0 引言
当基坑深度范围上土下岩时,本文称为“二元基坑”。 在二元基坑支护结构设计中,当采用吊脚墙(桩)方案时,依据实际设计和规范要求,一般需设置岩肩和预应力锁脚锚索进行锁脚。
目前,传统带岩肩吊脚墙(桩) 基坑变形规律
已较为清晰。 武军等通过二维数值计算,分析
基坑开挖过程中传统吊脚桩支护结构内力与变形
的发展过程。 刘江通过有限元计算和现场监测
结果分析吊脚桩的受力与变形。 蔡景萍通过建
立数据库,研究了土岩组合地层传统吊脚墙地铁深
基坑地表变形规律。 部分学者开展了岩肩参数对
基坑变形的影响。 杨俊辉研究了围护桩嵌岩深
度、预留岩肩宽度、桩脚锚索预加力对基坑变形的
影响。 刘明珠则系统的分析了传统带岩肩吊脚
墙受力与变形。 传统带岩肩吊脚墙设计理论方面,
马康等通过理论推导探讨了几种临界深度支护
桩下能保证岩体稳定性的适宜嵌岩深度的精确算
法。 陈诚等还研究了同时拥有预留岩肩以及锁
脚锚索时设计理论与计算方法。
然而,尽管设置岩肩和锁脚锚索能增加支护体
系的超静定次数,对围护结构末端有嵌固作用,但
由于吊脚墙(桩)本身为超静定结构,安全系数较
高,岩肩对体系安全性没有实质影响。 多道支
撑(锚索)吊脚墙(桩)支护体系,可当作多支点梁
进行考虑。 当不设岩肩和锁脚锚索时,2 道支撑时
为静定结构,多道支撑时为超静定结构,受力稳定,
通过结构合理设计,可确保支护体系安全。 也有学
者提出从无岩肩到有岩肩的过渡性措施,例如,张
群仲在吊脚桩施工过程中,采用两侧边留一定
长度岩石台背,中间基坑落底后逐步剥离台背的方
法,依然保留了岩肩的作用。
现有的关于二元基坑支护设计的文献与工程
实践中,均不见施工全程无岩肩与预应力锚索锁脚
加固的新型吊脚墙(桩)支护结构,其实际支护效
果、变形特征等不得而知。 本文依托广州地铁 10
号线与 12 号线典型工点工程实践,分别介绍了无
岩肩吊脚桩、无岩肩长短吊脚桩、无岩肩吊脚墙的
设计方案,在此基础上,采用三维数值模型研究了
3 种支护形式的开挖变形特征,考察该无岩肩与预
应力锚索新型吊脚墙(桩) 基坑开挖稳定性控制
效果。
1 二元基坑新型吊脚墙(桩)支护结构形式
二元基坑的支护形式通常有传统桩锚(撑)支护结构形式、吊脚墙(桩)锚(撑)+裸露岩体支护结构形式、吊脚墙(桩)锚(撑)+锚喷支护结构形式以及吊脚墙(桩)锚(撑) +钢管桩+锚喷支护结构形式等多种。 其中,吊脚墙(桩) 支护结构是指用于抵抗基坑侧面土体变形的围护结构只嵌固在稳定的岩层中,无需深入基坑开挖底面以下的一种支护结构,在二元基坑工程中得到广泛的应用。
传统二元基坑吊脚墙(桩) 结构,围护墙底部
需嵌固于稳定岩层中,采用预留岩肩的形式约束墙
底侧向变形,如图 1(a)所示。 同时,需要采用锁脚
锚索确保岩肩的稳定。 对于裸露岩壁段较为破碎
的情况,还需喷射混凝土面层,并采用砂浆锚杆进
行护壁。 然而,传统吊脚墙(桩) 技术会带来基坑
挖方量大、施工占地面积大、基岩开挖困难、锁脚锚
索影响后期地下结构施工等问题。 而实际从结构
体系上看,由于多道支锚的作用,吊脚墙(桩)本身
为超静定结构,结构体系安全稳定。 在岩壁段岩石
强度较高、岩体结构完整、结构设计合理、施工质量
合格的条件下,岩壁段具备良好的自稳效果。 因
此,考虑取消预留岩肩与锁脚锚索,充分利用下部
岩层良好的自稳能力。 考虑主体结构中板的竖向
标高,通过调整水平支撑位置,实现基坑开挖阶段
采用最下道支撑锁脚,回筑阶段采用主体结构中板
锁脚,达到基坑施工与主体结构施作全过程稳定。
最后一道支撑、主体结构中板和吊脚墙(桩) 共同
组成了稳定的围护结构,称之为新型吊脚墙(桩)
支护体系,如图 1(b)所示。
与传统吊脚墙( 桩) 技术相比,该新型吊脚墙(桩)技术具有如下优势:①减少施工场地占用、土方开挖和对周边环境的影响,工序简单;②消除了预应力锚索锁脚对于后期地下空间开发的障碍;③便于根据现场支护成槽(孔)揭露地质情况进行动态设计,直接由落底墙(桩)转化为吊脚墙(桩)。在此基础上,引申出几种支护形式:新型吊脚桩支护形式、新型吊脚长短桩支护形式和新型吊脚墙支护形式。 下文通过 3 个实际深基坑工程案例,详细阐述 3 种新支护结构形式的设计施工方案与这 3种新型支护形式的应用情况。
图 1 二元基坑新型吊脚墙(桩)支护结构
2 广州地铁 10 号线广州大道中站竖井
2. 1 工程概况与地质条件
广州大道中站为广州市轨道交通 10 号线工程(石牌桥—西塱)第 2 座车站,为地下 3 层 14 m岛式站台车站。 车站风道竖井位于广州大道中东侧绿化带内,断面形状呈矩形,净空尺寸 9. 2 m×17. 2 m,基坑深 35. 280 m。
场地内地层由浅至深分别为人工填土层、冲洪积相砂、粉质黏土层、残积层、岩石全风化带、强风化带、中风化带和微风化带共 8 大层,其基本参数见表 1。
表 1 广州大道中站地层物理力学参数
2. 2 围护结构设计
2. 2. 1 围护结构方案
围护结构中, 上部土层采用 ϕ1 200 mm @1 400 mm 钻孔灌注桩+内支撑支护体系,下部岩层采用喷锚支护,钻孔灌注桩底部未采用岩肩和预应力锚索锁脚,如图 2 所示。
图 2 广州大道中站竖井支护结构布置
2. 2. 2 设计要点
(1)广州大道中站暗挖竖井处地质变化较大,吊脚桩底按统一标高设计,吊脚桩底进入中风化砾岩不少于 1. 8 m,岩面最高的部分,吊脚桩底进入微风化泥质粉砂岩达 8 m。
(2)吊脚桩不外扩,桩底不留岩肩嵌固。
(3)不设锁脚锚索,最下一道支撑底与吊脚桩底竖向距离为 1. 82 m。 由于最下一道支撑上部无须回筑主体结构,除第一道支撑需拆除外,其余各道支撑无须拆除。
(4) 基坑竖向设置 5 道钢筋混凝土环框梁+支撑。
(5)岩壁段高度为 13. 55 m,均处于微风化岩层。
(6)岩壁喷锚支护:采用 ϕ25 砂浆锚杆间距 1.5 m×1. 4 m(竖向×环向),L = 3. 0 / 1. 5 m。
(7 ) 岩 壁 段 护 面 整 平 措 施: 锚 喷 段 采 用150 mm 厚 C25 喷射混凝土, 单层钢筋网 ϕ8 @200 mm×200 mm。
(8)岩壁段基坑开挖措施:竖井开挖进尺按不大于 1 500 mm 作为一个循环,基坑开挖时,应使用机械、静力爆破方式开挖,严禁破坏桩底岩层,确保岩壁完整不超挖。
2. 3 现场基坑开挖情况
竖井自 2020 年 6 月开始施工围护桩,至 2022年 8 月两端矿山法隧道贯通。 期间,对明挖基坑冠梁顶部水平位移、基坑周边地表沉降、围护结构墙体测斜、周边土体测斜、基坑周边水位、基坑支撑轴力等进行了详细监测。 施工监测、第三方监测结果表明:各项监测指标均未出现过安全预警。
3 广州地铁 10 号线署前路站—东湖站区间竖井
3. 1 工程概况与地质条件
本竖井位于均益路旁公共绿地内,北侧临近庙前西街,南侧临近东华东路,西侧临近内环路,东侧临近均益路,采用明暗挖结合法施工。 竖井呈南北方向布置,为地下 6 层结构,主体结构长 27. 40 m,宽 17. 20 m,埋深 39. 538 m。
根据场区揭露地层的地质时代、成因类型、岩性特征、风化程度等工程特性,将场地内岩土层分为填土层、海陆交互砂土层、冲积 洪积土层、残积层、岩石全风化带、岩石强风化带、岩石中风化带、岩石微风化带共 8 层,其基本参数如表 2 所示。
表 2 署东区间竖井地层物理力学参数
3. 2 围护结构设计
3. 2. 1 围护结构方案
围护 结 构 中, 上 部 土 层 采 用 ϕ800 mm @950 mm 围护桩+内支撑支护体系,下部岩层采用喷锚支护。 围护桩由 24. 5 m 长桩和 20. 0 m 短桩间隔组成,底部均未采用岩肩和预应力锚索锁脚。共设 4 道钢筋混凝土内支撑,各道支撑采用钢筋混凝土“米”字支撑,支撑间距一般为 3. 5 ~ 4. 5 m,围护结构尺寸及布置见表 3 和图 3。
表 3 署东区间竖井明基坑围护结构桩型
图 3 竖井支护结构布置
3. 2. 2 设计要点
(1)署东区间竖井处地质变化比较大,且中微风化岩层夹有薄层状强风化层,采用吊脚长短桩间隔布置。 吊脚长桩底按统一标高设计,保证桩底以下岩壁段全部是中风化和微风化岩层。 吊脚短桩底按照统一标高设计,进入第一次中风化岩面不少于 3. 5 m。 吊脚长桩比吊脚短桩长 4. 5 m。
(2)吊脚桩不外扩,桩底不留岩肩嵌固。
(3)不设锁脚锚索,最下一道支撑底与吊脚长桩底竖向距离为 4. 6 m,与吊脚短桩底竖向距离为0. 1 m。
(4) 吊脚桩范围竖向设置 4 道钢筋混凝土支撑。
(5)岩壁段大部处于微风化岩层,局部处于中风化岩层。
(6)岩壁喷锚支护:采用 ϕ25 砂浆锚杆,中风化岩层锚杆间距 1. 0×1. 0 m,长 5 m;微风化岩层锚杆间距 1. 5×1. 5 m,长 3 m。
(7 ) 岩 壁 段 护 面 整 平 措 施: 锚 喷 段 采 用150 mm 厚 C25 喷射混凝土,单层钢筋网 Φ10 间距150 mm×150 mm。
(8)岩壁段基坑开挖措施:竖井开挖进尺按不大于 1 500 mm 作为一个循环,基坑开挖时,应使用机械、静力爆破方式开挖,严禁破坏桩底岩层,确保岩壁完整不超挖。
3. 3 现场基坑开挖情况
署东区间竖井自 2021 年 6 月开始施工围护桩,至 2022 年 8 月主体结构已经回筑 3 层,第四、第三道支撑已经拆除。 期间,对明挖基坑冠梁顶部水平位移、基坑周边地表沉降、围护结构墙体测斜、周边土体测斜、基坑周边水位、基坑支撑轴力等进行详细监测。 施工监测、第三方监测结果表明:各项监测指标均未出现过安全预警。
4 广州地铁 12 号线岭南广场站—赤岗站区间竖井
4. 1 工程概况与地质条件
广州市轨道交通 12 号线岭南广场站—赤岗站区间基本呈西北至东南走向。 为满足总体工程筹划要求,在矿山法段末端设置竖井作为矿山法隧道的工作井兼盾构段的始发井。 该竖井位于赤岗北路与艺洲路交叉口,车流量大,交通繁忙,为城市次干道交汇处。 竖井为矩形明挖结构,净空尺寸为14. 4 m×19. 3 m,深约 38. 0 m。
本场地地貌属于海陆交互相冲积平原地貌,为珠江河网交错的平原区,属河漫滩地,地形平坦开阔,河网密集,表层分布较多软土。 勘察报告揭示的地层由上至下分别为:<1-1>杂填土、<2-1B>淤泥质土、<6>全风化碎屑岩、<7-1>粗砂岩及含砾粗砂岩强风化层、<8-1>粗砂岩及含砾粗砂岩中风化层、<9-1>粗砂岩及含砾粗砂岩微风化层岩,其基本参数如表 4 所示。
表 4 岭南广场站—赤岗站区间竖井地层物理力学参数
4. 2 围护结构设计
4. 2. 1 围护结构方案
围护结构采用 800 mm 厚新型吊脚地下连续墙+5 道内支撑支护形式,下部采用喷锚构筑法施工,吊脚墙底部未采用岩肩和预应力锚索锁脚,为本文提出的新型吊脚墙支护体系。 5 道支撑均采用混凝土支撑,如图 4 所示。
图 4 岭南广场站—赤岗站区间竖井支护结构布置
4. 2. 2 设计要点
(1)岭赤区间竖井地层平缓。 吊脚墙底按统一标高设计,保证吊脚墙底进入含砾粗砂岩微风化层不少于 1. 5 m。
(2)吊脚墙不外扩,墙底不留岩肩嵌固。
(3)不设锁脚锚索,最下一道支撑底与吊脚墙底竖向距离为 2. 34 m。 由于最下一道支撑上部无须回筑主体结构,除第一道支撑需拆除外,其余各道支撑无须拆除。
(4)吊脚墙范围竖向设置 5 道钢筋混凝土支撑。
(5)岩壁段均处于微风化岩层。
(6)岩壁喷锚支护:采用 ϕ22 砂浆锚杆间距1. 0 m×1. 0 m(竖向×环向),L = 3. 0 / 5. 0 m。
(7 ) 岩 壁 段 护 面 整 平 措 施: 锚 喷 段 采 用250 mm 厚 C25 喷射混凝土, 单层钢筋网 Φ8 @200 mm×200 mm。
(8)岩壁段基坑开挖措施:竖井开挖进尺按不大于 1 500 mm 作为一个循环,基坑开挖时,应使用机械、静力爆破方式开挖,严禁破坏桩底岩层,确保岩壁完整不超挖。
4. 3 现场基坑开挖情况
暗挖竖井自 2020 年 10 月开始施工,2021 年11 月基坑开挖完成,2022 年 8 月,竖井主体结构底板和侧墙完成。 期间,对明挖基坑顶部水平位移、基坑周边地表沉降、围护结构墙体测斜、周边土体测斜、基坑周边水位、基坑支撑轴力等进行详细监测。 施工监测、第三方监测结果表明:除周边地下水位出现下降预警外,其余均未出现过安全预警。地下水位为基坑开挖安全的参考性指标,可不作为预警指标。
5 新型吊脚墙(桩)支护效果数值计算
5. 1 数值计算模型
为进一步阐明本文所述新型吊脚墙(桩)支护结构支护效果与基坑变形特征,依托上述 3 个工
程,分别建立无岩肩吊脚桩、无岩肩吊脚长短桩、无
岩肩吊脚墙基坑三维模型,开展开挖全过程数值模
拟。 基坑尺寸与实际工程一致,根据圣维南原理,
为减小模型边界对基坑群开挖应力场的影响,令模
型边 界 与 基 坑 边 缘 的 距 离 大 于 3 倍 基 坑 尺
寸。 为更好地模拟吊脚桩与长短吊脚桩的受
力特征,模型中桩、内支撑系统(内支撑、冠梁和腰
梁)与锚杆分别使用 FLAC
3D 中提供的桩单元、梁
单元与锚杆单元进行模拟,赤岭区间竖井由于采用
吊脚墙内支撑体系,且腰梁尺寸较大,采用实体单
元进行模拟。 岩土体与盖板也采用实体单元进行
模拟,基坑围护结构的本构模型选用完全线弹性模
型,岩土体的本构模型采用摩尔 库伦弹塑性模
型(Mohr-Coulomb)。 最终建立的数值计算模型如
图 5,各模型支护体系如图 6。
需要注意的是,为准确反映基坑开挖卸载引起的基坑变形,在基坑开挖阶段,采用地层的回弹模量代替弹性模量。 毕港等[13]提出对于基坑工程而言,地层的回弹模量可以取为弹性模量的 5 倍,因此,本文数值模拟同样取地层回弹模型为弹性模量的 5 倍参与计算。
图 5 数值计算模型
图 6 支护体系示意图
地层参数主要依据各工点地勘资料,部分可参见各章工程地质条件,支护结构参数选取依据各工点设计文件,为控制篇幅,这里不再详细阐述。
模型基坑开挖前,先进行原始地应力平衡,计算至平衡后对模型位移清零,再进行基坑施工的模拟。 模型开挖顺序与实际施工一致,根据围护结构特点及支撑所在位置,分步进行施工,各工况如表5 所示。
表 5 数值模拟计算步骤
5. 2 支护结构水平位移变化规律
支护结构水平位移是地层和支护结构共同作
用的综合结果。 图 7 为 3 种新型吊脚墙(桩)支护
结构侧移曲线,其中图 7(a)、(b)、(c)分别为广州
大道中站竖井、署东区间竖井与岭赤区间竖井基坑
支护结构侧移曲线,各工点均选取变形最大断面提
取吊脚结构水平向变形值分析并与现场监测数据
进行对比分析可知,3 种吊脚结构的数值模拟结果
与监测数据对比良好,各支护结构变形模式相同,
其侧移均呈现中间大两端小的“涨肚” 型变形模
式,且随开挖深度的增大,最大侧移值不断增大,但
均小于一级基坑支护结构深层水平位移控制值。
支护结构变形主要发生在基坑土层段,下方岩层段
变形较小,且在开挖吊脚桩(墙)下方的岩层时,支
护结构侧向变形较小。 观察各工点支护结构水平
位移图看见,岩壁段开挖工况产生的支护结构水平
位移增量很小。 可见对上部支护段来说,下部岩壁
段开挖的影响可忽略。
5. 3 坑外地表沉降变化规律
同样,坑外地表沉降是地层和支护结构共同作
用的综合结果。 图 8 为坑外地表沉降曲线, 图
8(a)、(b)、(c)分别为广州大道中站竖井、署东区
间竖井与岭赤区间竖井典型位置坑外地表沉降曲
线。 可知,不同支护方式下坑外地表沉降均呈典型
“凹槽型”沉降曲线,沉降随开挖进行沉降逐渐增
大,且最大沉降值均小于一级基坑坑外地表沉降位
移控制值。 但各工点之间坑外地表沉降存在一定
差异。 观察图 8 可以发现,基坑开挖下部微风化岩
体时,对基坑变形影响甚微,地表沉降变化不明显,
说明了当采用吊脚桩(墙)时,若采用适当的岩壁
段支护方式,岩壁段岩层开挖时对的坑外地表变形
的影响可忽略不计。
图 7 支护结构侧移曲线
图 8 坑外地表沉降曲线
5. 4 围护结构弯矩
图 9 为围护结构弯矩沿深度分布曲线(正值
表示该侧受拉),图 10(a)、(b)、(c)分别为广州大
道中站竖井、署东区间竖井与岭赤区间竖井典型位
置围护结构弯矩沿深度分布曲线。 可以看到,围护
结构大部分为基坑内侧受拉,尤其是上部围护结
构,弯矩较大,说明土岩基坑中,上覆土体的侧向土
压力较大,导致围护结构发生向基坑内侧的变形。
下部岩体的变形较小。 但各工点围护结构弯矩存
在一定差异。 观察图 9 可以发现,基坑开挖下部微
风化岩体时,对基坑围护结构弯矩影响甚微,说明
了当采用吊脚桩(墙)时,若采用适当的岩壁段支护方式,岩壁段岩层开挖时对的围护结构的影响可 忽略不计。
图 9 围护结构弯矩沿深度分布曲线(正值表示该侧受拉)
5. 5 内支撑最大轴力
图 10 为内支撑轴 力 变 化 图,图 10 ( a) 、图
10( b) 、图 10( c)分别为广州大道中站竖井、署东
区间竖井与岭赤区间竖井的内支撑轴力变化图,
其中署东区间竖井内支撑轴力取内支撑轴力最
大一道。 总体上说,支撑轴力随基坑开挖不断增
大。 开挖完成后,最大轴力均出现在三、四道支
撑位置处。 观察图 10 可以发现,基坑开挖下部
微风化岩体时,对各道内支撑轴力影响较小,说
明了当采用吊脚桩(墙)时,若采用适当的岩壁段
支护方式,岩壁段岩层开挖时对的支护结构的影
响可忽略不计。
图 10 内支撑轴力变化图
5. 6 下部岩壁段变形
图 11 为下部岩壁段变形云图,图 11( a)、图11(b)、图 11( c) 分别为广州大道中站竖井、署东区间竖井与岭赤区间竖井基坑下部岩壁段变形云图。 总体上,岩壁段变形值均不足 1 mm,可忽略不计。 由于下部岩体完整,虽然各基坑基岩强度均较低,在开挖过程中均能保持稳定。 对其他更加坚硬的基岩,安全储备更大。
图 11 下部岩层变形云图
7 结论与建议
本文依托实际工程,详细介绍了 3 个分别采用无岩肩无锁脚锚索的吊脚桩、吊脚墙及长短吊脚桩进行支护的二元基坑工程设计方法与实施情况,采用三维数值模型研究了 3 种支护形式的开挖变形特征,并结合现场监测数据进行了分析,验证了采用无岩肩无预应力锁脚锚索的新型吊脚墙(桩)支护技术进行二元基坑支护的可靠性。 主要研究结论与建议如下:
(1)对于二元基坑,可根据地质条件设计无岩肩无锁脚锚索吊脚墙(桩),将吊脚墙(桩)底深入岩面一定安全距离,设置多道内支撑,实现基坑施工全过程中支撑与主体结构中板的联合嵌固作用,确保上部基坑支护的稳定性。
(2)无岩肩吊脚墙(桩)底岩壁段可视基岩的岩石强度、完整性灵活选择中风化、微风化岩层,同时结合注浆、锚喷支护等措施进行处理,在开挖过程中,使用机械、静力爆破方式开挖,严禁破坏桩底岩层,确保岩壁完整不超挖,能确保岩壁段的稳定性。
(3)在下卧岩层质量较好、上部支护结构设计合理、施工规范的前提下,无岩肩吊脚桩、无岩肩长短吊脚桩、无岩肩吊脚墙均能有效控制基坑变形,且下部岩壁段可以保持稳定。
(4)下部岩壁段开挖,对上部支护结构的内力影响甚微,对上部支护结构的变形、内力和地面沉降的影响甚微,均可忽略不计。
摘自《地下空间与工程学报》