“樁—索—錨網(wǎng)噴”組合支護(hù)在明洞基坑的應(yīng)用

盛 小 龍

(江西省勘察設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330200)

0 引言

隨著國家大力推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，會(huì)面臨越來越多的復(fù)雜深基坑問題。單一的基坑支護(hù)方式已經(jīng)不能滿足工程需求。我們需要因地制宜，根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合工程的地質(zhì)地形條件，基坑類型，在基坑不同區(qū)段采取不同的支護(hù)方式，或在基坑的上、下部位采取不同支護(hù)手段相結(jié)合的方式。來滿足施工要求，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、合理，便于施工的目的[1]。

1 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁

1.1 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的簡介

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁由抗滑樁及在樁頂和樁身位置設(shè)置的一排或多排預(yù)應(yīng)力錨索組成。錨索一般在抗滑樁樁身達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)設(shè)置，并通過施加預(yù)應(yīng)力使其與抗滑樁形成基坑的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)。與普通抗滑樁的不同之處在于，通過預(yù)應(yīng)力錨索的施加，使得抗滑樁的受力狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響樁身的內(nèi)力分布，加強(qiáng)了預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的支護(hù)效果，提高了基坑的穩(wěn)定性。

1.2 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的特點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)置，相當(dāng)于在抗滑樁的樁頂施加了一個(gè)朝向基坑土體外側(cè)的拉力，在樁頂施加了一個(gè)約束。從而使抗滑樁從一端嵌固的受力狀態(tài)，變?yōu)轭愃粕隙算q支，另一端為彈性固結(jié)的梁式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

抗滑樁受力狀態(tài)的改變，使其從原來的被動(dòng)受力狀態(tài)變?yōu)橹鲃?dòng)受力狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力錨索的施加，使得抗滑樁能對(duì)樁后基坑外側(cè)的土體產(chǎn)生一定的壓力。而土體的失穩(wěn)，需要先克服錨索的摩阻力、錨固力以及抗滑樁對(duì)土體的壓力，才能使基坑產(chǎn)生變形。因此，預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁這種組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠有效地減小土體變形，提高基坑的穩(wěn)定性。

另外，普通抗滑樁的內(nèi)力較大，而且樁體的最大抗力一般發(fā)生在土體的滑動(dòng)面附近，樁身內(nèi)力分布較為集中。所以普通的抗滑樁不僅截面設(shè)計(jì)較大，而且錨固長度較長，不能很好地發(fā)揮材料強(qiáng)度。而預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁由于受力形式發(fā)生變化，內(nèi)力分布更加合理，降低了抗滑樁的最大彎矩和最大剪力，從而能減小抗滑樁的截面尺寸以及嵌固深度。使其在滿足基坑的穩(wěn)定性要求的同時(shí)，還能節(jié)省材料，提高了工程經(jīng)濟(jì)性。

總的來說，預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁這種組合支護(hù)方式具有“概念明確，主動(dòng)支護(hù)，柔性支護(hù)，經(jīng)濟(jì)合理”的特點(diǎn)[2]。

2 樁間錨網(wǎng)噴防護(hù)結(jié)構(gòu)

2.1 樁間土防護(hù)常用做法

樁間土防護(hù)面一般由鋼筋網(wǎng)、掛網(wǎng)鋼筋及橫向拉筋構(gòu)成，其中掛網(wǎng)鋼筋需要植入樁體中，而露出樁體的部分需要和橫向拉筋進(jìn)行焊接，如圖2所示。鋼筋網(wǎng)、掛網(wǎng)鋼筋及橫向拉筋規(guī)格和排布方式都需要通過計(jì)算來確定。

2.2 防護(hù)目的

在基坑采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁為主要的支護(hù)形式時(shí)，樁后土體的大部分土壓力都由抗滑樁來承擔(dān)。由于排樁之間存在一定的間距，而這些樁間的土體在基坑開挖的過程中，由于失去了側(cè)向基坑土體提供的約束力，可能會(huì)在工程施工過程中的擾動(dòng)或震動(dòng)下，以及地下水滲流及降水的影響下，產(chǎn)生土體脫落或者小范圍土體垮塌的現(xiàn)象，從而形成一些影響基坑穩(wěn)定性的孔洞[3]。

為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，需要在樁前設(shè)置一層錨網(wǎng)噴組合結(jié)構(gòu)作為樁間防護(hù)面，來保護(hù)樁間土體。同時(shí)，防護(hù)面層中的掛網(wǎng)鋼筋植入樁體中，還在樁間增設(shè)一定數(shù)量的錨桿，使得這種組合結(jié)構(gòu)具有一定的剛度，同時(shí)也增強(qiáng)了排樁之間的整體性。而且，樁前設(shè)置的防護(hù)面層，又具有一定的止水防滲作用，在一定程度上能降低地下水對(duì)基坑穩(wěn)定性的不利影響。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

隧址區(qū)屬高中山剝蝕地貌，兩側(cè)橫向溝谷發(fā)育，地形起伏較大。明洞段地勢較平緩，線路在中間有40 m長隧道洞身下穿國道公路。

3.2 地質(zhì)概況

3.3 工程優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.3.1抗滑樁方案優(yōu)化

隧道明洞開挖過程中，隧道進(jìn)口端段原設(shè)置66根預(yù)加固樁防護(hù)，均為人工挖孔樁，樁長22 m～27 m，根據(jù)已開挖揭示的1號(hào)、23號(hào)、35號(hào)、66號(hào)樁實(shí)際情況，開挖樁設(shè)置段落地層為卵石土，地下水位較高，抽水困難，預(yù)加固樁開挖存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合現(xiàn)場人工挖孔樁揭示情況及周圍施工環(huán)境，將人工挖孔樁改為灌注樁加預(yù)應(yīng)力錨索。樁間錨網(wǎng)噴防護(hù)的組合支護(hù)方式。

與人工挖孔樁相比，鉆孔灌注樁更適合現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水較為豐富的情況。同時(shí)，也能降低現(xiàn)場人工開挖帶來的安全隱患。而且，鉆孔灌注樁的施工工期相對(duì)更短，在下穿國道公路施工中，能夠加快施工速度，減小對(duì)交通的影響。

除了國道公路外，線路右側(cè)還有400 mm玻纖供水管線，施工區(qū)位于國家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)外圍保護(hù)范圍，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，生態(tài)脆弱。在施工過程中需要密切注意土體變形對(duì)周圍環(huán)境的影響。因此基坑支護(hù)方案的選擇顯得十分重要。

3.3.2組合支護(hù)方式優(yōu)化

在基坑開挖中，常用的組合支護(hù)方式有地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐、放坡開挖加錨網(wǎng)噴防護(hù)以及排樁加預(yù)應(yīng)力錨索等。地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的支護(hù)方式雖然支護(hù)能力更強(qiáng)，基坑變形更小，但造價(jià)也更高。同時(shí)也限制了基坑內(nèi)的作業(yè)，不適合本工程明洞隧道施工的情況。而放坡開挖加錨網(wǎng)噴支護(hù)的方式雖然造價(jià)更低，施工較為簡單。但是不太適合地形地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水較為豐富的大型深基坑。大面積的放坡開挖也會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生嚴(yán)重的擾動(dòng)，影響周圍管線，破壞生態(tài)。因此綜合考慮，采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁與樁間錨網(wǎng)噴防護(hù)的“樁—索—錨網(wǎng)噴”組合支護(hù)形式。預(yù)應(yīng)力錨索的施加，不僅能夠改變抗滑樁受力狀態(tài)，一定程度上減少了材料用量，降低造價(jià)，同時(shí)還能減小土體變形。錨索施工也較便捷，能加快施工進(jìn)度，降低施工對(duì)國道公路交通的影響。另外，抗滑樁之間通過冠梁及腰梁連接，增強(qiáng)了排樁的整體性，提升了強(qiáng)度。

下面將通過有限元軟件Midas/GTX NX模擬基坑開挖施工過程，驗(yàn)證“樁—索—錨網(wǎng)噴”組合支護(hù)結(jié)構(gòu)在隧道明洞開挖中的支護(hù)能力。

4 有限元模擬

4.1 模型概況

明洞開挖段共225 m長?；釉诳v向上的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基坑在橫斷面上的尺寸，且基坑橫斷面尺寸在縱向上無較大的變化，屬于平面應(yīng)變問題，同時(shí)外力可近似認(rèn)為平行于橫截面作用且沿縱向無變化。并結(jié)合現(xiàn)場分段開挖的施工方案，確定所模擬基坑開挖的縱向長度為60 m。一般來說，基坑開挖的影響范圍為3倍～5倍基坑開挖深度，明洞開挖段基坑平均深度大約為15 m，從而確定模型豎向尺寸為50 m，平面尺寸為70 m×60 m，見圖3。

其中，排樁的受力機(jī)理在承受彎矩方面與地下連續(xù)墻相似，而且在排樁采用冠梁及腰梁連接，樁間防護(hù)面的存在也在一定程度上增強(qiáng)了排樁的整體性，因此在有限元模擬中，將排樁等效為地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻的厚度采用以下公式計(jì)算[4]：

其中，h為地下連續(xù)墻的厚度；D為樁直徑，1.5 m;t為樁的凈間距，1.5 m，算得地下連續(xù)墻厚度約為1 m。

模型中，第一層土體粉質(zhì)黏土約為3.5 m，第二層卵石土為15 m，第三層土碎石土為18 m，第四層炭質(zhì)板巖厚13.5 m基坑土體分四次開挖，分層高度分別為3.5 m，3.5 m，4 m，4 m。材料屬性參考現(xiàn)場勘察報(bào)告及《工程地質(zhì)手冊(cè)》，取值如表1所示。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)取值

4.2 有限元數(shù)值分析結(jié)果

模型將基坑開挖過程模擬為六個(gè)施工階段，第一個(gè)階段為初始應(yīng)力分析，第二個(gè)階段埋設(shè)與排樁剛度等效的地下連續(xù)墻，兩個(gè)施工階段都進(jìn)行位移清零操作。剩余四個(gè)施工階段依次開挖劃分好的四層基坑土體。錨索布置分別在第一、第二層基坑土體開挖后進(jìn)行。

基坑側(cè)壁的水平位移變化情況能較為直觀的判斷基坑的穩(wěn)定性，因此，從數(shù)值模擬結(jié)果中選取基坑水平位移部分，來對(duì)“樁—索—錨網(wǎng)噴”組合支護(hù)體系的實(shí)際工程應(yīng)用效果作出一個(gè)評(píng)價(jià)。

基坑側(cè)壁水平位移最大值同樣發(fā)生在基坑開挖的最后一個(gè)階段，側(cè)壁頂部及坑底均有較大位移，基坑側(cè)壁頂部水平位移最大，為5.3 mm，底部位移較小，為3.8 mm，方向均朝向基坑內(nèi)側(cè)。圖4～圖7為基坑側(cè)壁在不同開挖深度時(shí)的水平位移，水平位移以朝向基坑內(nèi)側(cè)為正值，朝向基坑外側(cè)為負(fù)值。由于模型左右對(duì)稱，因此基坑兩側(cè)壁受力及變形可視為基本一致。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果說明

從不同開挖深度的基坑側(cè)壁水平位移變化曲線圖可以看出基坑側(cè)壁在頂部和底部均有較大的水平位移，方向分別為背離基坑和朝向基坑，而且開挖11 m之前其水平位移值均為水平位移的最大值。一方面是預(yù)應(yīng)力的施加，會(huì)使排樁受到拉力，對(duì)樁外的土體產(chǎn)生一定的擠壓力，使其有向著基坑外側(cè)運(yùn)動(dòng)的趨勢。另外有可能是由于坑底土體隆起引起的。

坑底隆起主要是因?yàn)殡S著上部土體開挖卸荷，坑底土體的受力不平衡產(chǎn)生的。還可能是因?yàn)槟Ｐ椭械叵逻B續(xù)墻體在坑底嵌固的部分，受到基坑外側(cè)土體較大的擠壓力，而擠壓基坑內(nèi)側(cè)土體引起的基坑隆起[5]。四層土體開挖后引起的坑底隆起最大值分別為：16.5 mm,48.8 mm,33.2 mm,57.2 mm?？拥茁∑鸨厝粫?huì)造成周圍土體的移動(dòng)，從而使基坑側(cè)壁產(chǎn)生背離基坑方向的變形[6]。大致趨勢是離基坑底越大，這種水平變形就越大。同時(shí)，也會(huì)使坑底周圍土體產(chǎn)生朝向基坑方向的水平移動(dòng)，從而引起基坑側(cè)壁的變形。

而在開挖11 m及開挖15 m深度的水平位移變化曲線上，由于開挖深度較大，基坑外的土體對(duì)基坑內(nèi)的側(cè)壓力越來越大，所引起的基坑側(cè)壁水平位移也越明顯。從圖中可以看出，基坑側(cè)壁朝向基坑內(nèi)側(cè)的變形在開挖段中部明顯增大。

有限元分析結(jié)果表明，采用“樁—索—錨網(wǎng)噴”組合支護(hù)體系進(jìn)行明洞深基坑開挖，能使基坑側(cè)壁的水平位移控制在較小的范圍內(nèi)，能夠滿足安全施工的需要?！皹丁鳌^網(wǎng)噴”組合支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的支護(hù)能力，能較好地保持基坑開挖的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力錨索的施加，改變了抗滑樁的受力狀態(tài)，使抗滑樁的內(nèi)力分布更為合理，從而使預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁能夠起到減小基坑開挖變形、節(jié)約材料的作用，通過實(shí)際工程，也進(jìn)一步說明其具有安全、經(jīng)濟(jì)、受力合理，便于施工的特點(diǎn)。而樁間錨網(wǎng)噴防護(hù)除了能夠保護(hù)樁間土體，防止其形成孔洞影響基坑施工安全外，還能在一定程度上起到增強(qiáng)組合支護(hù)結(jié)構(gòu)整體性的作用，有利于基坑穩(wěn)定。通過有限元模擬分析，也驗(yàn)證了“樁—索—錨網(wǎng)噴”組合支護(hù)結(jié)構(gòu)在明洞深基坑開挖中具有較強(qiáng)的支護(hù)能力。