吊脚桩+超前微型钢管桩体系在地铁基坑工程中的应用

2014-05-30朱丹晖

铁道标准设计 2014年5期

朱丹晖

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，济南 250022)

1 工程概况

青岛地铁3号线双山站位于合肥路与黑龙江路交叉口，黑龙江路西侧(图1)。车站的结构形式为两层两跨箱形框架结构体系，车站总长度为251 m，宽18.8～20.8 m，高 13.2 ～14.4 m。基础底板埋深 15.82 ～18.50 m，车站顶板覆土南深北浅，最深处4.10 m，最浅处2.62 m。车站结构包括车站主体结构、4个出入口、2个消防专用出入口、2个风井及风道。车站主体结构采用明挖法施工，支护结构采用3种形式，分别为:钻孔灌注桩+钢管内支撑+锚索混合支撑体系，钻孔灌注桩+锚索体系，吊脚桩+超前微型钢管桩体系，其中吊脚桩+超前微型钢管桩体系为根据青岛地质条件，结合本地基坑设计经验而总结出的新型混合支撑体系。

图1 地铁双山站总平面(单位:m)

2 工程地质

本车站地貌类型为山前侵蚀堆积坡地，场地地势较平坦，现有地面高程为27.56～31.97 m，局部低洼处高程为25.69 m。站址范围第四系上部土层为①层人工填土、冲洪积层;⑤、⑦、⑦1层粉质黏土;[12]层含砂黏性土(砾砂)。下伏基岩为燕山期花岗岩，强风化带风化深度较大，中、微风化岩面埋藏深度为4.80～28.80 m。站址内第四系土层较发育，局部地段分布有粗砾砂、含砂黏性土(砾砂)，富水性较好;岩石强风化带，赋水性较差，地下水不丰富。见图2。

图2 车站左线里程K13+508.296～K13+548.996段地质纵剖面(单位:高程以m计，其他均以mm计)

3 基坑支护方案

现状黑龙江路为青岛市主干道，车流量较大，如在黑龙江路侧进行明挖施工，仅占用黑龙江路1个车道，对黑龙江路的交通基本没有影响，牵涉到的管线较少，且均具备迁改路由。黑龙江路两侧分别设置约5 m人行道，两侧建筑控制线均退后道路红线20 m，站址位置西侧为待建空地及汽车4S店，黑龙江路西侧合肥路段可临时断路，站址范围内施工场地条件较为充足，因此本站采用明挖法施工。

站址地质条件较为简单，但各层分布极不均匀，中风化岩层岩面起伏较大。考察青岛当地的建筑基坑，主要采用以下3种基坑支护形式:(1)在场地充裕且基坑深度较浅的情况下多采用土钉墙的支护形式。(2)基坑范围内为土质及强风化花岗岩地层时，采用桩+钢支撑(锚索)的支护形式。(3)基坑为上软下硬地层时，上部软土采用桩+锚索，下部岩层采用超前微型钢管桩的混合支撑体系［1-4］。

地铁明挖基坑多采用地下连续墙、桩+钢支撑的支护形式［5-7］，对于上软下硬地层，一般采用桩+钢支撑的支护形式，但是中、微风化花岗岩单轴抗压强度分别为30.7、61.07 MPa，钻孔困难，在中风化岩石中钻孔8 h进尺约为2 m，微风化岩石中钻孔8 h进尺约为1 m，钻孔灌注桩施工周期较长，造价较高，而青岛当地建筑基坑支护设计经过实践的检验，是一种安全、经济且适用于青岛地层的支护方案。

本次基坑设计考虑以上因素，通过对适用于上软下硬地层中的常用几种围护结构的比较(表1)，经过多次论证和试算，综合考虑经济和工程进度因素，最终确定根据中风化岩面埋藏深度的不同，采用不同支护组合。当中风化岩面埋藏深度在基底3 m以上时，采用吊脚桩+超前微型钢管桩的支护形式，上部吊脚桩为钻孔灌注桩+钢支撑(或锚索)，灌注桩伸入下部中风化岩层1.5 m，下部岩层采用超前微型钢管桩。上部土层锚固力较小，且周围环境不允许长锚索施工，故吊脚桩上部采用钢支撑，下部离岩层较近段倾斜锚索可锚入岩层中，为了增加施工空间、便于施工，吊脚桩下部采用锚索。

表1 围护结构形式比较

4 吊脚桩+超前微型钢管桩支护体系设计

4.1 设计原则

该段地质为上软下硬土层，中风化岩层高出基底约3 m，各层物理参数情况见表2。对于吊脚桩+超前微型钢管桩支护体系(图3)，上部吊脚桩段和下部岩石超前微型钢管桩段可分为独立的两个基坑支护段进行计算。上部吊脚桩支护由钻孔灌注桩+钢支撑(或锚索)组成，钻孔桩底部进入中风化岩层1 m，并采用锁脚腰梁稳定吊脚桩下部，可以认为吊脚桩下部已锚入稳定岩层中，根据弹性支点法进行分析计算;下部超前微型钢管桩段，由于岩质边坡自身硬度及稳定性好，采用极限平衡法进行分析计算，采用锚喷支护，微型钢管桩作为稳定下部岩层的构造措施，防止爆破开挖及机械钻孔对下部岩层的破坏。

表2 地层物理参数

图3 吊脚桩+超前微型钢管桩支护横断面(单位:高程以m计，其他均以mm计)

按照相关规范要求，结合本工程实际情况，确定本基坑设计标准如下［5-8］。

(1)本基坑的变形控制保护等级为一级，并按此等级对基坑稳定性和变形进行验算。基坑侧壁的重要性系数为 1.1。

(2)围护结构应满足基坑稳定要求，不产生倾覆、滑移和局部失稳。支撑系统不失稳，锚索及腰梁等围护结构构件不发生强度破坏。钢管内支撑预加轴力按支撑设计轴力的40%～60%计。锚索张拉力应张拉至设计预加力的105% ～110%，再按规定值进行锁定。

(3)施工引起的地面沉降应控制在环境条件允许的范围内。根据周围环境和地下管线对变形的敏感程度，采取稳妥可靠的措施。施工期间基坑周围地面最大沉降量≤0.15%H(H为基坑开挖深度)，围护结构最大水平位移≤0.2%H，且均小于30 mm。

(4)钻孔灌注桩在施工期间作为基坑支护结构，考虑承担施工期间全部外部土压力。钻孔灌注桩按强度控制设计，不再验算裂缝宽度。但参与抗浮作用的桩需进行裂缝计算，裂缝宽度不大于0.2 mm。

(5)地面超载:标准段地面超载按20 kPa计算，且基坑周边2 m范围内不得堆载。

(6)基坑设计使用年限:20个月。

4.2 分析计算

(1)上部吊脚桩计算

基坑深度15.50 m，采用钻孔灌注桩+钢支撑(锚索)的支护形式，基坑上部2道钢支撑，下部3道锚索(表3)。采用理正深基坑进行分析［9-10］，排桩支护模型(图4)，模拟整个施工过程对基坑稳定性、变形进行计算分析。分析结果详见图5、图6。

表3 材料规格

图4 吊脚桩支护计算模型(单位:m)

图5 内力、位移包络图

图6 地表沉降

经过计算分析，基坑最大水平位移19.39 mm，小于0.15%H，基坑侧面最大沉降值为 18 mm，小于0.2%H，且变形值均小于30 mm，满足变形控制要求;钢支撑承压能力设计值，锚索拉力设计值，灌注桩弯矩、剪力设计值等均控制在规定范围内。

(2)下部岩质边坡计算

下部岩质边坡计算高度为3.1 m，采用理正岩质边坡稳定分析软件对该边坡的平面滑动稳定性进行分析计算。计算时将岩质边坡结构面倾角范围内吊脚桩重力作为外部荷载作用于边坡顶部，力求计算模型与实际情况一致(图7)。

图7 岩质边坡稳定性计算模型(单位:mm)

由于边坡较低，且大部分处于微风化岩层，边坡稳定性较好，故直立边坡上部设置一道预应力锚索，用以稳定吊脚桩下部土体，同时增加岩体锚固力，经过计算，边坡稳定系数为1.395，边坡安全。

通过以上计算可以看出，计算结果安全合理，基坑设计满足相关要求，可以作为设计依据。

4.3 基坑支护参数(表4、表5)

表4 钢支撑轴力

表5 锚索设计参数

5 工程实施

基坑工程已施工完毕(图8)，正在施作主体结构。第三方检测数据显示，吊脚桩+超前微型钢管桩支护段围护桩桩顶水平位移最大为5.2 mm，桩顶沉降最大值为4.0 mm，围护桩桩体挠曲位移最大值为8.6 mm，地表沉降最大值为4.0 mm，施工过程中的地表沉降及桩体位移均小于设计允许值，监控量测变形数据均小于设计计算值，基坑支护结构安全。通过监测数据可以得出，基坑实际的变形很小，基坑支护设计安全系数过大，存在地层物理力学参数指标偏于保守的可能，支护结构应有优化余地。