樁錨式支護體系在地鐵超寬深基坑中的應用

張 伯 夷, 李 東 福, 楊 泳 森

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610081)

1 工程概述

成都軌道交通4號線光華公園站為地下雙層11 m島式站臺車站,車站總長481.8 m，標準段寬度為19.9 m，頂板覆土厚度約為2.4～3.6 m，底板埋深約15.7～17 m，地下水資源豐富，地面以下3～40 m均為砂卵石層。基坑北側采用φ1 200@2 500 mm圍護樁，南側臨近建筑物段采用φ1 200@2 000 mm圍護樁，車站端頭盾構洞門處采用φ1 500@1 600 mm玻璃纖維筋圍護樁。樁頂設冠梁，樁間采用網噴混凝土做為樁間擋土措施，混凝土面層厚150 mm，鋼筋網采用φ8@200 mm×200 mm。在車站樁號YDK21+609.75～YDK21+862.25段，由于需與位于其南側的地下商場進行共坑開挖，需在基坑北側設置樁+錨索的方式進行支護，共設4道錨索,樁與主體結構之間的間隙采用C20素混凝土回填(圖1)。

2 支護體系設計

2.1 基坑保護等級及變形控制標準

光華公園站基坑全長481.8 m，標準段寬度為19.9 m，最大深度17 m，車站西北側為涌泉廣場，東北側為在建的珠江新城國際商業，西南側為市政綠地，規劃為市政公園地下空間開發，市政公園基坑深度約15.3 m，根據基坑規模與周邊環境條件，基坑變形控制保護等級為一級，基坑側壁重要性系數γ=1.1，支護結構的最大水平位移≤0.1%H且≤30 mm，周邊地面最大沉降量≤0.1%H(17 mm)。

2.2 支護參數的計算

明挖支護型式為多支點樁結構，采用理正深基坑輔助設計軟件F—SPW V7.0模擬基坑開挖和回筑全過程，按增量法原理計算與驗算(表1、2)。

表1 支錨信息表

表2 工況信息表

計算結果見圖2(以最大開挖深度工況9為例)：

施工期間，樁錨支護段樁體的最大水平位移為6.97 mm，樁的最大彎矩為507.69 kN·m(設計值為1 145.15 kN·m)；錨索最大拉拔力為653 kN(第2層錨索)。

2.3 錨索的受力計算

錨索的計算主要包括錨索錨固力和鋼絞線承載力的計算。錨索錨固力的計算主要是進行錨固體與其周圍土體摩阻力的計算，用以確定錨固體的直徑和錨固段長度。根據成都地區的施工經驗，如按規范的公式計算，錨索的錨固段一般較長，普遍偏于保守。另外，該工程錨索采用高壓二次灌漿工藝。通常，采用該工藝后錨固體的拉拔力提高很多，因此，該工程錨索錨固體的長度主要是以工程類比為主，計算為輔。首先，根據經驗確定一個值，然后主要通過在相同地層做錨索拉拔力試驗進行調整(拉拔力試驗規范要求抗拔試驗錨索根數在同一土層中不少于3根)。

試驗荷載：

(1)抗拔試驗時最大的試驗荷載不宜超過錨索索體極限承載力的0.8倍，用以確定錨固體與巖土層的粘接強度特征值、錨索設計參數和施工工藝及錨索的極限抗拉承載力。

(2)根據《預應力混凝土用鋼絞線》GB/T 5224-2003規定，1×7標準型，公稱直徑15.2 mm，其標準強度為1 860 MPa的鋼絞線單根的最大力(Fm/kN)不小于260 kN，3根鋼絞線的錨索理論最大力不小于780 kN，4根鋼絞線的錨索理論最大力不小于1 040 kN。

(3)本次抗拉拔試驗荷載經計算得知：3根鋼絞線的錨索最大值為780 kN×0.8=624 kN，即最大試驗荷載不超過624 kN；4根鋼絞線的錨索最大值為1 040 kN×0.8=832 kN，即最大試驗荷載不超過832 kN。

2.4 樁錨式支護體系整體穩定性驗算

為保證基坑安全，在施工前還需對圍護結構進行整體穩定性驗算，計算的方法采用瑞典條分法。選取最典型的工況9為例，其抗傾覆安全系數Ks為:

式中Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩, 對于內支撐支點力則由內支撐抗壓力決定;對于錨桿或錨索，支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值；Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

經計算：

Ks= 2.324 ≥1.25, 滿足規范要求。

3 樁錨式支護體系的主要施工方法

該工程的圍護樁采用旋挖灌注樁。鑒于該類樁施工技術成熟且普遍，筆者在文中不做介紹，主要介紹錨索的相關施工工藝。

圖2 圍護結構內力位移包絡圖

3.1 錨索施工工藝流程

掛網噴射樁間混凝土→測量定位錨索位置→鉆機定位→鉆進下錨→拔套管→沖孔→灌漿→施工腰梁、預埋錨具→張拉→鎖定錨桿。

3.2 施工質量控制要點

(1)錨索孔水平及垂直方向的孔距誤差不得大于100 mm，鉆頭直徑不得小于設計鉆孔孔徑3 mm。鉆機嚴格按照設計孔位、傾角和方位準確就位，采用測角量具控制角度，鉆機導軌傾角的誤差不超過±1°，方位誤差不超過±2°。

(2)錨索體長度嚴格按照設計要求制作，錨固段長度的制作允許誤差為±50 mm，自由段長度除滿足設計要求外，為充分考慮張拉設備和施工工藝要求，一般預留超長1.2 m。

(3)針對砂卵石地層錨索施工易塌孔的特點，錨索注漿采取邊注漿、邊拔管的方式分3次拔管。錨索安裝完成立即注漿，第一次注漿8 m，拔管6 m；第二次注漿6 m，拔管6 m；第三次完成自由段注漿，拔出孔內的剩余套管。

(3)當錨固體與腰梁混凝土強度達到設計強度的75%時方能進行錨索張拉鎖定作業。

(4)錨索正式張拉前，取0.1～0.2倍的軸向拉力設計值對錨索預張拉1～2次，使錨索完全平直并與各部位接觸緊密，產生初剪。錨索張拉至1.05～1.1倍軸向拉力設計值并保持15 min，然后卸荷至零，再重新張拉至鎖定荷載進行鎖定，鎖定荷載為0.75～0.9倍的軸向拉力設計值。預應力張拉分級加載，張拉分級加載依0.1～0.2、0.5、0.75、1、1.05～1.1倍的錨索軸向拉力設計值進行，每級持續5 min，分級記錄預應力伸長值。

4 監控量測與成果分析

為了確保樁錨式支護體系在車站主體結構施工期間周圍環境及圍護結構自身的施工安全，在施工過程中需進行測點的設置、日常量測工作和數據處理、信息反饋工作，進行信息化施工以確保工程施工的安全。通過監控量測達到以下目的：

(1)將監測數據與預測值相比較，判斷前一步施工工藝和支護參數是否符合預期要求，以確定和調整下一步施工，確保施工安全。

(2)將現場監測到的數據、信息及時反饋以便及時修改和完善設計，使設計方案達到優質安全、經濟合理。

(3)將現場測量到的數據與理論預測值比較，用反分析法進行分析計算，使設計更符合實際用以指導今后的工程建設。

(4)監視圍護結構的應力和變形情況，驗證圍護結構的設計效果，保證圍護結構的穩定、地表建筑和地下管線的安全。

(5)監測成果分析。

①樁頂水平位移。樁頂水平位移的時間變化規律(選取裝錨段N2測點)：坑內土方未開挖時(表2，工況1)為0。隨著土方開挖直至第一道錨索張拉前(表2，工況2)，逐漸增大至C1；第一道錨索端頭錨固后逐漸減小，隨著土方開挖直至第二道錨索張拉前(表2，工況4)又逐漸增大至C2；第二道錨索端頭錨固后逐漸減小，隨著土方開挖直至第三道錨索張拉前(表2，工況6)又逐漸增大至C3，第三道錨索端頭錨固后逐漸減小；開挖至第四道錨索時(表2，工況8)又逐漸增大，在第4道錨索錨固和底板施工后又逐漸減小至C4；之后漸趨穩定。其中C1>C3>C4>C2(圖3)。

圖3 N2點水平位移時間曲線圖

樁頂水平位移的實測最大值為16 mm，小于計算最大值和報警值。通過觀察樁頂水平位移變化規律，證明樁錨式支護體系的設置對控制基坑圍護結構的變形切實有效。

②地表沉降。因其距城市主干路較近，故在基坑北側設置了5個地表沉降觀測點，其距基坑邊緣的距離分別為2.3 m、8.4 m、16.8 m、25.2 m、33.6 m；因市政公園基坑較寬，南側道路受基坑開挖影響較小，故在基坑南側未設觀測點。

根據觀測結果，基坑北側5個觀測點的地表沉降分別為1.2 mm、11.1 mm、16.5 mm、10.5

mm、0.8 mm，表明基坑周邊地表沉降隨著離開基坑邊緣距離的增大，先是逐漸增大，在離開基坑邊緣距離大約為1倍基坑挖深時達到最大，其后又逐漸減小，符合基坑開挖影響規律(圖4)。

圖4 周邊地表沉降(坑邊距離曲線)圖

5 結 語

成都軌道交通4號線光華公園站采用的鉆孔灌注樁+4層錨索的支護體系為共同開發的地下商場提供了施工條件，并通過前期計算和實踐證明樁錨式支護體系在成都地區的地層條件下是可行的，其取得的經驗可為后續類似工程提供參考。