一种多级支护体系在桥墩深基坑中的应用

刘旭阳 冯晓腊， 熊宗海 张哲斐

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074；2.武汉丰达地质工程有限公司，湖北武汉 430074)

0 引言

随着地下空间的逐步开发利用，基坑规模逐渐增大、基坑形状也越来越不规则。在紧张的周边环境条件下，施工过程中既要保证基坑的安全，还要为土方开挖创造有利条件，传统的围护体系往往不能满足工程所需，人们开始把目光转移到多级支护体系中，这是近年来提出的一种新型支护形式。目前，多级支护技术已经成功应用于全国20余项大面积深基坑工程。在实践中，可以根据实际情况在各级支护中选择单排桩、地连墙、双排桩、放坡、重力式挡土墙、反压土等多种型式进行合理灵活的组合[1-3]。例如开挖深度超过30 m的国家大剧院超深基坑，从上到下采用了“护坡桩+锚杆、地下连续墙+锚杆、地下连续墙”三级联合支护体系[4-5]；邻近既有线的鞍辽特大桥深基坑为不影响既有线路的正常使用，采用“围护桩+旋喷桩+向刚性支撑组合”的支护结构形式挡土，构成临路三面防护，一面开口开挖的施工作业面[6]；地下空间布置错落高低相连的上海虹桥综合交通枢纽基坑中采用“二级放坡+双轴水泥土搅拌桩+地下连续墙”的多级梯次联合支护体系[7]；郑 刚[8-10]认为无支撑多级支护结构在方案合理的情况下，次级支护结构可以有效抑制主要支护结构被动区塑性剪切带的开展，各级支护结构协同工作能力良好，整体稳定性强，将“多级开挖+单排桩+无支撑支护相结合”的技术应用在大面积复杂超深基坑中；处于深厚软土地区的武汉中心工程超深坑中坑采用多级柔性支护体系[11-12]，有效缩短了地下工程工期等。从目前的应用来看，多级支护体系取得了良好的社会效益。

本工程将多级支护体系的型式从深基坑支护中引入到桥墩基坑的围堰工程中，针对水土空间分布不均条件，在武汉新河大桥桥墩深基坑工程中设计了“外围双排钢板桩组成围堰、中部高压旋喷桩加固土体过渡、内部钢板桩结合三道钢管支撑”的多级梯次联合支护体系，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

武汉新河大桥段为武汉市汉口至阳逻江北快速路的重要组成部分，按双向八车道设计，全长928 m，拱肋高42 m。主桥11号和12号下部结构桥墩为主桥主拱座，拱座下设置承台，左右承台设置成哑铃型，单个承台平面尺寸为13.5 m×18.5 m×5 m。左右拱肋承台净距为24.02 m，单个承台下设12根直径2 m的钻孔灌注桩。横向两个承台采用钢筋混凝土系梁连接，其下设置6根直径2 m的钻孔灌注桩。11号墩位于新河北岸，其结构型式和位置如图1所示。

图1 新河大桥主桥墩结构及位置示意图

11号桥墩基坑呈长方形，宽约18 m，长约66 m，面积约为1188 m2；根据实际场区的地势标高和考虑后期汛期的水位，基坑开挖深度达16.68 m，其基坑平面图如图2所示。

图2 新河大桥右岸11号桥墩基坑平面布置图

1.1 周边环境

基坑东北侧为新河，新河岸边为整平的填筑土，作为后期的施工平台使用。基坑东南侧为新河河岸，岸边为整平的填筑土，作为后期的施工平台使用。基坑西南侧为正在建设的新河大桥的引桥结构，引桥结构距离基坑最近约为39 m。基坑西北侧为既有鱼塘，鱼塘右侧为既有的鱼塘堤坝。具体周边环境如图3所示。

图3 新河大桥右岸11号桥墩基坑周边环境图

1.2 工程地质条件

场区从上至下主要分布有人工填土、全新统冲湖积物及上更新统冲积层。和工程相关的土层的具体埋藏条件和特征见表1。

表1 基坑影响深度范围内土层参数表

人工填土：杂填土，主要由砂、碎石、粉质黏土及建筑、生活垃圾组成。回填时间不等，结构松散，强度低，无利用价值，厚度小；素填土，主要由粉质黏土、粉土组成，少量黏土、碎砾石土，回填时间大于10年，黏性土可塑状，局部见少量上更新统冲积层黏土填土，呈可塑至硬塑状，粉土呈稍密状为主。

粉砂：松散—稍密，稍湿—湿，分布不连续，工程性质一般，局部地震液化等级为中等。

粉质黏土：软塑—可塑，夹薄层或条带状细砂、粉土，层位稳定，分布连续，属高压缩性土层，为软弱下卧层。

粉细砂：松散—稍密，稍湿—湿，分布不连续，工程性质一般，局部地震液化等级为中等。

黏土：含铁锰质结核及灰白色网纹状高岭土，硬塑，分布连续，层厚稳定，承载力较高，属于中等压缩性土层。

1.3 水文地质条件

勘察期间，钻孔中地下水位与新河水位相差不大，枯水期赋存于砂层中的孔隙水一般不具承压性，在洪水期堤防内侧地下水具有一定的承压性，堤外岸坡部分地下水与长江水持平。

2 工程特点

结合工程特征、周围环境条件以及工程地质和水文地质条件，本基坑工程具有如下特点：

(1)属于超深基坑工程，基坑开挖施工具有明显的空间效应。

(2)基坑周边需进行桥墩结构的吊装，需要在基坑周边设置一定宽度的施工平台，基坑周边施工超载非常大。

(3)支护体系必须考虑新河汛期水位对基坑工程的影响。

(4)基坑侧壁不仅有易发生管涌渗透破坏的吹填砂土，还有承载力很低的软土。

基坑支护设计中紧扣上述主要特点，经过多种设计方案的技术、经济、工期和土方平衡等方面的综合对比分析，最终比较设计出了各方面优势均衡的多级梯次联合支护体系的设计方案，该支护体系平面图和典型剖面见图4和图5。

图4 新河大桥11号墩基坑支护设计平面图

图5 新河大桥11号墩基坑支护设计典型剖面图

多级支护体系结合基坑中间深周边浅的特点，将基坑工程划分为：(1)基坑外侧挡水围堰;(2)深基坑与围堰间基坑坡顶施工道路,也称过渡体系;(3)桥墩深基坑三个主要部分，对三个部分在竖向共采取了三级联合支护体系。

3 多级支护体系设计

3.1 一级支护——挡水围堰

西北侧利用既有鱼塘堤坝进行一侧挡水，另外三面将引桥基础开挖的大量土方作为围堰体填料。为保证堆填土坝体的稳定性和隔水性，又由于水域基坑围堰是临时水工建筑，使用期较短，为方便拆除，在坝体插入一定间距的双排钢板，双排钢板桩之间通过钢筋横拉连接，形成桩挡水围堰体系，并在围堰体迎水侧边坡铺设防水土工膜[13]。为隔断堰体内外的水力联系，迎水面钢板桩长度为15 m，进入第一层相对隔水层—粉质黏土层；而粉质黏土层夹薄层具有水平渗透的性质，为了确保侧向和桩底止水，背水面钢板桩长度设计为18 m。围堰支挡高度达8 m。

围堰体的高填方的稳定性和隔水性由过渡体系来辅以控制。在堰体内侧设置采用土体放坡反压来增强围堰的抗隆起能力。

3.2 二级支护——过渡段土体加固

围堰填方，为了保证其稳定性和隔水性能，在围堰体迎水侧边坡铺设防水土工膜。同时堰体内侧设置加固的放坡反压体，即过渡体系。对于最内部的桥墩深基坑来说，过渡段为土压力主动区，对于围堰体系来说，过渡段为土压力被动区，对围堰体系的稳定有利。为满足后期桥基施工空间的要求，在挡水围堰体系和桥基基坑支护体系间设置坑内反压土体，并采用φ500 mm、间距400 mm的咬合高压旋喷桩对高度渐变区进行加固，在临近桥梁基坑区域采用φ500 mm、间距2 m、长为10.0 m梅花型布置的高压旋喷桩加固土体，形成宽12 m的施工平台。桩顶设置300 mm厚C30钢筋混凝土压顶板，压顶板配筋采用φ14@250 mm的双向配筋。

由于反压土采用高压旋喷桩加固，围堰体的被动区的抗力得到提高，从而对基坑周边软土的变形起到了很好的控制效果。

3.3 三级支护——桥墩深基坑支护体系

桥墩深基坑形状为长方形，采用拉森-Ⅳ型钢板桩进行支护，尽管内坑基坑开挖深度约8.2 m，但场地土质较软，为控制支护体系位移量并考虑到工期紧张，竖向布置三道钢管对撑结合角撑。

4 多级支护体系计算分析

对三级支护体系的稳定性、整体位移，选取工程主要部分——桥墩深基坑为例。本基坑工程规模较小，具有空间效应，采用“理正深基坑”协同计算模块进行计算分析基坑整个开挖过程的受力、变形性状，其计算结果见图6。

图6 桥墩深基坑桩撑体系三维计算内力云图

正常工况状态下钢板桩围护墙三维计算的最大变形为29 mm。正常工况状态下钢板桩围护墙三维计算的弯矩和剪力，分别为243.9 kN·m和219 kN。可以发现：由于空间效应的作用，三维计算的钢板桩围护墙的变形较小。由于空间效应的影响，支护构件与土体之间的相互作用更加的明显，进而围护构件更能发挥其抗力。

5 有限元分析

PLAXIS岩土工程有限元分析软件是用于解决岩土工程的通用有限元系列软件。Hardening Soil Model(HS)模型为PLAXIS软件内嵌的一种土体本构模型，该模型为等向硬化弹塑性模型，即适用于软土也适用于较硬土层。基坑边至模型边界的距离取为5倍开挖深度，模型大小取为220 m×55 m，计算模型的上边界为自由边界，两侧边界限制其法向位移，底部边界全约束。其中，钢板桩用板单元模拟，并采用线弹性模型，泊松比为0.2。土体采用精确度较高的15节点土体单元模拟，并通过使用Goodman接触面单元考虑土体和地下结构之间的相互作用。水平钢支撑采用承受弯矩和轴力的梁单元模拟。桩间拉筋采用土工格栅模拟。所选计算断面有限元模型见图7。结构构件的计算参数见表2。

图7 基坑所选断面有限元模型图

表2 结构构件计算参数

基坑开挖至基底时，土体临空面及卸荷量达最大，此时支护结构体系将承受由水土压力和周边附加荷载产生的最大侧向荷载作用，支护结构体系处于最大负荷状态。选取基坑开挖第一层土施工钢板桩和开挖至基坑底两个不利工况进行分析。见图8和9所示。

图8 开挖土层施工钢板桩的水平和垂直位移云图

图9 开挖开挖至坑底时的水平和垂直位移云图

基坑水平位移最大处发生开挖至基坑底时，在钢板围堰桩之间。垂直位移最大发生在基坑底钢板桩侧，两种工况下基坑变形的模式由牵引向整体；同时，由于基坑开挖产生墙后土体变形影响范围在3～4倍基坑深度区域。开挖后过渡体系被动区对基坑底部变形起到了很好的控制效果。钢板支护桩最大位移是28.34 mm，围堰内最大沉降量15 mm，满足基坑设计规范关于变形控制的要求。说明本工程的支护体系与围堰体系间设置高压旋喷桩加固和反压土堤过渡体系，具有良好的控制基坑变形的能力。

6 变形监测

监测的主要项目包括土体测斜、立柱桩的沉降或隆起、围堰体系和支护结构的水平位移以及支撑梁轴力。各个施工阶段各部位的监测结果见表3。在整个开挖过程中，支撑梁的最大轴力1878.5 kN，在预警值3000 kN之内。选取桥墩基坑从开挖到挖至基底时间段内钢板桩的位移为代表，初期开挖时，支护钢板桩的位移较小，随着开挖施工的进行，变形逐渐增大，开挖至基底时位移达到最大，变形均在控制范围内。

表3 各施工阶段钢板桩监测数据极值表

7 结论

针对新河大桥11号桥墩深基坑工程中水土分布不均匀的特点，采用了“双排钢板桩结合桩内填土形成围堰”、“高压旋喷桩加固过渡区”和“钢板桩结合三道钢管对撑和角撑组成主桥桥墩支护结构”相结合的多级梯次联合支护体系，通过协同三维计算，确定了支护体系的稳定性。借助利用有Plaxis 2D限元模型，模拟了围堰体系在不同工况下的内力和变形，探究出了过渡体系对于支护结构的变形控制作用很大。综合对比确保设计的合理性。结合全过程的监测数据，确保整个工程的顺利实施，与支护体系稳定性得到了很好的拟合。本工程的顺利完成，为类似滨江软土区域、基坑周边水土环境复杂、施工空间狭小、施工荷载较大的桥墩基坑提供了一种新型多级支护体系设计与施工技术，为工程质量提供一定的技术保障，同时，也可以更好地推动多级支护技术的发展和进步。