雙排樁支護結構在臨近地鐵基坑中的應用

孫 康

（沈陽帝鉑建筑工程有限公司，遼寧 沈陽 110031）

1 概述

雙排樁支護結構是一種空間組合類懸臂支護結構，近些年來在深基坑支護工程中得到廣泛應用。所謂雙排樁支護結構是指沿基坑側壁排列設置的由前、后兩排支護樁和梁連接成的剛架及冠梁組成的支擋式結構［1］。具體的說雙排樁支護結構是將密集的單排懸臂樁中部分樁向后移動，并在樁頂用剛度較大的連梁把前后排連接起來，沿基坑長度方向形成雙排支護的空間結構體系。雙排樁支護結構在沒有錨桿（或者內支撐）的情況下，利用超靜定剛架結構隨支撐條件及荷載條件的變化而自動調整結構內力分配的特性，發(fā)揮空間組合樁的整體剛度和空間效應，并與樁間土協(xié)調工作，支擋因開挖引起的不平衡力，達到保持坑壁或坡體穩(wěn)定、變形控制、滿足施工工期和不影響周邊環(huán)境的目的［2］。

2 計算模型

雙排樁支護結構按照平面剛架結構模型進行分驗算，如圖1 所示。

在結構模型分析時，作用在雙排樁支護結構兩側的主、被動土壓力與單排樁支護結構相同，整體滑動穩(wěn)定性驗算方面同樣采用圓弧滑動條分法進行驗算。不同的是雙排樁支護結構在計算模型分析中存在如下幾個獨特的技術控制點：

①如何發(fā)揮排樁間土層性質在支護結構中影響問題；

②如何利用冠梁與連梁組合蓋梁的空間剛度問題；

③如何解決雙排樁支護結構整體抗傾覆穩(wěn)定問題；

④如何看待前后排樁的沉降差問題。

圖1 雙排樁計算模型

2.1 排樁間土層性質在整體支護結構中影響

根據(jù) 《建筑基坑支護技術規(guī)程》（以下簡稱“《規(guī)程》”）給出計算模型中前后排樁之間土體采用土的側限約束假設，樁間土對前后排樁的土反力與樁間土的壓縮變形有關，將樁間土看做水平向單向壓縮體即土彈簧，按照土的壓縮模量確定土彈簧水平剛度系數(shù)。樁間土的水平剛度系數(shù)（kc）可按式（1）計算：

式中：Es-計算深度處前、后排樁間土體的壓縮模量（kPa）；當為成層土時，應按計算點的深度分別取相應土層的壓縮模量。

在前后排樁排間距和樁徑已經確定時，樁間土彈簧的水平剛度系數(shù)與樁間土體的壓縮模量關系密切，改善土彈簧水平剛度系數(shù)是提高雙排樁支護結構整體抗彎能力的關鍵所在。

2.2 冠梁與連梁組合蓋梁的空間剛度

前后排樁頂部設置鋼筋混凝土冠梁，冠梁將每根支護樁頂部連接起來，約束協(xié)調單根支護樁的樁頂變形。前后冠梁之間設置連梁，連梁將前后排樁連接成一個整體門式剛架，共同承擔水土壓力。從雙排樁支護結構整體上看沿基坑支護長度方向前后排樁頂?shù)墓诹汉蛣偧芰航M成了一道寬度為排樁間距的整體樁頂蓋梁，如何充分發(fā)揮這個蓋梁的水平抗彎剛度優(yōu)勢是雙排樁支護結構設計的重要技術控制點。

通常冠梁可以看做水平受彎構件，可將每個樁頂水平力視為荷載，基坑一側排樁支護長度視為冠梁計算長度，一般情況下（即冠梁位置未設置支撐或者錨索時）將計算長度兩端的垂直方向冠梁或土體視為支座，按照均布荷載作用下簡支梁抗彎剛度計算冠梁側向剛度，如圖2 所示。冠梁側向剛度大小與長度、計算點位置、截面尺寸、材料性質有關。在冠梁截面尺寸和材料性質一定時，如果冠梁計算長度過長，則冠梁側向剛度過小，則冠梁對中間位置支護樁的約束就變得很微?。环粗诠诹簞偠冉^對大時，則可認為冠梁計算長度范圍內每根樁頂均存在一個無變形無轉角的剛性約束如式（2）所示。因此在基坑設計使用時提高冠梁側向剛度對控制樁頂變形有很大的有利影響。

圖2 冠梁側向剛度估算

式中，K-冠梁剛度估算值（MN/m）；a-樁、墻位置（m）；L-冠梁長度（m）；EI-冠梁截面剛度（MN·m2）；I 表示截面對 X 軸的慣性矩。

2.3 雙排樁支護結構的抗傾覆驗算

雙排樁支護結構的抗傾覆驗算與重力式擋土墻相同，將前排樁底部（即墻趾）視為不動點，被動土壓力和樁土自重（即抗傾覆力）與主動土壓力（即傾覆力）均對不動點取矩，抗傾覆力矩與傾覆力矩比值即為安全系數(shù)，如圖3 所示。由于雙排樁排間距受限因素較多，樁-蓋梁-土自重在抗傾覆驗算中的有利影響較重力式擋土墻要小得多。單獨增加嵌固深度在地基土條件一般或較差時又可能降低安全系數(shù)，同時也不經濟。針對雙排樁支護結構抗傾覆受力特點，如何簡單、有效、經濟、合理解決抗傾覆問題，是雙排樁支護結構設計的重要技術控制點［1］。

圖3 雙排樁抗傾覆穩(wěn)定性驗算

式中參數(shù)意義參見 《規(guī)程》 4.12.5 中規(guī)定。

2.4 前后排樁的沉降差

雙排樁支擋結構整體受力模型與重力式擋土墻相同，將前排樁底部（即墻趾）視為不動點，要求此處地基承載力滿足支擋結構偏心受壓時最大基底壓力要求。具體體現(xiàn)在雙排樁剛架結構上時，即在水平荷載作用下，樁的內力除彎矩、剪力以外，還會產生較大軸力；前排樁處于偏心受壓狀態(tài)，后排樁處于偏心受拉狀態(tài)。因此前、后排樁的沉降差值與雙排樁整體穩(wěn)定性和變形密切相關。在其他條件不變的情況下，樁頂水平位移、樁身最大彎矩隨著前、后排樁沉降差值的增大成線性增加；同時抗傾覆安全系數(shù)隨之降低。為減少前排樁沉降可采取如下幾種措施：樁端選擇強度較高的土層、控制孔底沉渣厚度、采用樁底后壓漿工藝。這同樣是雙排樁支護結構設計的重要技術控制點。

3 工程案例

針對雙排樁支擋結構受力特點及上文中提及的幾個重要技術控制點，本文以一個實際工程案例來詳細介紹雙排樁支擋結構在基坑支護工程中的應用及注意事項。

3.1 工程概況

沈陽某項目基坑工程位于黃河大街與黃山路交匯處，緊鄰沈陽地鐵2 號線陵西站，車站處在運營階段，地鐵車站及附屬結構采用C30 混凝土。項目基坑開挖深度 7.4m，11.6m 和 12.3m；陵西站B 出口結構最大埋深14.1m，地鐵通道結構埋深10.8m，項目與地鐵結構均采用天然地基。項目基礎外邊緣距離地鐵預留地距離為6.5m，距離陵西站B 出口結構外邊線距離為9.8m。陵西站B 出口開挖時采用鋼筋混凝土排樁內支撐結構支護，B 出口內部設置一部超長扶梯，對于橫向變形非常敏感。工程位置概況如圖4 所示。

圖4 項目基坑與地鐵陵西站位置概況

3.2 工程地質條件

現(xiàn)場地形較為平坦，屬渾河沖積階地地貌單元，自上至下主要由雜填土、粉質粘土、中砂、粗砂、礫砂、圓礫及泥礫等組成。各土層物理力學性質描述見表1。現(xiàn)場地下水為二層，第一層為上層滯水，水位埋深0.5-4.5m，主要賦存在粉質粘土層之內；第二層為孔隙潛水，水位埋深為17.5～19.0m，主要賦存在礫砂層和圓礫層內。

表1 各土層物理力學指標表

3.3 設計重點

項目基坑設計的重點在于基坑開挖使用過程中如何保證地鐵陵西站的正常運營，特別是B 出口主體結構及內部扶梯安全使用。按照要求地鐵出口結構最大水平位移不得超過6mm，自動扶梯的橫向變形不得超過0.2%，縱向變形不得超過3°。參考 2011 年“7·5”北京地鐵四號線自動扶梯事故調查報告，地鐵超長扶梯使用過程中上下兩端水平位移差不宜超過2mm，否則有扶梯倒行的風險。項目要求基坑需要在二個月內完成開挖，地下結構在三個月內完成。另根據(jù) 《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》 要求，（CJJT202-2013）3.2.4 條要求，基坑支護樁距離地鐵結構安全距離不小于5m，錨桿、錨索、土釘?shù)染嚯x地鐵結構安全距離不小于6m。

如何在有限的區(qū)域內、在較短時間內完成基坑安全開挖，同時保證地鐵正常運營是本次基坑支護工程設計實施的關鍵所在。

3.4 解決措施

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，綜合考慮各種限制條件，在無法采用內支撐、外錨拉和逆作法形式時，設計采用雙排樁懸臂結構進行支護。經過計算常規(guī)雙排樁支護結構無法滿足工程要求，根據(jù)前文中關于雙排樁計算模型特點的描述，設計時在如下幾方面采取特殊處理措施以滿足要求［2］。

（1）對前、后排樁之間力學性質較差土體進行處理，采用滿布高壓旋噴樁進行加固，提高樁間土體的壓縮模量和土彈簧的水平剛度系數(shù)。經檢測結果樁間土壓縮模量可提高4-5 倍，如此可以較大加強雙排樁與排樁間土體的協(xié)同工作，提高雙排樁結構整體側向抗彎能力，有效控制了支護結構變形。

（2）本段雙排樁支護結構位于基坑開挖中間位置，支護形式和樁頂標高均與周邊支護段均不同且不連接，如按照常規(guī)處理，則此處樁頂蓋梁兩端均屬于自由狀態(tài)，不能對樁頂位移形成有效約束。設計在樁頂蓋梁兩端遠離地鐵保護區(qū)位置設置數(shù)根大預應力錨索。通過加大鋼絞線截面積，提高軸向拉力，提高錨索支點剛度，以此在蓋梁兩端形成有效水平約束，蓋梁剛度計算時將錨索視為蓋梁兩端鉸支座，縮小蓋梁計算長度，提高水平側向剛度。

（3）設計采用雙排樁懸臂結構，最大開挖深度12.3m，常規(guī)計算雙排樁整體抗傾覆安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。為此設計采用跳倉法抽條開挖土方，每條土方開挖到坑底標高后超挖200mm，立即施工300mm 厚鋼筋混凝土配筋墊層，待墊層混凝土達到設計強度后再抽條開挖剩余土方，如此相當于在基坑底部設置一道連續(xù)的剛性支撐，提高抗傾覆安全系數(shù)。

（4）為進一步提高懸臂雙排樁結構的抗傾覆安全系數(shù)、控制樁頂變形，有效控制支護結構的整體變形，設計要求前排樁采用長螺旋鉆孔壓灌工藝施工，設計樁端持力層為中砂，同時在前排樁底安放后注漿管，并進行樁底后壓漿施工，以控制前后排樁使用過程中的沉降差。

3.5 設計方案

按照上文中提及的設計重點和解決措施，采用雙排樁懸臂結構通過理正深基坑設計軟件進行設計計算。支護結構設計最大水平位移15.26mm，滿足規(guī)范要求支護結構最大水平位移不超過0.15%h（即為 17.4mm），詳見圖 5；其他各項設計參數(shù)同樣滿足要求。設計剖、立面圖參見圖6、圖7 所示。

圖5 支護結構水平位移包絡圖

圖6 雙排樁支護結構剖面圖

圖7 雙排樁支護結構立面圖

3.6 復核驗算結果

在雙排樁支護結構設計計算之后，采用數(shù)值分析軟件FLAC 3D 建立三維計算模型進行復核驗算，分析預測基坑開挖施工過程中地鐵結構的變形和內力的變化。在車站出口模型底部施加豎向位移約束，模型四周約束為各面的法向位移約束，地表為自由面。分析結果見圖8～圖10 所示。

圖8 B 出口最大主應力

圖9 B 出口沉降變形

圖10 B 出口橫向水平位移

經過數(shù)值分析，地鐵陵西站B 號出入口結構所受最大壓應力為3.02MPa，最大拉應力為1.24MPa，最大沉降變形2.25mm，最大隆起變形為0.75mm，橫向水平位移最大值1.26mm。B 號出入口結構在雙排樁懸臂結構支護狀態(tài)下的壓應力和拉應力均小于混凝土軸心抗壓和軸心抗拉強度設計值，最大豎向變形小于其沉降控制標準，表明地鐵結構在基坑開挖狀態(tài)下的強度和變形滿足規(guī)范要求。

3.7 實踐效果

現(xiàn)場按照設計方案進行實施，支護樁均采用長螺旋壓灌混凝土工藝施工，開挖時蓋梁處預應力錨索施工位置存在地下障礙，將錨索豎向位置向下調整1.5m，同時加大軸向錨拉力。從開挖過程中監(jiān)測和巡視數(shù)據(jù)上看，雙排樁基坑支護結構安全、穩(wěn)定，支護結構及地鐵結構變形滿足設計要求［3］。參見圖11 所示。

圖11 雙排樁支護結構開挖效果圖

4 結語

雙排樁支護結構充分發(fā)揮了門式超靜定剛架結構的受力優(yōu)點，可以解決復雜環(huán)境基坑支護安全問題。

本文通過一個典型基坑支護工程項目，關于雙排樁支護結構計算模型幾個技術控制要點，分別針對采取有效技術措施，完成了復雜環(huán)境中深基坑的開挖支護，積累了理論基礎和實踐經驗。