对拉锚索排桩支护结构在顶进箱桥深基坑中的应用

刘秋芳

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院， 河南郑州　450001)

1　概况

1.1　工程概况

郑州市北环辅道下穿郑州北站上发场铁路箱桥位于现状北环彩虹桥南、北两侧，单侧辅道宽18 m，道路红线与北环大桥基础净距3.5 m，大桥基底埋深5.0 m。新建箱桥采用线路架空顶进施工，工作坑设在铁路西侧，基坑深9 m，南侧辅道坑底长28.1 m，宽45.45 m，北侧辅道坑底长27.6 m宽45.45 m，南、北两个工作坑相距34.7 m。基坑紧邻大桥基础一侧，必须采用深基坑支护垂直开挖，并控制变形。另外三侧周边环境条件较好，可放坡开挖。桥位平面及基坑平面见图1、图2。

图1　桥位平面

图2　基坑平面(单位：m)

1.2　工程地质及水文地质

工程场地地貌为黄河冲积平原，地势相对平坦。地层为全新统冲积层粉土、粉质黏土及粉细砂层，土层参数见表1。场地地表水不发育，主要为人工排水渠及季节性地表径流。地下水为第四系孔隙潜水，埋深7.5～8.8 m，变幅1～2 m，主要由大气降水补给，水质对普通混凝土一般无腐蚀性。

表1　土层参数

2　支护方案选择

2.1　工程支护特点

(1)矩形基坑三侧放坡开挖，一侧支护垂直开挖，两个基坑相对大桥两侧布置；

(2)坑内预制箱桥，顶进施工，无加设水平内支撑条件；

(3)地下水位不高，土层渗透系数大。

(4)大桥为简支梁结构、扩大基础，基础沉降不影响桥跨结构内力。

2.2　支护结构要求

基坑支护最重要的功能是保证辅道施工期间北环大桥的安全稳定和正常使用，保证箱桥主体结构的施工空间。因此，支护形式的选择应根据地质条件、周边环境、基坑支护功能，结合不同支护形式的特点、造价等综合确定。根据本工程支护结构的功能和特点，应采用较大刚度的支护形式，以控制水平位移和沉降，如排桩或地下连续墙等。

2.3　支护方案比选

地下连续墙具有刚度大、整体性好、基坑开挖过程中安全性高、支护结构变形较小的特点，但工程造价相对排桩较高，适用于较深基坑的支护，对本工程而言不经济。钢筋混凝土排桩具有施工工艺简单、成本低、平面布置灵活的优点，缺点是防渗和整体性差。本工程场地地表水不发育，地下水主要由大气降水补给，基坑防渗可通过基坑降水解决，提高支护结构的整体性可通过增加冠梁和坑内水平约束实现。因此，设计选择对拉锚索排桩支护结构。

3　支护结构设计

设计采用排桩加锚索支护结构，由钢筋混凝土排桩、预应力锚索、钢筋混凝土冠梁和中间型钢腰梁构成。排桩沿基坑侧壁布置，设计桩径1.0 m，桩间距1.2 m，桩间拉钢筋网，喷0.1 m厚混凝土。桩顶冠梁宽1 m，高1 m，桩身设两道腰梁，竖向间距3 m，两个基坑侧壁间穿钢束对拉，并锚固在冠梁和腰梁上，钢束水平间距2.4 m，上下层交错布置。支护结构立面见图3。

4　基坑计算分析

图3　支护结构立面(单位：cm)

支护结构计算一般包括三方面内容，即稳定性验算、支护结构强度和基坑变形计算。布置在桥梁两侧的对拉锚索排桩支护结构，其分析内容包括:排桩结构内力计算，锚索内力计算，排桩嵌入深度计算，基坑抗隆起、侧壁位移计算等。根据现场实际情况，模拟开挖支护过程，对支护结构进行简化计算。在施工阶段，按施工过程进行受力计算分析，开挖期间钻孔灌注桩作为支挡结构，承受全部土压力、地面超载引起的侧压力和桥梁基础压力引起的侧压力。结构的位移及内力采用有限元方法进行计算，基坑以下土的作用采用弹簧模拟，弹簧刚度按“m”法模式计算，土压力按朗金土压力理论计算。支护形式为多点桩结构，采用《理正基坑支护设计软件5.05》进行内力变形及稳定性计算，计算方法为增量法，计算简图见图4。

图4　计算简图(单位：m)

模拟计算结果：围护桩弯矩标准值为153 kN·m/m；围护桩设计值为1.2×1.25×153=229 kN·m；

3道锚索的延米最大内力分别为42 kN，31 kN，24 kN。设计锚索的水平间距2.4 m，考虑k=2的安全系数，3道锚索的内力设计值分别为210 kN，150 kN，120 kN。分别配置2×7φ12.7，2×7φ12.7，2×7φ12.7钢绞线，预加应力Py=100 kN。

计算桩锚结构最大水平位移为3.8 mm，抗倾覆最小安全系数Ks=1.37>1.2，计算基坑稳定和变形满足规范要求，地表沉降量见图5。

图5　地表沉降量计算结果

5　围护结构监测

由于岩土性质的复杂多变性及计算模型的局限性，为及时发现施工过程中出现的异常情况，对可能危及基坑工程本体和大桥安全的隐患进行及时、准确的预报，故采取信息化施工，对基坑施工全过程进行监测、巡视。目前箱桥已顶进就位，引道挡墙正在修建，工程计划2013年初完工。截止2012年12月1日，监测累计结果见表2。

表2　2012年12月01日监测累计结果

6　结束语

本工程基坑采用对拉锚索排桩支护结构，解决了基坑内预制箱桥无法加设内支撑的问题，为类似深基坑施工提供了有益的经验，实现了大桥一侧垂直开挖，避免规划红线外移造成大量占地和拆迁。对拉锚索对约束支护结构的变形起到较好作用，对稳定坑外土体、限制桥梁位移起到一定作用。全程跟踪监测巡视：支护结构无裂缝、变形，坑外土体无沉陷、裂缝、滑移现象，坑内无流砂、管涌、隆起，周边建筑物无裂缝、沉陷，经济效果和社会效果较好。

[1]JGJ120—99建筑基坑支护技术规程[S]

[2]GB50497—2009建筑基坑工程监测技术规范[S]

[3]TB10203—2002铁路桥涵施工规范[S]

[4]GB50010—2010混凝土结构设计规范[S]

[5]CECS22：2005.岩土锚杆(索)技术规程[S]

[6]刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].北京：中国铁道出版社，2002