紧邻高楼的隧道基坑支护方案研究

李金鑫

(湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙　410008)



紧邻高楼的隧道基坑支护方案研究

李金鑫

(湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙410008)

摘要：普瑞隧道明挖段基坑K1+230～275段紧邻18层楼房，采用了钻孔桩+横撑的结构型式对基坑进行了支护。采用理正深基坑7.0计算软件对基坑支护结构稳定性进行了计算，得出基坑整体稳定性安全系数、抗倾覆安全系数；并对基坑开挖过程进行了数值模拟，得出了地表位移、排桩位移及内力、第一道横撑的位移及内力，结果表明基坑及高楼均是安全的，对类似工程有一定的借鉴意义。

关键词：隧道； 基坑； 高楼； 钻孔桩； 横撑； 位移

1工程概况

普瑞隧道K1+230～275段紧邻18层楼房，该段隧道为明挖，明挖基坑深度为13.2 m，宽21.4 m，具体见图1所示。18层楼房距离基坑边仅为5 m。该段围岩从上而下依次为1 m厚填筑土、2 m厚软粘土、4 m厚圆砾层、4 m强风化板岩、中风化板岩。

图1　基坑平面

基坑深度较大且该段围岩稳定性差，选择好的基坑支护型式很关键；18层楼房离基坑的距离仅5 m，基坑开挖之后容易导致高楼产生较大的沉降，从而影响高楼的稳定性。

2基坑的支护型式设计及计算

由于本基坑工程围岩较差且有2 m厚的软粘土，如果采用桩锚支护型式的话，锚索预应力容易损失，且锚索容易侵入到高楼地下车库，从而无法保证基坑及高楼的稳定性；地下连续墙虽然能有效地阻止基坑变形，不过鉴于本项目基坑不是太深，采用地下连续墙会导致造价太高；针对本基坑的特点决定采用钻孔桩+横撑的支护型式，见图2、图3所示，钻孔桩的直径为1.0 m，间距1.3 m，并在地表施做冠梁(截面尺寸为1.0 m×0.8 m)，在基坑内部设置3道水平支撑，竖向间距为4 m，第1道支撑为钢筋混凝土(截面尺寸1.0 m×0.8 m，每隔7 m布置1道)，其余2道水平支撑为钢管(钢管直径为609 mm，壁厚12 mm，每隔3.9 m布置1道)；在基坑外侧设置高压旋喷桩，旋喷桩的直径为0.8 m，按间距1.3 m布置。

隧道结构断面见图4所示，钻孔桩与旋喷桩的布置关系见图5所示。

图2　支护立面(单位： cm)

图3　基坑支护平面

图4　隧道断面(单位： m)

图5　钻孔桩与旋喷桩(单位： m)

为了确保基坑结构的稳定性，同时不影响高楼安全，采用理正深基坑7.0计算软件进行本段基坑结构左侧(高楼所在的那一侧)进行计算，计算模型见图6所示，受高楼的影响，地表超载值取P=20 kN/m2，超载距离基坑5 m。计算内容有： ①地表沉降计算，见图7所示； ②整体稳定计算，见图8所示； ③抗倾覆稳定计算； ④抗隆起验算，见图9所示。

图6　计算模型(单位： m)

图7　地表沉降

图8　整体稳定性计算模型(单位： m)

图9　抗隆起计算模型(单位： m)

1) 地表沉降：从图7中可以看出，离坑边越远地表沉降就越小，最大地表沉降值为2 mm左右，且距离基坑5 m处(18层楼房位置)的地表沉降约为1.1 mm，满足要求。

2) 整体稳定性验算：计算方法：瑞典条分法，条分法中的土条宽度：0.40 m；应力状态：总应力法，滑裂面数据：整体稳定安全系数Ks=2.347，满足要求。

3) 抗倾覆验算：抗倾覆安全系数：

式中：Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定；对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值；Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

Ks=1.658，大于1.250，满足规范要求。

4) 抗隆起验算：

经过10多年的发展，INSPIRE相关法令（包括规定）、数据规范、元数据及网络服务、数据与服务共享、空间数据服务和报告监测机制等已在欧洲国家，包括部分亚洲国家普遍采用，19个专家组开发的70多个核心模式已在基础设施建设涉及的各领域得到普遍应用，INSPIRE标准系列的顶层设计经验亦推广到相关国家和区域。

坑底抗隆起按以最下层支点为转动轴心的圆弧条分法计算，结果如下：

Ks=2.585，大于2.200，坑底抗隆起稳定性满足。

3基坑开挖数值模拟

3.1模型及材料参数

本文采用MIDAS/GTS 数值计算软件对18层高楼附近段的基坑(桩号为K1+245～265)进行开挖数值模拟，为了计算的方便，计算模型横向(X方向)取80 m，竖直方向(Z方向)取30 m，纵向(Y方向)取20 m；边界条件为横向左右固定，竖直方向底部固定，纵向前后固定；18层高楼采用地面超载P=20 kN/m2进行模拟，整体模型见图10所示，钻孔桩+横撑支护结构模型见图11所示。

图10　整体模型

图11　支护结构模型

计算中，冠梁、钻孔桩、水平支撑均采用梁单元来模拟，本构关系为弹性；高楼采用地面超载进行模拟；围岩采用实体单元模拟，本构关系为摩尔-库伦。 材料参数见表1、表2所示。

表1 材料参数表材料单元类型模型类型弹性模量E/(kN·m-2)泊松比ν容重/(kN·m-3)γ饱和粘聚力c/MPa摩擦角φ/(°)填筑土实体单元摩尔库伦130000.3520210.1225软粘土实体单元摩尔库伦860000.321220.330圆砾实体单元弹性2000000.22223——板岩实体单元弹性4200000.22122

表2 结构单元参数表材料单元类型模型类型弹性模量E/(kN·m-2)泊松比ν重量密度/(kN·m-3)厚度或直径/m钻孔桩梁单元弹性298600000.2261.0第1道横撑梁单元弹性297000000.2240.8第2、第3道横撑梁单元弹性1000000000.278.50.6冠梁梁单元弹性298200000.2250.8

3.2开挖流程

具体开挖流程为： ①施做钻孔桩、冠梁、旋喷桩； ②向下开挖2 m然后施做第1道钢筋混凝土横撑； ③继续向下开挖4 m并施做第2道钢支撑； ④继续向下开挖4 m并施做第3道钢支撑； ⑤继续向下开挖3.2 m； ⑥施做隧道衬砌并逐步拆除横撑； ⑦基坑回填。3道横撑的施做见图12所示。

a) 施做第1道横撑b) 施做第2道横撑

c) 施做第3道横撑

3.3结果分析

通过计算得出本段基坑开挖后围岩位移变形等值性图，见图13所示。

a) 竖向位移

b) 水平位移

从图中可以看出，基坑开挖后地表发生了沉降，基坑底部向上隆起，而基坑侧壁围岩向内侧发生了变形，具体表现在：基坑两侧地表位移不一样，受高楼的影响，地表左侧位移要比右侧大，高楼处地表最大沉降为1.36 mm；受高楼的影响，基坑左侧水平位移要比右侧大，左侧最大水平位移发生在左侧壁下部，最大水平位移值为2.22 mm，右侧最大水平位移值同样发生在基坑下部，最大值为1.29 mm。因此，从上述分析中可以看出，基坑竖向位移及水平位移均不大，且高楼发生的沉降值也不大，表明基坑和高楼均是安全的。

3.3.2钻孔桩位移及轴力分析

通过计算得出钻孔桩水平位移及轴力图，见图14、图15所示。

图14　钻孔桩水平位移

图15　钻孔桩轴力

从图14中可以看出，受侧壁围岩挤压的影响，钻孔桩发生了变形，且左侧钻孔桩水平位移要比右侧大，最大位移发生下钻孔桩中部，最大值为2.22 mm；从图15中可以看出钻孔桩最大轴力发生在左侧3/5位置处，最大值为589 kN。从以上分析可以看出，钻孔桩位移及轴力均不大，在安全范围之内。

3.3.3横撑位移及弯矩分析

在基坑开挖过程中水平横撑起到了非常关键的作用，尤其是第1道水平横撑有效地控制地表变形，通过计算得出第1道水平钢筋混凝土横撑的位移及弯矩图，见图16、图17所示。

从图中可以看出，受左侧高楼的影响，横撑最大水平位移发生在横撑的左侧，最大值为0.92 mm；弯矩最大值发生在横撑两端，最大值为720 kN·m。从以上分析可以看出第1道横撑的水平位移及弯矩均不大，在安全范围之内。

图16　第1道横撑水平位移

图17　第1道横撑弯矩

4结论及建议

本文采用了钻孔桩+横撑的结构型式对紧邻高楼段的隧道基坑进行了支护，采用理正深基坑7.0对本段设计进行了验算，得出基坑整体稳定性Ks=2.347、抗倾覆安全系数Ks=1.658、抗隆起安全系数Ks=2.585，均比规范值要大，表明基坑支护型式是合理的。并对基坑开挖进行了数值模拟，得出了地表位移、排桩位移及内力、第1道横撑的位移及内力等，从计算结果中可以得出基坑及高楼都是稳定的，说明钻孔桩+横撑这种结构型式能有效地控制基坑变形。另外在基坑施工过程中建议加强排水工作，对基坑地表位移及侧壁位移进行监控，以便及时了解基坑施工状态。

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中图分类号：U 45

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0133-04