土岩二元结构地层地区吊脚墙基坑支护研究

熊 璐

（1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室（中铁一院），陕西西安 710043）

0 引言

城市土地资源日趋紧张，城市地下空间开发需求不断加大，基坑开挖深度不断加深，基坑开挖较深可能进入中等风化-微风化岩层，形成“上软下硬”的土岩二元结构地层，基坑上部为土层，下部为基岩，两种介质差异性较大，很难用一种计算模型解决该问题[1]。对于上述土岩二元结构地层，基坑上部土层范围常采用墙（桩）撑（锚）支护结构，考虑到基岩单轴抗压强度较大，墙（桩）底嵌入基岩深度有限，而基坑底面在基岩以下数米，墙（桩）底好像吊在空中，形成“吊脚墙（桩）”[2]。目前关于吊脚墙（桩）的研究较少，刘红军等[3]建立吊脚桩有限元数值模型，分析了桩体嵌岩深度、桩脚处锚杆轴力和预留岩肩宽度等因素对基坑的影响。田海光[4]认为吊脚桩的嵌固深度取2 m，岩肩宽度取1.5 m较合理。赵文强[5]、朱丹晖[6]认为微型钢管桩超前支护在直立岩石边坡预裂及减振作用明显。吴晓刚[7]结合有限元仿真计算结果和现场监测数据，对吊脚桩深基坑围护结构及土体的变形规律展开了研究。黄 薛等[8]认为吊脚桩采用桩锚支护及两桩一锚的布设方式经济效益和时间效益明显。毕经东等[9]认为微型钢管桩对吊脚桩岩肩保护作用明显。许满吉[10]以深圳地铁5号线为例，详细介绍了吊脚墙施工技术和锚索施工技术。本文以广州地铁21号线员村站为例，对土岩二元结构地层采用吊脚墙的支护体系计算方法进行研究，计算结果符合现场实测数据，可以作为吊脚墙支护体系设计的参考。

1 工程概况

员村站初期是21号线的第一个车站，远期是11号线的中间站，与5号线员村站进行换乘，车站南端设折返线。车站位于规划的花城大道与员村二横路交汇十字路口以南，沿员村二横路南北向布置，车站总平面布置图见图1，车站有效站台中心里程为DK5+112.000，车站明挖设计起点里程为DK4+769.590，车站设计终点里程为DK5+214.800。车站主体为地下四层14.5 m岛式站台车站，车站全长445.21 m，标准段宽为23.8 m，车站基坑开挖深度约28.12～30.86 m。基坑底位于中等风化及微风化岩层。

图1 员村站总平面布置图

员村站主体基坑主要位于绢麻厂地块内，周边建筑物主要包括站位北侧的南新大街民房，西侧的员村派出所，东侧的程界西村居民房，南侧的程届西子富新邨居民楼，基坑明挖施工占用车站南侧员村二横路以及北侧西界东马路，给交通带来不便，可以通过交通导改解决。

影响车站的主要管线有：员村二横路上的φ1000雨水管线、φ400给水管道两路，200×300电信管线；二号风亭上的φ800×700雨水管线，二号风亭处排水管线采用临时迁改，施工完成后恢复。车站主体明挖段上方市政管线均考虑置换悬吊后恢复。

2 地质概况

员村站及站后折返线场地地貌属于珠江三角洲冲积平原，地面标高约6.37～12.72 m，地势稍有起伏。上覆地层主要为第四系河湖相沉积地层和陆相冲、洪积相地层，下伏基岩为白垩系泥质粉砂岩和砾岩。主要地层从上至下依次为人工填土<1>、粉质黏土<4N-2>、淤泥质土<4-2B>、残积粉质黏土<5N-1>、残积粉质黏土<5N-2>、全风化碎屑岩<6>、强风化砾岩、泥质粉砂岩（<7-1>、<7-3>）、中等风化砾岩、泥质粉砂岩（<8-1>、<8-3>）、微风化砾岩、泥质粉砂岩（<9-1>、<9-3>），局部为粉细砂<3-1>、中粗砂<3-2>、淤泥<4-2A>。车站岩土参数建议值表如表1所示。

表1 岩土参数建议值表

勘察期间测得地下水初见水位埋深为1.00～4.60 m（标高3.67～9.19 m），稳定水位埋深为1.20～4.80 m（标高3.87～9.69 m）。场地地下水类型主要包括①第四系孔隙水，主要赋存于冲、洪积砂层中，在松散填土之中亦有少量第四系孔隙水；②基岩风化裂隙水，主要赋存于强风化、中等风化岩体的风化裂隙之中、含水层无明确界限，埋深和厚度很不稳定，其透水性主要取决于裂隙发育程度、岩石风化程度和含泥量。风化程度越高、裂隙充填程度越大，渗透系数则越低。

3 基坑支护方案

员村站为地下四层车站，主体基坑深度约为28.12～30.86 m。站位所在位置临近珠江，结构周边居民房屋密集，建筑物距离车站主体最近约15.2 m左右，地质钻孔显示车站南端有较厚的砂层和淤泥层。为减少基坑开挖对周边建筑物和重要管线的影响，车站围护结构采用刚度大、变形小、工艺成熟、抗渗止水效果好的地下连续墙方案。

由详勘地质钻孔揭示，基坑26-53轴范围岩面较高，中等风化及微风化岩自稳性较好，为降低工程造价，该范围内连续墙采用吊脚墙，减少连续墙入岩深度，便于施工。综合建筑场地空间限制和相关文献研究[4]，岩肩宽度取值1.5 m。考虑到车站抗浮要求，在车站地下三层中板位置施作“抗浮墙趾+压顶梁”，车站主体结构回筑阶段，岩肩范围回填C15素混凝土作为抗浮压重，考虑耐久性要求，地下连续墙采用C35、P6水下混凝土，吊脚地下连续墙嵌入岩肩范围以下1.5 m，上部基坑深度约22.5 m，基坑采用“800 mm厚连续墙+内支撑体系”，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，支撑于冠梁上，第二-第四道支撑采用φ600×14钢管支撑，支撑于2I45a钢围檩上，第五道支撑采用锚索，锚固于800 mm×800 mm的钢筋混凝土围檩（压顶梁）上，锚索采用1×7束φs15.2标准钢绞线，锚固体直径为150 mm，锚索的锚固体强度不小于25 MPa。

下部岩石基坑深度约7.5 m，主要为微风化砾岩，砾状结构，层状构造，裂隙稍发育，岩体完整性指数Kv为0.640，为较完整-完整岩体；微风化泥质粉砂岩，砂状结构，层状构造，裂隙稍发育，岩体完整性指数Kv为0.936，为完整岩体。场地无放坡条件采用直壁开挖，岩石基坑的稳定性与岩体结构面发育情况及产状有关，为保障岩体的稳定性，采用“锚杆+混凝土面层”锚喷体系。锚杆采用HRB400钢筋，主要起箍束骨架、承担主要荷载、应力传递和扩散、对土体加固的作用。面层可增强整个锚喷体系的整体性及防水作用。面层采用100 mm厚C20素砼，锚杆MG1采用3E28，锚杆MG2和MG3采用2E28，采用梅花形布置@2000 mm×2000 mm，锚杆长度5～8m，锚杆入射角15o，结构面倾角60o。

车站施工将可能对周边环境将产生一定的不利影响。本站基坑侧壁安全等级为一级，变形控制保护等级为一级，变形控制标准：地面最大沉降量≤0.15%H；围护结构最大水平位移≤0.25%H，且≤30 mm。连续墙接头均采用I型钢接头。基坑支护剖面见图2。

图2 基坑支护剖面图 （单位：mm）

车站主体结构采用明挖顺作法施工，主要施工步骤如下：施工围挡，场地平整——施工地下连续墙、中立柱——开挖至第一道砼支撑中心以下0.8 m，架设第一道砼支撑——待第一道砼支撑达到设计强度后，继续开挖至第二道钢支撑中心以下0.8 m，架设第二道支撑——依次向下开挖，随挖随撑，架设第三、四道支撑、第五道锚索——继续向下开挖，挂网喷射100 mm厚C20素砼支护，锚杆加固，直至开挖至基坑底——施工垫层、防水层、底板和部分地下四层内衬墙——继续向上施工，浇筑侧墙、负三层中板、墙趾和压顶梁，待中板达到设计强度后，拆除第四道支撑——依次向上施工，浇筑侧墙、各层中板及顶板——待顶板达到设计强度后，拆除第一道砼支撑和冠梁，施工顶板防水层、保护层，回填土，恢复路面。

4 基坑支护计算

基坑上部为土层，下部为基岩，两种介质差异性较大，很难用一种计算模型解决。本次计算，上部基坑采用理正深基坑7.0软件，满足《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）的要求，按“增量法”计算，计算荷载包括地面超载和水土压力等。采用弹性法土压力模型，基坑外侧土压力按主动土压力计算，砂性土按照水土分算，黏性土按照水土合算。以标准段4-4段面为例，计算模型如图3所示，计算结果如图4和图5所示。

图3 支护结构计算模型（单位：m）

图4 计算结果

图5 地表沉降图

经计算，围护桩最大水平位移10.39 mm，地表最大沉降值为16 mm，整体稳定安全系数Ks= 3.669 >1.35，均能够满足规范要求。

下部岩质基坑采用理正岩土计算软件，采用极限平衡法进行简单平面滑动稳定分析，计算荷载取上部基坑覆土自重q=450 kPa，地面超载取q=20 kPa，合计470 kPa。计算模型见图6。

图6 边坡计算模型

计算结果显示：总下滑力为723.2 kN，总抗滑力为3893.4 kN，安全系数为5.384，岩质基坑稳定性满足要求。

5 施工监测与结果分析

基坑监测是基坑工程施工中的重要环节，实际施工过程中与设计模拟的工作状态存在一定的差异，需要在基坑开挖过程中，通过监测掌握围岩、支护结构、地表及周边建筑物的动态，及时预测和反馈，根据监测成果调整设计，指导施工。

吊脚墙的墙体未嵌入基坑底，墙脚位移过大会造成整个基坑失稳，因此墙脚的预应力锚索显得尤为重要。刘红军[3]认为墙脚锚杆锚固力能够弥补岩层桩体嵌固深度太小造成的嵌固力不足的问题，本文通过改变锚索预应力值大小研究墙脚位移与预应力的关系如图7所示，发现墙锁脚锚索对墙脚水平位移的约束起明显控制作用，锚索预应力越大，墙脚位移越小，锚索预应力值不应过小也不宜太大，应以满足工程实际需要为确定原则，本次设计锚索预应力取值300 kN，墙脚位移控制在2 mm。

图7 墙脚位移与锚索预应力关系图

吊脚墙墙顶水平位移如图8所示，S1和S2两处观测点连续墙顶水平位移最大值分别为8 mm和7 mm，均小于30 mm，满足规范要求。随着基坑开挖，坑内土体卸荷作用下，连续墙顶向内平移，随着基坑开挖深度增加，水平位移增大，由于基坑内随着基坑开挖过程中架设支撑和锚索，能有效抵抗基坑外水土压力，连续墙顶水平位移趋于稳定。

图8 墙顶水平位移变化图

观测点C1吊脚墙墙体变形图如图9所示，连续墙最大变形在墙体中部12 m位置处，墙体变形18 mm，小于控制值30 mm。随着基坑开挖，墙体两侧土压平衡破坏，墙体向坑内变形，墙体最大变形点随着基坑开挖由墙体上半部分向墙体中部移动，最终变形呈现为“两头小、中间大” 状态。

图9 墙体变形变化图

采用有限元模拟将吊脚墙嵌入基坑底以下1.5 m，吊脚墙方案与一般连续墙方案的最终基坑变形和坑外地表沉降如图10和图11所示，吊脚墙和一般连续墙最大墙体变形分别为10.39 mm和8.84 mm，吊脚墙的支护体系基坑变形比常规基坑大15%左右。随着基坑开挖，坑外土体最大沉降加大，基坑开挖完成后达到最大沉降，吊脚墙和一般连续墙坑外最大地表沉降分别为16 mm和15 mm，均能满足规范要求。沉降大部分发生在距离基坑0～20 m范围，超过一定距离，沉降基本忽略不计。

图10 两种方案的基坑变形图

图11 两种方案的坑外地表沉降图

6 结论

以广州地铁21号线员村站基坑工程为例，介绍了适用于土岩二元结构地层的基坑支护体系——上段采用“吊脚地下连续墙+内撑（锚索）”、下段采用岩质边坡锚喷体系，通过设计计算、数值模拟并综合基坑监测数据分析，得出以下结论：

（1）基坑监测数据显示，基坑支护结构水平变形随深度呈现镰刀型分布，最大变形点位于基坑中部，最大水平位移值满足规范要求，表明下部岩层对基坑变形有明显的约束作用，同时也表明对于此类土岩二元结构地层，上段采用“吊脚地下连续墙+内撑（锚索）”的墙撑（锚）体系，下段采用岩质边坡锚喷体系是适用的。

（2）吊脚墙锁脚预应力锚索对墙脚约束作用明显，能有效地弥补岩肩宽度不足的问题，可以有效控制墙脚水平位移。

（3）通过有限元数值模拟，将吊脚墙支护体系与常规全嵌固支护体系进行对比，发现二者地表沉降也相差不大，吊脚墙的支护体系基坑水平变形比常规支护大15%左右，但其位移控制水平满足规范要求，且能有效节省工期和投资，经济效益明显。