土岩组合地层盖挖法车站“吊脚桩”基坑设计优化研究

田海光

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

0 引言

不同于上海、北京地区，青岛地区的地质状况为上覆层较薄，且多为覆冲积、洪积或填土层，向下不深即到达大规模的侵入崂山花岗岩。这种独特的沿海山地丘陵地形在国内地铁基坑建设中未有先例，可参考借鉴的经验极少。对于青岛“上软下硬”的地质状况，即土岩组合地层，在该地层下施工较深的基坑要考虑经济性及方便施工等因素［1］，所以，端承桩或支护桩嵌入中风化甚至微风化花岗岩岩石的深度不需要很大。在开挖到基坑底部时向上看，支护桩的底部其实在基底以上数米，其桩脚好似吊在半空中，称这种桩为“吊脚桩”，其实质是有1道桩脚锚索［2－3］来增加稳定性的桩锚支护体系。

目前，对“吊脚桩”的支护设计计算一般是采用传统方法与有限元相结合的方法。即采用传统的桩锚支护设计方法在开挖到土岩交界面时确定桩的嵌岩深度，再采用有限元法模拟变形和内力，在满足基坑变形要求的前提下，调整相关设计参数，满足桩锚支护体系的变形稳定，之后进行下层岩体的开挖。另外，对受竖向力状态下的“吊脚桩”稳定性进行分析研究，以期形成设计计算理论，使该类“吊脚桩”的设计有理可依，从而促进“吊脚桩”的发展和使用。

王明龙等［4］采用FLAC3D软件对桩锚支护结构在不同工况下的受力特性进行了模拟与研究，讨论了桩的受力变化规律;徐凡力等［5］介绍了正确选择杆系有限元法的计算方法，指出了设计人员通常存在和易产生的一些错误;刘红军等［6］使用有限元数值软件模拟了土岩组合地层下“吊脚桩”的施工过程，选取一些影响因素进行具体分析，并对其设计方法和稳定性进行研究;陈芳［7］推导了考虑岩体稳定性的深基坑支护桩嵌岩深度计算公式，认为支护桩嵌岩深度与岩体性质密切相关;徐涛等［8］结合广州地铁沙河站—天平架站盾构区间始发井工程实例，对“上软下硬”地质背景的基坑围护结构采用“吊脚桩”围护方案，将“吊脚桩”组合围护体系分别采用弹性增量法计算分析，通过施工过程中位移和内力的监测，证明方法是可行的;陈福全等［9］对黏性土预留土堤进行了不排水有限元分析;包旭范等［10］对大型软土基坑中心岛法施工中土台预留宽度进行了研究。另外，赵文强［11］以青岛地铁某长条形基坑为载体，结合支护方案采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稳定性进行了分析研究;朱丹晖［12］采用吊脚桩+超前微型钢管桩支护体系，经过软件计算及对现场施工的反馈，使支护结构受力和变形均在设计范围内;邓春海等［13］根据青岛市特殊的地层及基坑案例，对长螺旋吊脚桩支护结构设计、计算和应用进行了介绍和分析，表明该支护结构与传统有嵌固支护桩一样能有效控制基坑变形;李宁宁等［14］研究了吊脚桩2个关键设计参数(桩体嵌岩深度和锁脚锚索预加力)对支护体系的影响规律，可为今后的工程实践提供参考。

对于土岩组合地层的桩锚支护设计，国内已有学者做了大量的研究，但对于盖挖法施工工法下的“吊脚桩”支护体系设计却鲜有先例。针对青岛地区土岩组合地层条件，有必要对其相关的“吊脚桩”支护结构优化设计方案进行研究，即对吊脚桩的2个重要参数(嵌岩深度和岩肩宽度)进行研究，以期达到节省成本并保证安全的目的。目前，“吊脚桩”的设计和计算理论还不成熟，有待对半理论半经验的设计方法进行深入论证，以提出更合理的设计计算方法，从而使后续同类工程的设计分析有据可依。

1 有限元模拟

1.1 几何模型

本研究中选取青岛地铁五四广场站典型剖面SS进行分析(见图1)，其中，S－S剖面在基坑中的位置如图2所示，使用PLAXIS［14－16］建立模型。

图1 S－S剖面图Fig.1 S－S profile

图2 S－S剖面在五四广场站的位置平面图Fig.2 Location of S－S profile in May Fourth Square station

有限元软件PLAXIS(由Delft Technical University研制)功能强大、界面友好、建模简单。该软件可以很好地模拟较为复杂的工程地质和水文地质条件，进行全自动和局部加强的网格剖分;同时，它还可以参照固结理论，计算土层在固结过程中的水平位移、超孔隙水压力、有效应力及沉降等。PLAXIS软件常用于的2种实际工程计算问题一般是轴对称问题或平面应变问题。通过设置合理的模型和正确的地层参数，结合该软件对板单元、土体、梁单元、锚杆、桩土接触面、土工织物的模拟，可以对具体到某一工程的“吊脚桩”支护体系模拟分部开挖和施工过程，分析各个结构、因素对变形和支护效果的影响。

1.2 有限元模型

1.2.1 平面尺寸

根据基坑平面尺寸大小及工程地质条件，选择吊脚桩典型支护结构S－S剖面建立平面有限元模型。S－S剖面基坑的开挖深度为20.0 m，初步模拟取离开挖面边界外50 m为外侧水平向影响范围，基坑在X方向上的长度选取为75.00 m，在Y方向上选取50.00 m，所建立的计算域取75.00 m×50.00 m。

1.2.2 边界条件

模型的边界约束条件为:模型底面对所有节点施加约束X、Y方向自由度的支承;模型左侧及右侧对所有节点施加约束X方向自由度的支承。

1.2.3 网格划分

PLAIXS中的网格单元基本类型包括15节点三角形单元、6节点三角形单元及模拟结构物的特殊单元。其中，对锚杆锚固段以及岩石锚杆等可能出现应力集中的地方进行加密网格，共划分1 668个单元，14 171个节点。有限元模型见图3。

1.3 材料参数的选取

根据工程勘察报告，为了便于计算，对土层进行一定简化后的岩土体模型参数取值见表1。

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

1.4 计算分析工况

采用弹塑性计算，分步施工。实际施工时，为开挖一层土或岩石(2 m左右)，支护一层，因此，按照实际施工工况，开挖一步，支护一步，在模型中进行相应的工况定义。施工步序如表2所示。

表1 各层岩土体模型计算参数Table 1 Calculation parameters of different strata

表2 分步施工工况Table 2 Construction steps

2 “吊脚桩”支护体系变形与内力分析

2.1 “吊脚桩”支护体系变形分析

图4为不同工况下吊脚桩的桩身水平位移曲线。由图4可以看出:在开挖至2 m深度时，吊脚桩为明显的悬臂支护结构，桩顶水平位移最大，为2.05 mm，而基岩面以下水平位移非常小，几乎为0;第1道锚杆YMG1施工后，由于施加了较大的预应力，桩体水平位移发生了较大改变，桩顶由原来向坑内的水平位移变为向坑外的水平位移，且变化量较大;随着开挖深度的增大，开挖至5 m时，由于墙后的主动土压力作用，桩体水平位移重新变为向坑外;当开挖至基岩面以下8 m后，随着开挖深度的加大，桩身位移的变化主要发生在基岩面以下，而其上的水平位移基本不变，分析可能是由于预留岩肩宽度较小，提供的嵌固力有限;当开挖至20 m深度，即基坑底部时，桩脚水平位移达到最大值的1.97 mm。另外，随着开挖深度的增加，吊脚桩桩底的水平位移也在不断增加，当锁脚锚杆YMG3施工后，桩脚位移比开挖8 m时明显缩小，证明有预应力的锁脚锚杆对控制吊脚桩桩底水平位移起到了较大作用。从开挖至基岩面附近到开挖至基坑底，期间吊脚桩桩底水平位移增加较小，只有1 mm左右，说明尽管吊脚桩嵌入中风化岩中的深度只有2.0 m，但嵌入深度以下部分也对吊脚桩桩底起到了一定的约束作用。

图4 吊脚桩桩身水平位移随施工工况变化曲线Fig.4 Curves of horizontal displacement of end-suspended pile Vs construction steps

2.2 “吊脚桩”内力分析

桩身弯矩和剪力在不同工况下的变化规律如图5和图6所示。

图5 吊脚桩桩身弯矩随工况变化曲线Fig.5 Curves of bending moment of end-suspended pile Vs construction steps

图6 吊脚桩桩身剪力随工况变化曲线Fig.6 Curves of shear force of end-suspended pile Vs construction steps

由图5和图6可知:随着开挖深度的增加，施工预应力锚杆对于吊脚桩上部2 m范围内的弯矩及剪力几乎没有影响，这是由于桩顶第1排预应力锚杆数值较大，控制了桩体的变形;弯矩最大值发生在第1道锚杆和临时支撑之间4 m左右的位置，故下部锚杆预应力对最大弯矩的影响较小;施工桩脚锚杆以后，弯矩及剪力在嵌岩部分都瞬间由正值变为负值;从开挖桩脚以下直至开挖到基坑底，弯矩值整体呈减小趋势，而嵌岩面处的剪力也随着开挖深度的增大而不断减小;随着基坑开挖深度的增加，吊脚桩桩身最大弯矩的位置不断下移，说明桩脚锚杆发挥了一定作用。

3 “吊脚桩”嵌岩深度与预留岩肩宽度的研究

3.1 嵌岩深度对吊脚桩变形及受力的影响

爆破施工时可能会破坏预留岩肩，从而影响到桩体的嵌岩深度，所以在设计时可以适当增大吊脚桩的嵌岩深度。该工程选择吊脚桩的嵌岩深度分别为1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m，保持其他因素不变，不断变化吊脚桩嵌入中风化花岗岩中的深度，讨论嵌岩深度对吊脚桩变形和受力的影响。图7和图8为吊脚桩水平位移和桩身弯矩随嵌岩深度变化曲线。

由图7和图8可知:基岩面以上的桩身弯矩随嵌岩深度变化不大;基岩面以下，在嵌岩深度2.0 m范围内负弯矩逐渐增大，而当嵌岩深度为2.5 m时变为正弯矩;随着吊脚桩嵌岩深度的增加，吊脚桩桩顶水平位移逐渐减小，当嵌岩深度大于2.0 m时，桩顶水平位移随嵌岩深度加大的变化不再明显。说明该地层条件下，吊脚桩最优嵌岩深度为2.0 m，由于岩层开挖功效低，成本高，再加大嵌岩深度，只能增加工期和施工费用，对结构受力和变形帮助不大。

图7 吊脚桩水平位移随嵌岩深度变化曲线Fig.7 Curves of horizontal displacement of end-suspended pile Vs rock-socketed depth

图8 吊脚桩桩身弯矩随嵌岩深度变化曲线Fig.8 Curves of bending moment of end-suspended pile Vs rocksocketed depth

3.2 岩肩宽度对吊脚桩变形及受力的影响

预留岩肩宽度对吊脚桩稳定性至关重要。本工程选取岩肩宽度分别为0.5，1.0，1.5，2.0 m，保持其他因素不变，分析岩肩宽度对吊脚桩桩身最大正水平位移和桩身正弯矩的影响。图9和图10为吊脚桩水平位移和桩身弯矩随岩肩宽度变化曲线。

分析图9和图10可以看出:随着岩肩宽度的增加，吊脚桩桩身水平位移整体减小，桩脚水平位移呈现近似于线性减小的趋势，在2.0 m的宽度范围内，尚未出现不稳定的趋势;吊脚桩桩身最大正弯矩呈现增长趋势，桩身最大正弯矩出现在第1排预应力锚杆YMG1和临时支撑之间;吊脚桩嵌岩处负弯矩随着岩肩宽度的增加而逐渐增加，且最大负弯矩出现的位置不断向嵌岩处靠近。

图9 吊脚桩水平位移随岩肩宽度变化曲线Fig.9 Curves of horizontal displacement of end-suspended pile Vs rock shoulder width

图10 吊脚桩桩身弯矩随岩肩宽度变化曲线Fig.10 Curves of bending moment of end-suspended pile Vs rock shoulder width

4 有竖向荷载的“吊脚桩”研究

土岩组合地区吊脚桩往往扮演围护结构的角色，而地铁盖挖法车站施工对其功能提出了新的要求:在恢复路面后，承受一部分由钢盖板、车流所带来的竖向荷载。故本文依托五四广场车站，模拟研究吊脚桩在竖向荷载下的受力和变形情况。

PLAXIS软件中对竖向荷载的添加有2种方式:施加1个地面的分布荷载或者在桩顶施加1个集中荷载。本文选取后一种方式，根据分析，将车流及钢盖板在桩顶的等效荷载设定为60 kPa。

图11和图12为吊脚桩水平位移和桩身弯矩在有无竖向荷载情况下的对比图。

图11 桩身水平位移在有无荷载下的对比图Fig.11 Horizontal displacement of end-suspended pile with vertical load Vs that without vertical load

图12 桩身弯矩在有无荷载下的对比图Fig.12 Bending moment of end-suspended pile with vertical load Vs that without vertical load

分析图11和图12可知:由于桩脚嵌入中风化花岗岩，嵌岩面以下的部分无论有无竖向荷载都变化不大;桩顶位移同无竖向荷载一样，都随开挖深度的增加而加大，但相较于无竖向荷载，其数值明显增大;有荷载情况下，桩身弯矩稍有增大，但变化值极小。

图13为桩顶沉降随开挖深度变化图。从图13中可以看出:随着开挖深度的加大，桩顶沉降不断增加。开挖基岩面之前，桩顶沉降较小;开挖至基岩面9～12 m期间，桩顶沉降变化幅度最大;而后一直到开挖至基坑底，桩顶沉降增加不明显。整体而言，有竖向荷载情况下桩顶位移较无荷载增加显著，且主要表现在开挖基岩面之后，但最大沉降也仅有1.4 mm，这与该地层土层很薄、基岩面较浅不无关系。

图13 桩顶沉降随开挖深度变化图Fig.13 Curves of pile top settlement Vs cutting depth

5 结论与讨论

本文选取青岛地铁3号线五四广场站具有代表性的地层为背景，考虑基坑分步开挖过程，利用有限元方法的优势，计算分析了嵌岩深度和岩肩宽度对吊脚桩变形和内力的影响规律。主要结论为:

1)随着开挖深度的增加及锚杆的施工，吊脚桩桩底的水平位移在不断增加，说明吊脚桩预应力锁脚锚杆对控制桩底水平位移起到了较大作用。

2)随着嵌岩深度的增加，吊脚桩最大位移有所减小，但变化值很小。从计算数据来看，岩肩宽度取1.0 m已足够，实际施工中一般岩肩宽度按照1.5 m控制，采取控制措施(如松动爆破方法、严格限制一次单段最大起爆药量、采用微差爆破技术减震、实时监测爆破振动对周边支护体系的影响等)，保证爆破对岩肩造成松动后仍然有1 m的有效宽度。

3)由于桩脚嵌入中风化花岗岩，嵌岩面以下部分无论有无竖向荷载都变化不大。桩顶位移同无竖向荷载一样，都随开挖深度的增加而加大，但相较于无竖向荷载，其数值明显增大。有荷载情况下，桩身弯矩稍有增大，但变化值极小。

本文针对青岛地区土岩组合地层条件下地铁车站“吊脚桩”支护结构的优化设计方案进行了研究，对类似地层条件下基坑支护设计有一定的参考意义。但文章暂未深入研究锁脚锚杆预应力大小对“吊脚桩”支护体系的影响，这将是下一步的研究重点，并将跟踪工程施工监测数据，对该优化方法进行完善。

［1］ 吴恒，周东，李陶深，等.深基坑桩锚支护协同演化优化设计［J］.岩土工程学报，2002，24(4):465－470. (WU Heng，ZHOU Dong，LI Taoshen，et al.Co-evolution optimization of anchored piles in row for deep foundation pit［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2002，24(4):465－470.(in Chinese))

［2］ 何思明，李新坡.预应力锚杆作用机制研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(9):1876－1880.(HE Siming，LI Xinpo.Study on mechanism of prestressed anchor bolt［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(9):1876－1880.(in Chinese))

［3］ 尤春安，战玉宝.预应力锚索锚固段应力分布规律及分析［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(6):925－928.(YOU Chun’an，ZHAN Yubao.Distributing characters and analysis of stresses in prestressed cable［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(6):925－928.(in Chinese))

［4］ 王明龙，王景梅.深基坑桩锚支护中桩内力变化规律数值模拟研究［J］.地下空间与工程学报，2013，9(3): 576－584，627.(WANG Minglong，WANG Jingmei.Numerical simulation on the variation law of pile internal force of pile-anchor retaining structure in deep foundation pit［J］. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2013，9(3):576－584，627.(in Chinese))

［5］ 徐凡力，崔京浩.盖挖逆作法车站的力学分析［C］//第四届全国结构工程学术会议论文集(下).泉州:中国力学学会《工程力学》编辑部，1995.(XU Fanli，CUI Jinghao.Mechanical analysis cover-reverse station［C］ //Fourth national structural engineering conference proceedings(2).Quanzhou:Editoral Office of Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，1995.(in Chinese))

［6］ 刘红军，李东.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，2009，31(5):43－48.(LIU Hongjun，LI Dong.Numerical analysis on design of dualistic foundation pit with“end-suspended pile”［J］.Journal of Civil，Architectrual＆Environment Engineering，2009，31(5):43－48.(in Chinese))

［7］ 陈芳.深基坑内支撑等效刚度及嵌岩支护桩嵌岩深度计算方法研究［D］.青岛:中国海洋大学环境科学与工程学院，2009.(CHEN Fang.Study on rock-socketed piles supporting calculation rock equivalent stiffness and embedded within the deep foundation support［D］.Qingdao: College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，2009.(in Chinese))

［8］ 徐涛，张明强.“吊脚桩”在深基坑支护设计中的应用［J］.武汉勘察设计，2012(3):44－47.(XU Tao，ZHANG Mingqiang.Applications designed of“endsuspended pile”in the deep excavation［J］.Wuhan Survey and Design，2012(3):44－47.(in Chinese))

［9］ 陈福全，吴国荣，刘毓氚.基坑内预留土堤对基坑性状的影响分析［J］.岩土工程学报，2006，28(S):1470－1474.(CHEN Fuquan，WU Guorong，LIU Yuchuan.Effect of berms on behaviors of excavation supported by sheet-pile walls［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(S):1470－1474.(in Chinese))

［10］ 包旭范，庄丽，吕培林.大型软土基坑中心岛法施工中土台预留宽度的研究［J］.岩土工程学报，2006，28 (10):1208－1212.(BAO Xufan，ZHUANG Li，LV Peilin.Study on mound width remained during the construction of central island for large foundation pits in soft soils［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(10):1208－1212.(in Chinese))

［11］ 赵文强.上软下硬复合地层条件下深基坑支护设计探析［J］.隧道建设，2014，34(2):153－157.(ZHAO Wenqiang.Design of support of deep foundation pits in hard-soft heterogeneous ground［J］.Tunnel Construction，2014，34(2):153－157.(in Chinese))

［12］ 朱丹晖.吊脚桩+超前微型钢管桩体系在地铁基坑工程中的应用［J］.铁道标准设计，2014，58(5):90－94.(ZHU Danhui.Application of a supporting system consisting of end-suspended piles plus advance micro steel pipe piles in Metro foundation pit［J］.Railway Standard Design，2014，58(5):90－94.(in Chinese))

［13］ 邓春海，张耕念，王守江.吊脚支护桩在康大凤凰国际基坑中的应用［J］.岩土工程技术，2011，25(3):125－127.(DENG Chunhai，ZHANG Gengnian，WANG Shoujiang.The use of un-embeded piles in the Kangda international building foundation pit［J］.Geotechnical Engineering Technique，2011，25(3):125－127.(in Chinese))

［14］ 李宁宁，董亚男，孙建成.上软下硬地层基坑支护型式－吊脚桩支护结构分析［J］.河南城建学院学报，2013，22(2):14－17.(LI Ningning，DONG Yanan，SUN Jiancheng.Analysis of foot-hanging pile retaining structure in upper-soft lower-hard ground［J］.Journal of Henan University of Urban Construction，2013，22(2):14－17.(in Chinese))

［15］ 李好，周绪红.深基坑桩锚支护的弹塑性有限元分析［J］.湖南大学学报:自然科学版，2003，3(30):86－89.(LI Hao，ZHOU Xuhong.Elastic-plastic FEM analysis of pile-anchor protection in deep foundation pit［J］.Journal of Hunan University:Natural Sciences，2003，3(30): 86－89.(in Chinese))

［16］ 万文，曹平.单一连续墙的平面非线性有限元分析［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(10):1766－1776.(WAN Wen，CAO Ping.Two-dimensional nonlinear finite element analysis of single diaphragm wall［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24 (10):1766－1776.(in Chinese))