上软下硬复合地层条件下深基坑支护设计探析

赵文强

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

0 引言

伴随着城市化进程的加快，交通拥堵问题也日益突出，这为城市轨道交通发展提供了前所未有的机遇。然而，青岛、广州及大连等城市却因地层上部第四系土层与下部岩层的上软下硬现象，在基坑支护中出现了吊脚桩问题［1－3］。刘红军等［2］对吊脚桩支护进行了模拟分析计算，得出嵌岩深度与锁脚锚索的预加力、吊脚桩岩肩宽度与基坑变形及桩体位移的关系。王殿斌等［4］对民建中的岩石基坑及上软下硬基坑支护设计进行了系统阐述。刘红军等［5］对土岩组合地层基坑工程变形进行了监测分析，并阐述了基坑施工过程中的变形特点。然而，轨道交通建设条件一般比较苛刻，周边交通繁忙，地下管线密集，增加1 m的岩肩平台意味着要大量迁改管线，同时给交通疏解带来压力，有时会成为制约方案实施的瓶颈。因此，轨道交通工程一般无法按照常规的吊脚桩支护设置较宽的岩肩平台，较小的岩肩平台嵌固作用尚不得而知，类似的工程研究也相对较少。

本文以青岛地铁工程实例为载体，主要研究在周边交通繁忙、施工用地条件苛刻、地下管线众多、沉降位移控制要求严格等复杂条件下，小岩肩吊脚桩的支护问题。利用弹性抗力法和等效被动土压力法分别对上部桩撑(锚)体系和下部岩石边坡进行分析计算，并对该类型明挖基坑吊脚桩围护问题展开讨论，为类似地质、环境条件下的基坑支护提供参考。

1 工程概况

青岛地铁某站为地下2层10 m岛式站台车站，主体为双层双跨箱形框架结构，总长179.8 m，标准段宽18.8 m。车站顶板覆土厚3.0～4.7 m，结构底板埋深16.1～18.5 m。

车站设置在2条正交道路的十字路口，周边建(构)筑物主要为文物保护建筑、多层住宅楼及低矮平房。道路宽约20 m，均为双向四车道，车流量较大。车站拟在十字路口处盖挖施工，铺设贝雷架梁临时路面体系以保证跨基坑通行，车站两侧采用明挖施工，路侧部分辅路及绿化带作为交通导改临时路由。车站总平面如图1所示。

2 地质概况

本站地面起伏较大，东西两端地面高程差约为4 m，东侧地面下约5 m、西侧地面下约2 m均进入强风化花岗岩层。围护形式拟采用上部桩径0.6 m、间距1.5 m的排桩+下部锚喷的阶梯型组合式支护结构。

场区第四系厚度0～6.50 m，主要由第四系全新统人工填土(Qml4)与上更新统洪冲积层(Qal+pl3)组成。场区内基岩以粗粒花岗岩为主，花岗斑岩、煌斑岩呈脉状穿插其间，受沧口断裂构造影响，糜棱岩、砂土状碎裂岩及碎裂状花岗岩发育较晚。各岩土层物理力学指标如表1所示。

地下水主要赋存于第四系松散土层及基岩的裂隙中。场区地下水主要有2种类型:一是松散土层孔隙水，主要分布第四系洪冲积层，属松散层孔隙潜水;二是基岩裂隙水，风化裂隙水及构造裂隙水均较发育。其中，风化裂隙水主要赋存于岩石强风化带中;构造裂隙水主要赋存于断裂两侧的构造影响带及节理裂隙发育带中;基岩裂隙水富水性贫。综上，场地内地下水富水性贫，水量不大。地下水对混凝土结构具有微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性。

3 主体基坑支护

3.1 基坑支护设计思路及方案

首先，青岛地质情况变化较大，由于基岩起伏大，基坑支护类型多样化，青岛地区(民建)主要采用复合锚喷墙支护和桩锚围护体系。对于周边环境简单、基坑深度较浅且岩面出露较高地段，宜采用锚喷支护体系。因地铁基坑深度一般在15 m以上，设置在城市繁华地带，周边临近建筑物，地面交通繁忙，地下管线密集，必须严格控制基坑位移及沉降。对于此条件下的土岩组合地质，基坑上部一般采用刚度较大的桩撑支护体系。该体系分为嵌入基底和不嵌入基底2种形式，嵌入基底又分为直接嵌入和间接嵌入，不嵌入桩底的桩锚支护体系主要适用于有一定放坡空间的支护地段，本站受周边环境制约，不宜采用。

其次，针对青岛基坑地质上软下硬的特点，考虑下部地层为中－微风化岩石，完整性好，为充分利用围岩的自稳能力，降低造价，围护桩一般不施作到结构底板下，故而形成了所谓的吊脚桩。同时，围护桩在岩层中一般需要爆破施工，进尺小，采用吊脚桩也有利于解决爆破引起的施工风险，加快施工进度。结合本站地质和环境条件，适合采用间接嵌入基底形式的桩锚体系。

再者，考虑周边交通、管线及施工条件，下部岩石边坡无放坡条件，采用直壁开挖。采用微型钢管桩超前支护，主要作用有:1)超前支护，解决了分层开挖后支护前基坑稳定及变形问题。2)预裂岩石，形成开挖轮廓，避免超挖。3)缓冲孔，减小爆破对基坑岩石和坡顶建(构)筑物的震动影响。

综合所述，确定了上部钻孔灌注桩+内支撑刚性支护，下部微型钢管桩+锚索(杆)柔性喷锚支护，岩肩处采用“L”型冠梁和预应力锚索锁脚的组合支护方案。车站基坑支护剖面如图2所示。

3.2 支护参数

车站基坑深17 m，上部吊脚桩桩径0.8 m，桩间距1.2 m，冠梁上钢管内撑采用外径609 mm、厚14 mm的钢支撑，锁脚锚索采用5φ15.2钢绞线;下部岩石边坡采用φ168 mm钢管桩，钻孔直径200 mm，桩间距1.0 m，嵌固基底1.5 m，岩石锚杆采用2φ28螺纹钢筋，水平、竖直均2 m布置，钻孔直径110 mm，锚杆长5～7 m。

图2 车站基坑支护剖面图(单位:mm)Fig.2 Profile of support of foundation pit of Metro station(mm)

4 围护结构计算

由于岩体和土体2种介质差异较大，很难用一种计算模型来解决。一般来讲，上部土体按照传统的弹性抗力法计算［6］，下层岩体开挖后采用等效被动土压力设计方法［1］，即:桩脚嵌固段岩石被挖除后，通过在桩脚设置锚杆拉力来替换先前的被动土抗力，达到相同的受力效果。岩石边坡计算考虑上部土层及超载、锚杆垂直分力作为附加荷载作用在岩体上，根据岩体结构面倾角、结构面摩擦力和内摩擦角采用极限平衡法计算岩体稳定性。

4.1 上部桩撑(锚)体系计算

参考 JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》［7］，采用弹性支点法计算围护结构。计算最不利工况，基坑开挖到桩底，围护桩按0嵌固计算(为了便于软件输入，按0.001考虑)，不考虑岩肩作用，仅作为安全储备。计算模型及计算结果分别如图3和图4所示。

图3 计算模型(单位:m)Fig.3 Calculation model(m)

由图4计算结果可知，围护体系采用主筋为14φ18的φ800 mm钻孔灌注桩，预加轴力为200 kN的D609钢管内撑，长度为15 m，锚固体直径150 mm的锁脚锚索，通过对嵌固为0时的抗倾覆检算，最终结果满足设计要求。

4.2 下部岩石边坡计算

岩石基坑的稳定性主要取决于组成基坑的岩体结构面的发育情况及其产状与基坑边坡的空间位置关系。当结构面非常发育导致岩体成碎裂结构时，一般可将其视为散体介质，采用土质边坡的圆弧滑动法进行分析。当组成基坑边坡的岩体中发育一组或几组结构面时，边坡岩体常沿着某个软弱结构面或几个软弱结构面的组合面滑动，根据软弱结构面的发育情况，一般分为以下几种情况:沿单一软弱结构面滑动、沿2个倾向相同或相近但倾角不同的结构面组成的滑面滑动、沿交错节理构成的阶梯状滑动以及沿楔形面滑动等。沿单一平面滑动是岩体基坑中最为常见的滑动方式。稳定性分析计算公式为:

式中:H为边坡高度;W为滑体质量;cj，φj分别为结构面黏聚力和内摩擦角;T为沿结构面法线方向的锚固力;β为结构面倾角;K为安全系数。

图4 计算结果包络图Fig.4 Envelope of calculation results

根据基坑地质条件，对基坑下部岩石边坡进行简单平面滑动稳定分析，并采用理正岩土计算软件与极限平衡法计算岩体稳定性。支护参数如表2所示，计算原理方法如图5所示。

计算结果显示:当总下滑力1 554 kN，总抗滑力2 331.4 kN，安全系数为1.5时，满足设计要求。另外，对于微型钢管桩支护的计算，青岛理工大学张明义教授进行了专题研究，主要是考虑钢管本身的抗弯刚度乘以系数1.2作为钢管桩本身的刚度(因桩内充满水泥浆，刚度增大)，该项目目前处于试验阶段，试验结果将可能对类似土岩结合基坑设计带来巨大影响。如若可行，将大幅度降低基坑支护的支锚数量，从而降低工程投资。

表2 基坑下部支护参数表Table 2 Support parameters of lower part of foundation pit

图5 计算简图Fig.5 Calculating sketch

5 施工现场及实测数据

目前，本工程基坑开挖已完成，施工过程中无事故发生。开挖过程中，坑壁平顺性较好，无因爆破或基岩裂隙等因素产生倒坡造成的超挖，钢管桩的预裂作用明显;基坑爆破开挖对周边建筑物、居民工作生活影响小，建筑物附近的爆破振速不超过1 cm/s，扰民较少，钢管桩的减振效果显著。通过现场实际测斜发现:吊脚桩桩底锁脚锚索决定整个基坑工程的成败，预加力越大，预应力损失越小，则桩体位移减小;反之，则位移增大。基坑施工过程中的地表沉降、桩顶位移实测值如6和图7所示。

图6 2013年地表沉降曲线图Fig.6 Ground surface settlement in 2013

图7 2013年桩顶水平位移曲线图Fig.7 Horizontal displacement of pile top in 2013

6 结论与建议

1)青岛地区上软下硬特殊地质条件下的基坑支护，尤其是地铁结构的长条形基坑，在周边位移及沉降要求严格的情况下，上部第四系土层可采用桩+支撑，下部岩石边坡采用锚喷支护的组合支护方案。通过对支撑施加适当的预应力及桩底设置锁脚锚索，能够满足位移及沉降限值要求。

2)在周边环境限制下部放坡的条件下，微型钢管桩在直壁开挖的岩石边坡中超前支护、预裂及减振作用明显。因此，在此类基坑支护体系中设置微型钢管桩是合理的。当然，在下部微风化岩石条件较好的情况下，可仅设置预裂、减振孔而省略下钢管及注浆工序。

3)鉴于当前岩土工程设计理论的不完善及实践经验的欠缺，吊脚桩支护系统理论尚未成熟，计算模型尚不完善，应进一步研究钢管桩的刚度作用，考虑其刚度建立适当的模型，降低支护费用。同时，工程的实施须以信息化施工作为重要手段，以达到验证并改进设计、推进吊脚桩设计理论发展的目的。

［1］ 刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.2版.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［2］ 刘红军，李东，孙涛，等.二元结构岩土基坑“吊脚桩“支护设计数值分析［J］.土木建筑与环境工程，2009，53 (5):43－48.(LIU Hongjun，LI Dong，SUN Tao，et al.Numerical analysis on design of dualistic foundation pit with“end-suspended pile”［J］.Journal of Civil，Architectural＆Environmental Engineering，2009，53(5):43－48.

［3］ 朱祥山，聂宁，于波.排桩模型在“嵌岩”基坑工程中的应用［J］.海岸工程，2008，27(3):81－84.(ZHU Xiangshan，NIE Ning，YU Bo.Application of pile-row model in engineering of foundafion pit embedded in rock［J］.Coast Engineering，2008，27(3):81－84.(in Chinese))

［4］ 王殿斌，吕三和.青岛市深基坑工程实践［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［5］ 刘红军，张庚成，刘涛.土岩组合地层基坑工程变形监测分析［J］.岩土工程学报，2010，32(S2):550－553.(Liu Hongjun，ZhANG Gengcheng，LIU Tao.Monitoring and analysis of deformation of foundation pits in strata with rock-soil combination［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(S2):550－553.(in Chinese))

［6］ 陈东.广州地铁2号线江南西站南站厅基坑支护结构设计［J］.地铁与轻轨，2003，16(6):15－21.

［7］ JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［8］ GB 50330—2002建筑边坡工程技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.