吊腳樁+超前微型鋼管樁體系在地鐵基坑工程中的應用

朱丹暉

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，濟南 250022)

1 工程概況

青島地鐵3號線雙山站位于合肥路與黑龍江路交叉口，黑龍江路西側(cè)(圖1)。車站的結(jié)構(gòu)形式為兩層兩跨箱形框架結(jié)構(gòu)體系，車站總長度為251 m，寬18.8～20.8 m，高 13.2 ～14.4 m?；A底板埋深 15.82 ～18.50 m，車站頂板覆土南深北淺，最深處4.10 m，最淺處2.62 m。車站結(jié)構(gòu)包括車站主體結(jié)構(gòu)、4個出入口、2個消防專用出入口、2個風井及風道。車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，支護結(jié)構(gòu)采用3種形式，分別為:鉆孔灌注樁+鋼管內(nèi)支撐+錨索混合支撐體系，鉆孔灌注樁+錨索體系，吊腳樁+超前微型鋼管樁體系，其中吊腳樁+超前微型鋼管樁體系為根據(jù)青島地質(zhì)條件，結(jié)合本地基坑設計經(jīng)驗而總結(jié)出的新型混合支撐體系。

圖1 地鐵雙山站總平面(單位:m)

2 工程地質(zhì)

本車站地貌類型為山前侵蝕堆積坡地，場地地勢較平坦，現(xiàn)有地面高程為27.56～31.97 m，局部低洼處高程為25.69 m。站址范圍第四系上部土層為①層人工填土、沖洪積層;⑤、⑦、⑦1層粉質(zhì)黏土;[12]層含砂黏性土(礫砂)。下伏基巖為燕山期花崗巖，強風化帶風化深度較大，中、微風化巖面埋藏深度為4.80～28.80 m。站址內(nèi)第四系土層較發(fā)育，局部地段分布有粗礫砂、含砂黏性土(礫砂)，富水性較好;巖石強風化帶，賦水性較差，地下水不豐富。見圖2。

圖2 車站左線里程K13+508.296～K13+548.996段地質(zhì)縱剖面(單位:高程以m計，其他均以mm計)

3 基坑支護方案

現(xiàn)狀黑龍江路為青島市主干道，車流量較大，如在黑龍江路側(cè)進行明挖施工，僅占用黑龍江路1個車道，對黑龍江路的交通基本沒有影響，牽涉到的管線較少，且均具備遷改路由。黑龍江路兩側(cè)分別設置約5 m人行道，兩側(cè)建筑控制線均退后道路紅線20 m，站址位置西側(cè)為待建空地及汽車4S店，黑龍江路西側(cè)合肥路段可臨時斷路，站址范圍內(nèi)施工場地條件較為充足，因此本站采用明挖法施工。

站址地質(zhì)條件較為簡單，但各層分布極不均勻，中風化巖層巖面起伏較大?？疾烨鄭u當?shù)氐慕ㄖ?，主要采用以?種基坑支護形式:(1)在場地充裕且基坑深度較淺的情況下多采用土釘墻的支護形式。(2)基坑范圍內(nèi)為土質(zhì)及強風化花崗巖地層時，采用樁+鋼支撐(錨索)的支護形式。(3)基坑為上軟下硬地層時，上部軟土采用樁+錨索，下部巖層采用超前微型鋼管樁的混合支撐體系［1-4］。

地鐵明挖基坑多采用地下連續(xù)墻、樁+鋼支撐的支護形式［5-7］，對于上軟下硬地層，一般采用樁+鋼支撐的支護形式，但是中、微風化花崗巖單軸抗壓強度分別為30.7、61.07 MPa，鉆孔困難，在中風化巖石中鉆孔8 h進尺約為2 m，微風化巖石中鉆孔8 h進尺約為1 m，鉆孔灌注樁施工周期較長，造價較高，而青島當?shù)亟ㄖ又ёo設計經(jīng)過實踐的檢驗，是一種安全、經(jīng)濟且適用于青島地層的支護方案。

本次基坑設計考慮以上因素，通過對適用于上軟下硬地層中的常用幾種圍護結(jié)構(gòu)的比較(表1)，經(jīng)過多次論證和試算，綜合考慮經(jīng)濟和工程進度因素，最終確定根據(jù)中風化巖面埋藏深度的不同，采用不同支護組合。當中風化巖面埋藏深度在基底3 m以上時，采用吊腳樁+超前微型鋼管樁的支護形式，上部吊腳樁為鉆孔灌注樁+鋼支撐(或錨索)，灌注樁伸入下部中風化巖層1.5 m，下部巖層采用超前微型鋼管樁。上部土層錨固力較小，且周圍環(huán)境不允許長錨索施工，故吊腳樁上部采用鋼支撐，下部離巖層較近段傾斜錨索可錨入巖層中，為了增加施工空間、便于施工，吊腳樁下部采用錨索。

表1 圍護結(jié)構(gòu)形式比較

4 吊腳樁+超前微型鋼管樁支護體系設計

4.1 設計原則

該段地質(zhì)為上軟下硬土層，中風化巖層高出基底約3 m，各層物理參數(shù)情況見表2。對于吊腳樁+超前微型鋼管樁支護體系(圖3)，上部吊腳樁段和下部巖石超前微型鋼管樁段可分為獨立的兩個基坑支護段進行計算。上部吊腳樁支護由鉆孔灌注樁+鋼支撐(或錨索)組成，鉆孔樁底部進入中風化巖層1 m，并采用鎖腳腰梁穩(wěn)定吊腳樁下部，可以認為吊腳樁下部已錨入穩(wěn)定巖層中，根據(jù)彈性支點法進行分析計算;下部超前微型鋼管樁段，由于巖質(zhì)邊坡自身硬度及穩(wěn)定性好，采用極限平衡法進行分析計算，采用錨噴支護，微型鋼管樁作為穩(wěn)定下部巖層的構(gòu)造措施，防止爆破開挖及機械鉆孔對下部巖層的破壞。

表2 地層物理參數(shù)

圖3 吊腳樁+超前微型鋼管樁支護橫斷面(單位:高程以m計，其他均以mm計)

按照相關規(guī)范要求，結(jié)合本工程實際情況，確定本基坑設計標準如下［5-8］。

(1)本基坑的變形控制保護等級為一級，并按此等級對基坑穩(wěn)定性和變形進行驗算?；觽?cè)壁的重要性系數(shù)為 1.1。

(2)圍護結(jié)構(gòu)應滿足基坑穩(wěn)定要求，不產(chǎn)生傾覆、滑移和局部失穩(wěn)。支撐系統(tǒng)不失穩(wěn)，錨索及腰梁等圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生強度破壞。鋼管內(nèi)支撐預加軸力按支撐設計軸力的40%～60%計。錨索張拉力應張拉至設計預加力的105% ～110%，再按規(guī)定值進行鎖定。

(3)施工引起的地面沉降應控制在環(huán)境條件允許的范圍內(nèi)。根據(jù)周圍環(huán)境和地下管線對變形的敏感程度，采取穩(wěn)妥可靠的措施。施工期間基坑周圍地面最大沉降量≤0.15%H(H為基坑開挖深度)，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移≤0.2%H，且均小于30 mm。

(4)鉆孔灌注樁在施工期間作為基坑支護結(jié)構(gòu)，考慮承擔施工期間全部外部土壓力。鉆孔灌注樁按強度控制設計，不再驗算裂縫寬度。但參與抗浮作用的樁需進行裂縫計算，裂縫寬度不大于0.2 mm。

(5)地面超載:標準段地面超載按20 kPa計算，且基坑周邊2 m范圍內(nèi)不得堆載。

(6)基坑設計使用年限:20個月。

4.2 分析計算

(1)上部吊腳樁計算

基坑深度15.50 m，采用鉆孔灌注樁+鋼支撐(錨索)的支護形式，基坑上部2道鋼支撐，下部3道錨索(表3)。采用理正深基坑進行分析［9-10］，排樁支護模型(圖4)，模擬整個施工過程對基坑穩(wěn)定性、變形進行計算分析。分析結(jié)果詳見圖5、圖6。

表3 材料規(guī)格

圖4 吊腳樁支護計算模型(單位:m)

圖5 內(nèi)力、位移包絡圖

圖6 地表沉降

經(jīng)過計算分析，基坑最大水平位移19.39 mm，小于0.15%H，基坑側(cè)面最大沉降值為 18 mm，小于0.2%H，且變形值均小于30 mm，滿足變形控制要求;鋼支撐承壓能力設計值，錨索拉力設計值，灌注樁彎矩、剪力設計值等均控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

(2)下部巖質(zhì)邊坡計算

下部巖質(zhì)邊坡計算高度為3.1 m，采用理正巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析軟件對該邊坡的平面滑動穩(wěn)定性進行分析計算。計算時將巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面傾角范圍內(nèi)吊腳樁重力作為外部荷載作用于邊坡頂部，力求計算模型與實際情況一致(圖7)。

圖7 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算模型(單位:mm)

由于邊坡較低，且大部分處于微風化巖層，邊坡穩(wěn)定性較好，故直立邊坡上部設置一道預應力錨索，用以穩(wěn)定吊腳樁下部土體，同時增加巖體錨固力，經(jīng)過計算，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.395，邊坡安全。

通過以上計算可以看出，計算結(jié)果安全合理，基坑設計滿足相關要求，可以作為設計依據(jù)。

4.3 基坑支護參數(shù)(表4、表5)

表4 鋼支撐軸力

表5 錨索設計參數(shù)

5 工程實施

基坑工程已施工完畢(圖8)，正在施作主體結(jié)構(gòu)。第三方檢測數(shù)據(jù)顯示，吊腳樁+超前微型鋼管樁支護段圍護樁樁頂水平位移最大為5.2 mm，樁頂沉降最大值為4.0 mm，圍護樁樁體撓曲位移最大值為8.6 mm，地表沉降最大值為4.0 mm，施工過程中的地表沉降及樁體位移均小于設計允許值，監(jiān)控量測變形數(shù)據(jù)均小于設計計算值，基坑支護結(jié)構(gòu)安全。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出，基坑實際的變形很小，基坑支護設計安全系數(shù)過大，存在地層物理力學參數(shù)指標偏于保守的可能，支護結(jié)構(gòu)應有優(yōu)化余地。

圖8 吊腳樁+超前微型鋼管樁支護段施工現(xiàn)場

6 結(jié)語

從本站的基坑設計施工情況來看，吊腳樁+超前微型鋼管樁的支護體系是安全合理的，同時基坑支護大量采用錨索支護，擴大了施工作業(yè)空間，加快了施工進度，綜合其他車站類似基坑支護情況來看，該種支護體系適用于青島當?shù)厣宪浵掠驳貙樱梢杂米黝愃频貙踊又ёo設計的參考。通過本工程的設計、施工，有以下結(jié)論和體會。

(1)上部含水軟土層中錨索成孔較為困難，應根據(jù)實際施工反映的地層情況，適當采用自進式錨桿來替代錨索，可減少施工風險，提高施工進度。

(2)吊腳樁下部超前微型鋼管樁剛度較小，其主要作用是為了預裂圍巖，保持下部圍巖的完整性。施工中可以通過控制爆破的手段來保持下部圍巖的完整性，從而取消下部超前微型鋼管樁體系，節(jié)省工程造價。

(3)由于巖石地層成樁困難，而吊腳樁+超前微型鋼管樁的支護形式則相對簡單，但其工序較多，造價有可能會較單一樁+鋼支撐(錨索)的形式要高，通過工程實踐，建議當基坑下部底板以上中風化巖層高度大于2 m時，可采用吊腳樁+超前微型鋼管樁的支護形式，經(jīng)濟性較好。

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