上軟下硬花崗巖地層基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方法研究

陳 燾 黃永杰

(1.中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310000; 2.中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司,福建 福州 350000)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化的加速，原先只有一線城市才擁有的地鐵，正逐漸向二線城市乃至部分三線城市普及。當(dāng)?shù)罔F車站施工時(shí)避免不了深大基坑的開挖，本文結(jié)合廈門地鐵某明挖車站深基坑工程為例，闡述了在鬧市區(qū)內(nèi)，復(fù)雜周邊環(huán)境下上軟下硬[1-3]花崗巖地層中，上部土質(zhì)基坑釆用鉆孔樁+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，下部巖質(zhì)基坑采用錨噴支護(hù)+減振孔的支護(hù)體系。經(jīng)實(shí)踐證明，吊腳樁[4-6]+內(nèi)支撐+噴錨支護(hù)結(jié)合減振孔的設(shè)計(jì)是一種適用于上軟下硬花崗巖地層，對(duì)周邊沉降及擾民影響較小，較為經(jīng)濟(jì)合理的一種新型基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

廈門市某地鐵車站為地下2層局部3層車站，站位位于鬧市區(qū)內(nèi)，周邊以特殊用地、商業(yè)用地、醫(yī)療衛(wèi)生用地等為主，少量廈門市歷史風(fēng)貌保護(hù)區(qū)，城中村用地及部分交通設(shè)施用地。特殊用地主要為廈門水警軍區(qū)及海軍醫(yī)院，地塊敏感，拆遷及設(shè)置地面附屬的難度較大。商業(yè)用地主要為中華城購物廣場(chǎng)、泰谷酒店及海景千禧酒店，醫(yī)療衛(wèi)生用地主要為海軍醫(yī)院及廈門市婦幼保健醫(yī)院，人流車流量較大。其他像廈門市青少年宮，車站南側(cè)的鴻山小區(qū)，廈門市第一醫(yī)院，雙十中學(xué)等，均會(huì)帶來大量人流車流。車站施工范圍及周邊地下管網(wǎng)繁雜，鎮(zhèn)海路路中有一DN1 800控制性排水管，管底距地面約3 m～5 m，路兩旁地下分別埋設(shè)有排水管、給水管、煤氣管、電力管及通信管。

1.2 地質(zhì)條件

擬建車站臨近海邊，地下水水位高，與海水存在水力聯(lián)系，基坑開挖直接涉及到的土層為①-2素填土、⑩-1砂質(zhì)粘土、-2殘積礫質(zhì)粘性土、-1全風(fēng)化花崗巖、-2散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、-3碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、-4中風(fēng)化花崗巖、-5微風(fēng)化花崗巖。土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地質(zhì)參數(shù)

2 設(shè)計(jì)工況研究分析

設(shè)計(jì)工況指基坑工程在分層開挖施工過程中在上一層支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完畢，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開挖至下一層設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀況。基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)計(jì)工況分別進(jìn)行計(jì)算，并取其最大值作為設(shè)計(jì)參數(shù)。

根據(jù)場(chǎng)地的地質(zhì)條件、基坑的開挖深度以及周邊環(huán)境情況，本站圍護(hù)結(jié)構(gòu)在上部土層基坑范圍內(nèi)采用φ1 000@1 200鉆(沖)孔灌注樁+φ800@1 200二重管止水帷幕，豎向設(shè)置1道～4道內(nèi)支撐+鎖腳錨索；下部巖層基坑范圍內(nèi)采用噴錨+減振孔。本文選取該車站某一典型斷面進(jìn)行研究分析，將該類上軟下硬花崗巖地層的基坑支護(hù)形式分為土層開挖和巖層爆破兩大設(shè)計(jì)階段，如圖1所示。

2.1 土層開挖設(shè)計(jì)階段

當(dāng)基坑從地面開挖至鎖腳錨索位置時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)仍以排樁模型發(fā)揮功能，此時(shí)樁基在巖石中的嵌固深度對(duì)基坑受力及變形有著很大影響。然而從勘察報(bào)告可得出中、微風(fēng)化巖具有極高的巖石飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度，若嵌固深度過大，對(duì)鉆孔樁的施工難度、工期都有著很大的影響，設(shè)計(jì)中通過對(duì)不同嵌固深度的計(jì)算比較，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)，在滿足安全、經(jīng)濟(jì)及工期的情況下，保證鉆孔樁須進(jìn)入中風(fēng)化巖2.5 m，微風(fēng)化巖1.5 m。

當(dāng)基坑從鎖腳錨索位置至樁底標(biāo)高位置，坑內(nèi)側(cè)土體挖除，被動(dòng)土壓力消失，形成“吊腳樁”模型。設(shè)計(jì)采用內(nèi)支撐抵擋基坑外的主動(dòng)土壓力，考慮到樁底部無被動(dòng)土壓力，采用鎖腳錨索代替被動(dòng)土壓力防止樁底“踢腳”。

“吊腳樁”結(jié)構(gòu)的受力變形分析采用彈性地基法，土體計(jì)算參數(shù)如表1所示。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形計(jì)算結(jié)果如圖2所示：最大水平位移7.35 mm，最大變形深度位于吊腳樁底部；最大樁身計(jì)算彎矩146.52 kN·m。

從圖2可以看出，吊腳樁在整個(gè)基坑開挖過程中的變形情況不同于普通的嵌固樁，呈現(xiàn)上小下大的趨勢(shì)，樁底有著較大的位移，故鎖腳錨索在本階段以及下階段的基坑開挖中發(fā)揮的作用極為重要。

2.2 巖層爆破設(shè)計(jì)階段

基坑鎖腳錨索以下部分地質(zhì)主要為中、微風(fēng)化花崗巖，由于南側(cè)海軍宿舍樓距離基坑僅2.9 m，北側(cè)千禧海景大酒店距離基坑僅2.3 m的影響，開挖受到此類復(fù)雜周邊環(huán)境的影響，再加上本站基巖面較高，車站右線局部地面2 m以下即是基巖，給本就局限的施工場(chǎng)地又帶來了種種復(fù)雜施工問題。因此本階段只能采用垂直開挖的方式。

垂直開挖的難點(diǎn)在于保證吊腳樁下巖體的完整性，結(jié)合勘察報(bào)告中對(duì)巖體完整性的分析，該階段采用錨桿+鋼筋混凝土面層支護(hù)，加強(qiáng)了巖體的整體穩(wěn)定性，保證了吊腳樁的豎向受力。

同時(shí)為了確保基坑爆破能在盡可能減小周邊居民、行人及醫(yī)院病人影響的條件下順利進(jìn)行，本站在巖層爆破設(shè)計(jì)階段采用了減震孔減少基巖爆破振動(dòng)波的設(shè)計(jì)方案。

減振孔減振原理就是利用減振孔形成空孔隔離帶，在爆破時(shí)對(duì)爆破振動(dòng)能量的大量吸收及消耗，使隔離帶后面的區(qū)域受到的振動(dòng)大大減小，將爆破振速值控制在規(guī)范要求范圍以內(nèi)，在爆破時(shí)減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，從而確保了爆破安全。

為確保設(shè)計(jì)方案的合理性，基坑爆破開挖前對(duì)設(shè)置減振孔降低振動(dòng)對(duì)周邊影響的方案進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(如圖3，圖4所示)。通過對(duì)爆破振動(dòng)速度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)設(shè)置一排減振孔時(shí)，減振率在8.78%～30.08%，其平均值為19.92%；兩排減振孔的減振率為16.71%～51.97%,平均減振率為38.28%；而三排減振孔的減振效果最好，減振率可以達(dá)到41.32%～69.23%,平均減振率為56.83%，即三排減振孔可以降振一半以上。

3 結(jié)語

通過對(duì)復(fù)雜周邊環(huán)境下上軟下硬花崗巖地層的工程實(shí)例分析，得到以下結(jié)論：

1)上部土質(zhì)基坑釆用鉆孔樁+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，下部巖質(zhì)基坑采用錨噴支護(hù)+減振孔的支護(hù)體系，對(duì)周邊沉降及擾民影響較小，是一種應(yīng)對(duì)該地層較為經(jīng)濟(jì)合理的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式。

2)上覆土層設(shè)計(jì)階段時(shí)，由于中、微風(fēng)化花崗巖的強(qiáng)度較高，鉆孔樁在施工時(shí)存在極大的困難，樁基的嵌固深度不宜過大，進(jìn)入中風(fēng)化巖2.5 m，微風(fēng)化巖1.5 m即可。

3)在土層開挖結(jié)束，由于嵌固樁底的被動(dòng)土壓力消失，形成“吊腳樁”模型。此時(shí)樁體呈現(xiàn)上小下大的趨勢(shì)，樁底有著最大的位移，故鎖腳錨索在巖層爆破階段對(duì)圍護(hù)樁的受力發(fā)揮著極為重要的作用。

4)下埋巖層設(shè)計(jì)階段時(shí)，須考慮爆破對(duì)基坑側(cè)壁巖體、周邊建構(gòu)筑物及管線的影響。噴錨支護(hù)能很好加強(qiáng)基坑側(cè)壁的巖石強(qiáng)度，同時(shí)三排減振孔設(shè)置可以達(dá)到降振一半以上效果，降低巖層爆破施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。

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