上软下硬花岗岩地层基坑支护设计方法研究

陈 焘 黄永杰

(1.中铁二院华东勘察设计有限责任公司，浙江 杭州 310000; 2.中铁十七局集团第六工程有限公司,福建 福州 350000)

随着国民经济的发展和城市化的加速，原先只有一线城市才拥有的地铁，正逐渐向二线城市乃至部分三线城市普及。当地铁车站施工时避免不了深大基坑的开挖，本文结合厦门地铁某明挖车站深基坑工程为例，阐述了在闹市区内，复杂周边环境下上软下硬[1-3]花岗岩地层中，上部土质基坑釆用钻孔桩+内支撑结构，下部岩质基坑采用锚喷支护+减振孔的支护体系。经实践证明，吊脚桩[4-6]+内支撑+喷锚支护结合减振孔的设计是一种适用于上软下硬花岗岩地层，对周边沉降及扰民影响较小，较为经济合理的一种新型基坑围护结构型式。

1 工程概况

1.1 项目概况

厦门市某地铁车站为地下2层局部3层车站，站位位于闹市区内，周边以特殊用地、商业用地、医疗卫生用地等为主，少量厦门市历史风貌保护区，城中村用地及部分交通设施用地。特殊用地主要为厦门水警军区及海军医院，地块敏感，拆迁及设置地面附属的难度较大。商业用地主要为中华城购物广场、泰谷酒店及海景千禧酒店，医疗卫生用地主要为海军医院及厦门市妇幼保健医院，人流车流量较大。其他像厦门市青少年宫，车站南侧的鸿山小区，厦门市第一医院，双十中学等，均会带来大量人流车流。车站施工范围及周边地下管网繁杂，镇海路路中有一DN1 800控制性排水管，管底距地面约3 m～5 m，路两旁地下分别埋设有排水管、给水管、煤气管、电力管及通信管。

1.2 地质条件

拟建车站临近海边，地下水水位高，与海水存在水力联系，基坑开挖直接涉及到的土层为①-2素填土、⑩-1砂质粘土、-2残积砾质粘性土、-1全风化花岗岩、-2散体状强风化花岗岩、-3碎裂状强风化花岗岩、-4中风化花岗岩、-5微风化花岗岩。土体物理力学参数如表1所示。

表1 地质参数

2 设计工况研究分析

设计工况指基坑工程在分层开挖施工过程中在上一层支护结构施工完毕，达到设计强度后，开挖至下一层设计标高时基坑支护结构的工作状况。基坑工程设计计算应当根据设计工况分别进行计算，并取其最大值作为设计参数。

根据场地的地质条件、基坑的开挖深度以及周边环境情况，本站围护结构在上部土层基坑范围内采用φ1 000@1 200钻(冲)孔灌注桩+φ800@1 200二重管止水帷幕，竖向设置1道～4道内支撑+锁脚锚索；下部岩层基坑范围内采用喷锚+减振孔。本文选取该车站某一典型断面进行研究分析，将该类上软下硬花岗岩地层的基坑支护形式分为土层开挖和岩层爆破两大设计阶段，如图1所示。

2.1 土层开挖设计阶段

当基坑从地面开挖至锁脚锚索位置时，支护结构仍以排桩模型发挥功能，此时桩基在岩石中的嵌固深度对基坑受力及变形有着很大影响。然而从勘察报告可得出中、微风化岩具有极高的岩石饱和单轴极限抗压强度，若嵌固深度过大，对钻孔桩的施工难度、工期都有着很大的影响，设计中通过对不同嵌固深度的计算比较，同时结合现有的工程经验，在满足安全、经济及工期的情况下，保证钻孔桩须进入中风化岩2.5 m，微风化岩1.5 m。

当基坑从锁脚锚索位置至桩底标高位置，坑内侧土体挖除，被动土压力消失，形成“吊脚桩”模型。设计采用内支撑抵挡基坑外的主动土压力，考虑到桩底部无被动土压力，采用锁脚锚索代替被动土压力防止桩底“踢脚”。

“吊脚桩”结构的受力变形分析采用弹性地基法，土体计算参数如表1所示。围护结构的受力和变形计算结果如图2所示：最大水平位移7.35 mm，最大变形深度位于吊脚桩底部；最大桩身计算弯矩146.52 kN·m。

从图2可以看出，吊脚桩在整个基坑开挖过程中的变形情况不同于普通的嵌固桩，呈现上小下大的趋势，桩底有着较大的位移，故锁脚锚索在本阶段以及下阶段的基坑开挖中发挥的作用极为重要。

2.2 岩层爆破设计阶段

基坑锁脚锚索以下部分地质主要为中、微风化花岗岩，由于南侧海军宿舍楼距离基坑仅2.9 m，北侧千禧海景大酒店距离基坑仅2.3 m的影响，开挖受到此类复杂周边环境的影响，再加上本站基岩面较高，车站右线局部地面2 m以下即是基岩，给本就局限的施工场地又带来了种种复杂施工问题。因此本阶段只能采用垂直开挖的方式。

垂直开挖的难点在于保证吊脚桩下岩体的完整性，结合勘察报告中对岩体完整性的分析，该阶段采用锚杆+钢筋混凝土面层支护，加强了岩体的整体稳定性，保证了吊脚桩的竖向受力。

同时为了确保基坑爆破能在尽可能减小周边居民、行人及医院病人影响的条件下顺利进行，本站在岩层爆破设计阶段采用了减震孔减少基岩爆破振动波的设计方案。

减振孔减振原理就是利用减振孔形成空孔隔离带，在爆破时对爆破振动能量的大量吸收及消耗，使隔离带后面的区域受到的振动大大减小，将爆破振速值控制在规范要求范围以内，在爆破时减少对周边环境的影响，从而确保了爆破安全。

为确保设计方案的合理性，基坑爆破开挖前对设置减振孔降低振动对周边影响的方案进行了现场试验(如图3，图4所示)。通过对爆破振动速度的试验数据分析，当设置一排减振孔时，减振率在8.78%～30.08%，其平均值为19.92%；两排减振孔的减振率为16.71%～51.97%,平均减振率为38.28%；而三排减振孔的减振效果最好，减振率可以达到41.32%～69.23%,平均减振率为56.83%，即三排减振孔可以降振一半以上。

3 结语

通过对复杂周边环境下上软下硬花岗岩地层的工程实例分析，得到以下结论：

1)上部土质基坑釆用钻孔桩+内支撑结构，下部岩质基坑采用锚喷支护+减振孔的支护体系，对周边沉降及扰民影响较小，是一种应对该地层较为经济合理的基坑围护结构型式。

2)上覆土层设计阶段时，由于中、微风化花岗岩的强度较高，钻孔桩在施工时存在极大的困难，桩基的嵌固深度不宜过大，进入中风化岩2.5 m，微风化岩1.5 m即可。

3)在土层开挖结束，由于嵌固桩底的被动土压力消失，形成“吊脚桩”模型。此时桩体呈现上小下大的趋势，桩底有着最大的位移，故锁脚锚索在岩层爆破阶段对围护桩的受力发挥着极为重要的作用。

4)下埋岩层设计阶段时，须考虑爆破对基坑侧壁岩体、周边建构筑物及管线的影响。喷锚支护能很好加强基坑侧壁的岩石强度，同时三排减振孔设置可以达到降振一半以上效果，降低岩层爆破施工对周边环境的影响。

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