巖自穩(wěn)性較好，為降低工程造價，該范圍內(nèi)連續(xù)墻采用吊腳墻，減少連續(xù)墻入巖深度，便于施工。綜合建筑場地空間限制和相關文獻研究[4]，巖肩寬度取值1.5 m。考慮到車站抗浮要求，在車站地下三層中板位置施作“抗浮墻趾+壓頂梁”，車站主體結構回筑階段，巖肩范圍回填C15素混凝土作為抗浮壓重，考慮耐久性要求，地下連續(xù)墻采用C35、P6水下混凝土，吊腳地下連續(xù)墻嵌入巖肩范圍以下1.5 m，上部基坑深度約22.5 m，基坑采用“800 mm厚連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系”，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐，支撐于冠梁上，第二-第四道支撐采用φ600×14鋼管支撐，支撐于2I45a鋼圍檁上，第五道支撐采用錨索，錨固于800 mm×800 mm的鋼筋混凝土圍檁（壓頂梁）上，錨索采用1×7束φs15.2標準鋼絞線，錨固體直徑為150 mm，錨索的錨固體強度不小于25 MPa。

下部巖石基坑深度約7.5 m，主要為微風化礫巖，礫狀結構，層狀構造，裂隙稍發(fā)育，巖體完整性指數(shù)Kv為0.640，為較完整-完整巖體；微風化泥質(zhì)粉砂巖，砂狀結構，層狀構造，裂隙稍發(fā)育，巖體完整性指數(shù)Kv為0.936，為完整巖體。場地無放坡條件采用直壁開挖，巖石基坑的穩(wěn)定性與巖體結構面發(fā)育情況及產(chǎn)狀有關，為保障巖體的穩(wěn)定性，采用“錨桿+混凝土面層”錨噴體系。錨桿采用HRB400鋼筋，主要起箍束骨架、承擔主要荷載、應力傳遞和擴散、對土體加固的作用。面層可增強整個錨噴體系的整體性及防水作用。面層采用100 mm厚C20素砼，錨桿MG1采用3E28，錨桿MG2和MG3采用2E28，采用梅花形布置@2000 mm×2000 mm，錨桿長度5～8m，錨桿入射角15o，結構面傾角60o。

車站施工將可能對周邊環(huán)境將產(chǎn)生一定的不利影響。本站基坑側壁安全等級為一級，變形控制保護等級為一級，變形控制標準：地面最大沉降量≤0.15%H；圍護結構最大水平位移≤0.25%H，且≤30 mm。連續(xù)墻接頭均采用I型鋼接頭?；又ёo剖面見圖2。

圖2 基坑支護剖面圖 （單位：mm）

車站主體結構采用明挖順作法施工，主要施工步驟如下：施工圍擋，場地平整——施工地下連續(xù)墻、中立柱——開挖至第一道砼支撐中心以下0.8 m，架設第一道砼支撐——待第一道砼支撐達到設計強度后，繼續(xù)開挖至第二道鋼支撐中心以下0.8 m，架設第二道支撐——依次向下開挖，隨挖隨撐，架設第三、四道支撐、第五道錨索——繼續(xù)向下開挖，掛網(wǎng)噴射100 mm厚C20素砼支護，錨桿加固，直至開挖至基坑底——施工墊層、防水層、底板和部分地下四層內(nèi)襯墻——繼續(xù)向上施工，澆筑側墻、負三層中板、墻趾和壓頂梁，待中板達到設計強度后，拆除第四道支撐——依次向上施工，澆筑側墻、各層中板及頂板——待頂板達到設計強度后，拆除第一道砼支撐和冠梁，施工頂板防水層、保護層，回填土，恢復路面。

4 基坑支護計算

基坑上部為土層，下部為基巖，兩種介質(zhì)差異性較大，很難用一種計算模型解決。本次計算，上部基坑采用理正深基坑7.0軟件，滿足《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ 120-2012）的要求，按“增量法”計算，計算荷載包括地面超載和水土壓力等。采用彈性法土壓力模型，基坑外側土壓力按主動土壓力計算，砂性土按照水土分算，黏性土按照水土合算。以標準段4-4段面為例，計算模型如圖3所示，計算結果如圖4和圖5所示。

圖3 支護結構計算模型（單位：m）

圖4 計算結果

圖5 地表沉降圖

經(jīng)計算，圍護樁最大水平位移10.39 mm，地表最大沉降值為16 mm，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks= 3.669 >1.35，均能夠滿足規(guī)范要求。

下部巖質(zhì)基坑采用理正巖土計算軟件，采用極限平衡法進行簡單平面滑動穩(wěn)定分析，計算荷載取上部基坑覆土自重q=450 kPa，地面超載取q=20 kPa，合計470 kPa。計算模型見圖6。

圖6 邊坡計算模型

計算結果顯示：總下滑力為723.2 kN，總抗滑力為3893.4 kN，安全系數(shù)為5.384，巖質(zhì)基坑穩(wěn)定性滿足要求。

5 施工監(jiān)測與結果分析

基坑監(jiān)測是基坑工程施工中的重要環(huán)節(jié)，實際施工過程中與設計模擬的工作狀態(tài)存在一定的差異，需要在基坑開挖過程中，通過監(jiān)測掌握圍巖、支護結構、地表及周邊建筑物的動態(tài)，及時預測和反饋，根據(jù)監(jiān)測成果調(diào)整設計，指導施工。

吊腳墻的墻體未嵌入基坑底，墻腳位移過大會造成整個基坑失穩(wěn)，因此墻腳的預應力錨索顯得尤為重要。劉紅軍[3]認為墻腳錨桿錨固力能夠彌補巖層樁體嵌固深度太小造成的嵌固力不足的問題，本文通過改變錨索預應力值大小研究墻腳位移與預應力的關系如圖7所示，發(fā)現(xiàn)墻鎖腳錨索對墻腳水平位移的約束起明顯控制作用，錨索預應力越大，墻腳位移越小，錨索預應力值不應過小也不宜太大，應以滿足工程實際需要為確定原則，本次設計錨索預應力取值300 kN，墻腳位移控制在2 mm。

圖7 墻腳位移與錨索預應力關系圖

吊腳墻墻頂水平位移如圖8所示，S1和S2兩處觀測點連續(xù)墻頂水平位移最大值分別為8 mm和7 mm，均小于30 mm，滿足規(guī)范要求。隨著基坑開挖，坑內(nèi)土體卸荷作用下，連續(xù)墻頂向內(nèi)平移，隨著基坑開挖深度增加，水平位移增大，由于基坑內(nèi)隨著基坑開挖過程中架設支撐和錨索，能有效抵抗基坑外水土壓力，連續(xù)墻頂水平位移趨于穩(wěn)定。

圖8 墻頂水平位移變化圖

觀測點C1吊腳墻墻體變形圖如圖9所示，連續(xù)墻最大變形在墻體中部12 m位置處，墻體變形18 mm，小于控制值30 mm。隨著基坑開挖，墻體兩側土壓平衡破壞，墻體向坑內(nèi)變形，墻體最大變形點隨著基坑開挖由墻體上半部分向墻體中部移動，最終變形呈現(xiàn)為“兩頭小、中間大” 狀態(tài)。

圖9 墻體變形變化圖

采用有限元模擬將吊腳墻嵌入基坑底以下1.5 m，吊腳墻方案與一般連續(xù)墻方案的最終基坑變形和坑外地表沉降如圖10和圖11所示，吊腳墻和一般連續(xù)墻最大墻體變形分別為10.39 mm和8.84 mm，吊腳墻的支護體系基坑變形比常規(guī)基坑大15%左右。隨著基坑開挖，坑外土體最大沉降加大，基坑開挖完成后達到最大沉降，吊腳墻和一般連續(xù)墻坑外最大地表沉降分別為16 mm和15 mm，均能滿足規(guī)范要求。沉降大部分發(fā)生在距離基坑0～20 m范圍，超過一定距離，沉降基本忽略不計。

圖10 兩種方案的基坑變形圖

圖11 兩種方案的坑外地表沉降圖

6 結論

以廣州地鐵21號線員村站基坑工程為例，介紹了適用于土巖二元結構地層的基坑支護體系——上段采用“吊腳地下連續(xù)墻+內(nèi)撐（錨索）”、下段采用巖質(zhì)邊坡錨噴體系，通過設計計算、數(shù)值模擬并綜合基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得出以下結論：

（1）基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，基坑支護結構水平變形隨深度呈現(xiàn)鐮刀型分布，最大變形點位于基坑中部，最大水平位移值滿足規(guī)范要求，表明下部巖層對基坑變形有明顯的約束作用，同時也表明對于此類土巖二元結構地層，上段采用“吊腳地下連續(xù)墻+內(nèi)撐（錨索）”的墻撐（錨）體系，下段采用巖質(zhì)邊坡錨噴體系是適用的。

（2）吊腳墻鎖腳預應力錨索對墻腳約束作用明顯，能有效地彌補巖肩寬度不足的問題，可以有效控制墻腳水平位移。

（3）通過有限元數(shù)值模擬，將吊腳墻支護體系與常規(guī)全嵌固支護體系進行對比，發(fā)現(xiàn)二者地表沉降也相差不大，吊腳墻的支護體系基坑水平變形比常規(guī)支護大15%左右，但其位移控制水平滿足規(guī)范要求，且能有效節(jié)省工期和投資，經(jīng)濟效益明顯。