衡重式双排桩与大跨度支撑在填海区超大基坑支护中的应用

2020-09-27祁孜威徐玉胜顾问天庞小朝温继伟

铁道建筑 2020年9期

祁孜威徐玉胜顾问天庞小朝温继伟

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.铁科院（深圳）研究设计院有限公司，广东深圳 518000；3.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）

填海造地是沿海大型城市拓展土地空间的一项重要手段。新近填海区的深厚欠固结淤泥层分布不均，力学性能差［1］。在该类地层中的超大、超深基坑工程对设计、施工提出新的挑战。针对填海区传统支撑结构制约建设工期的难题，马驰等［2］提出的咬合桩+锚碇、锚索的支护结构适用于周边环境开放且锚索施工无限制的基坑；刘唱晓［3］认为双排桩的门架式结构可以提供很大的侧向刚度，对8 m 深以内的基坑控制变形效果较好；应宏伟等［4］对双排桩带撑结构进行了分析，认为支撑刚度对支护结构的影响显著；顾问天等［5］提出的衡重式双排桩结构可以在深度15 m 以内不采用任何支锚形式，独立自稳，但其应用于填海区基坑变形较大。

本文以深圳国际会展中心项目（一期）超大深基坑工程设计为例，提出衡重式双排桩结合大跨度支撑支护结构，详细介绍设计重难点及解决措施、支护结构计算分析等关键技术。

1 工程概况

1.1 工程简介

深圳国际会展中心项目（一期）位于深圳市宝安区大空港片区，总建筑面积160 万m2。该项目2 层地下室区域基坑（图1）位于拟建中央廊道和南北登录大厅下。

图1 深圳国际会展中心项目（一期）平面示意

其中，中央廊道区域基坑长1 730.0 m，宽90.7 m；南登录大厅区域基坑长430.3 m，宽158.2 m；北登录大厅区域基坑长229.0 m，宽137.7 m。2 层地下室区域基坑总开挖面积约27 万m2，基坑开挖深度10 m，基坑两侧均为待建展厅。

1.2 工程地质条件

项目场地原始地貌主要为河涌和鱼塘，后经人工堆填土形成陆域。土地整备阶段软基处理设计采用排水固结法，由于土地整备时间有限，项目仅南部1/3左右的场地淤泥层进行过排水固结处理，其余大部分场地的淤泥均未进行任何排水固结或固化处理，仅填土覆盖。基坑工程进场时项目场地仍处于堆填、卸载等多重工程交叉作业阶段。基坑支护涉及土层的物理力学性质指标见表1。

表1 土层物理力学性质指标

2 基坑设计方案

2.1 重难点及对策

2.1.1 基坑支护方案比选

项目建设时间限定为2年。由于上部结构施工工期可压缩性较小，基坑土石方外运效率是制约工期的关键因素。为保证无干扰持续出土，基坑应选择无支撑或少支撑支护结构。对常用的基坑支护方案进行比选［6］，见表2。

表2 支护结构综合比选

基坑工程施工前，中央廊道两侧展厅的基础管桩已经施工完成，场地不具备打锚索条件，以出土效率为主导因素，优先选择衡重式双排桩。综合考虑变形控制，采用衡重式双排桩结合大跨度支撑支护结构。

2.1.2 淤泥强度指标取值

由于建设工期紧张，场地大部分区域淤泥未经排水固结处理，前期试桩过程中发现场内淤泥层力学性质较差，部分区域淤泥仍处于流塑状态。基坑工程体量巨大，合理选取淤泥层的强度指标对保证基坑安全、分区精细设计、节省工程造价有重要意义。因此采用TB 10018—2018《铁路工程地质原位测试规程》推荐的方法，根据十字板原位试验结果换算淤泥层的实际抗剪强度指标，见表3。

表3 淤泥层换算抗剪强度指标

2.1.3 软土基坑变形控制

场地大部分区域基底以下仍为软土层，被动区抗力不足，会造成围护结构的变形和内力大，围护桩嵌固深度大，经济性差。通过三轴水泥土搅拌桩加固，可有效减小围护结构的侧向位移和地表沉降。因此采用直径0.65 m、轴间距0.45 m的三轴水泥土搅拌桩对基坑被动区予以加固，搅拌桩布置形式为格栅式（2 m×2 m），加固宽度为坑底软土层厚度的3 倍［7］，加固后土体的黏聚力为15 kPa，内摩擦角为15°。

2.2 设计方案

衡重式双排桩结合大跨度支撑结构中，衡重式双排桩由L形衡重台、前排桩、后排桩组成。其中水平连接板宽6.7 m，厚1.1 m；挡板高4.0 m，厚0.4 m。双排桩前后排距5.0 m，前排桩为直径1.2 m 咬合桩，间距2.0 m，荤素咬合尺寸0.2 m，挡土又兼作截水帷幕；后排桩为直径1.2 m旋挖灌注桩，间距4.0 m。基坑开挖深度约10.0 m，前后排桩等长，双排桩嵌固深度10～13 m，如图2所示。

图2 基坑支护示意

基坑工程施工工序为：①在地面施工加固区三轴水泥土搅拌桩；②施工前排咬合桩及后排旋挖桩；③土方开挖至桩顶标高，施工连接板和挡板；④回填衡重台土方，施工大跨度支撑结构；⑤基坑内土方分区开挖到底；⑥底板传力结构施工完成后拆除支撑。

2.3 衡重式双排桩结合大跨度支撑结构计算模型

参考衡重式双排桩的设计计算模型［8］，增加大跨度支撑的等效刚度KH，得到衡重式双排桩结合大跨度支撑结构计算模型，如图3所示。

图3 衡重式双排桩结合大跨度支撑结构设计计算模型

2.3.1 大跨度支撑刚度计算

支护体系的等效刚度是由水平连接板侧向刚度和大跨度支撑支点刚度共同作用产生的综合刚度，计算时需将二者结合起来。

每榀大跨度支撑结构可独立看成一个整体，单榀大跨度支撑结构刚度KT计算式为［9］

式中：E为支撑的弹性模量；A为计算宽度内支撑的横截面面积；L为支撑计算长度，取开挖宽度的一半。

衡重式双排桩结合大跨度支撑结构综合刚度计算模型如图4所示。

图4 综合刚度计算模型

在平面水平支撑体系的连接板侧向上施加与其垂直的单位分布荷载P=1 kN/m，求得连接板上各结点的平均位移δ（与连接板方向垂直的位移），则衡重式双排桩结合大跨度支撑结构等效刚度KH为10］

2.3.2 大跨度支撑间距优选

为合理选择大跨度支撑间距，采用SAP2000 有限元软件计算不同间距下的结构变形和内力，计算结果见图5。

由图5（a）、图5（b）可知，随着支撑间距的减小，水平位移逐渐减小，最大位移点逐渐由桩顶向桩身中部转移。

由图5（c）、图5（d）可知，随着支撑间距的减小，前、后排桩桩身弯矩不断减小，前排桩桩身负弯矩最大值点不断下移，桩顶逐渐产生正弯矩，前排桩弯矩变化幅度比后排桩大。

图5 不同支撑间距下结构的变形和内力

由图 5（e）、图 5（f）可知，随着支撑间距的减小，前、后排桩桩身正向剪力不断减小，负向剪力不断增大。

支撑间距与无干扰面积占比、结构水平位移关系曲线见图6。可知，随着支撑间距的减小，结构水平位移不断减小，基坑无干扰面积占比不断增加。合适的支撑间距应兼顾控制变形和出土便利性，大跨度内支撑间距60～70 m时结构水平位移可控制在20～40 mm。

图6 支撑间距与无干扰面积占比、结构水平位移关系曲线

综合考虑，项目基坑支撑间距取70 m，平面布置如图7所示。

图7 基坑工程平面布置示意

3 三维有限元模拟分析

衡重式双排桩结合大跨度支撑结构充分利用了空间效应。采用Plaxis 3D 岩土工程三维有限元分析软件对该结构进行变形计算。

土的本构模型采用HS（Hardening-Soil）模型，前排咬合桩采用板单元模拟（将排桩等效为相同抗弯刚度的板），后排桩采用Embedded 桩单元模拟，参数见表4。衡重台、支撑板采用板单元模拟，支撑梁采用梁单元模拟。

表4 双排桩材料参数

由于项目基坑形状规则，受力模式比较清晰，出于简化模型考虑，选取淤泥层较深厚的中央廊道区域建立模型，如图8 所示，模型尺寸为200 m×200 m×40 m。

图8 整体模型

计算过程设定2种工况。工况一为基坑正常开挖到底；工况二为地下室底板施工完成拆除支撑。工况一、工况二水平位移分别见图9、图10。

图9 工况一水平位移云图

图10 工况二水平位移云图

由图9可知，基坑开挖到底，支护结构总体上为倾覆式变形，平面上支撑支点处水平位移小，连接板相邻两榀支撑间的中心处水平位移大，水平位移最大值为35.8 mm，位于挡板顶部。

由图10 可知，地下室底板施工完成后拆除大跨度支撑，结构水平位移最大值由35.8 mm 增加至39.2 mm，基坑整体安全稳定。

4 施工效果

该项目基坑工程于2017 年11 月开始挖除第一层土方，施工大跨度支撑结构，2018年1月底基坑已大面积开挖到底，近300万m3的土方开挖仅用时3个月，日均出土量3万m3。

基坑水平位移监测点设置在挡板顶部（布置间距20 m），以中央廊道B8 区域基坑为例，该区域已于2018 年1 月20 日开挖到底，水平位移实测值见图11。可知，坑顶变形趋势为向坑内偏移，基坑开挖阶段累计最大水平位移为37.2 mm，其余点位累计位移介于15.0～32.5 mm。实测结果与有限元模拟结果基本一致，基坑支护设计方案合理可行。