一種多級支護(hù)體系在橋墩深基坑中的應(yīng)用

劉旭陽 馮曉臘， 熊宗海 張哲斐

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢 430074；2.武漢豐達(dá)地質(zhì)工程有限公司，湖北武漢 430074)

0 引言

隨著地下空間的逐步開發(fā)利用，基坑規(guī)模逐漸增大、基坑形狀也越來越不規(guī)則。在緊張的周邊環(huán)境條件下，施工過程中既要保證基坑的安全，還要為土方開挖創(chuàng)造有利條件，傳統(tǒng)的圍護(hù)體系往往不能滿足工程所需，人們開始把目光轉(zhuǎn)移到多級支護(hù)體系中，這是近年來提出的一種新型支護(hù)形式。目前，多級支護(hù)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于全國20余項大面積深基坑工程。在實踐中，可以根據(jù)實際情況在各級支護(hù)中選擇單排樁、地連墻、雙排樁、放坡、重力式擋土墻、反壓土等多種型式進(jìn)行合理靈活的組合[1-3]。例如開挖深度超過30 m的國家大劇院超深基坑，從上到下采用了“護(hù)坡樁+錨桿、地下連續(xù)墻+錨桿、地下連續(xù)墻”三級聯(lián)合支護(hù)體系[4-5]；鄰近既有線的鞍遼特大橋深基坑為不影響既有線路的正常使用，采用“圍護(hù)樁+旋噴樁+向剛性支撐組合”的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式擋土，構(gòu)成臨路三面防護(hù)，一面開口開挖的施工作業(yè)面[6]；地下空間布置錯落高低相連的上海虹橋綜合交通樞紐基坑中采用“二級放坡+雙軸水泥土攪拌樁+地下連續(xù)墻”的多級梯次聯(lián)合支護(hù)體系[7]；鄭 剛[8-10]認(rèn)為無支撐多級支護(hù)結(jié)構(gòu)在方案合理的情況下，次級支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效抑制主要支護(hù)結(jié)構(gòu)被動區(qū)塑性剪切帶的開展，各級支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同工作能力良好，整體穩(wěn)定性強(qiáng)，將“多級開挖+單排樁+無支撐支護(hù)相結(jié)合”的技術(shù)應(yīng)用在大面積復(fù)雜超深基坑中；處于深厚軟土地區(qū)的武漢中心工程超深坑中坑采用多級柔性支護(hù)體系[11-12]，有效縮短了地下工程工期等。從目前的應(yīng)用來看，多級支護(hù)體系取得了良好的社會效益。

本工程將多級支護(hù)體系的型式從深基坑支護(hù)中引入到橋墩基坑的圍堰工程中，針對水土空間分布不均條件，在武漢新河大橋橋墩深基坑工程中設(shè)計了“外圍雙排鋼板樁組成圍堰、中部高壓旋噴樁加固土體過渡、內(nèi)部鋼板樁結(jié)合三道鋼管支撐”的多級梯次聯(lián)合支護(hù)體系，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

武漢新河大橋段為武漢市漢口至陽邏江北快速路的重要組成部分，按雙向八車道設(shè)計，全長928 m，拱肋高42 m。主橋11號和12號下部結(jié)構(gòu)橋墩為主橋主拱座，拱座下設(shè)置承臺，左右承臺設(shè)置成啞鈴型，單個承臺平面尺寸為13.5 m×18.5 m×5 m。左右拱肋承臺凈距為24.02 m，單個承臺下設(shè)12根直徑2 m的鉆孔灌注樁。橫向兩個承臺采用鋼筋混凝土系梁連接，其下設(shè)置6根直徑2 m的鉆孔灌注樁。11號墩位于新河北岸，其結(jié)構(gòu)型式和位置如圖1所示。

圖1 新河大橋主橋墩結(jié)構(gòu)及位置示意圖

11號橋墩基坑呈長方形，寬約18 m，長約66 m，面積約為1188 m2；根據(jù)實際場區(qū)的地勢標(biāo)高和考慮后期汛期的水位，基坑開挖深度達(dá)16.68 m，其基坑平面圖如圖2所示。

圖2 新河大橋右岸11號橋墩基坑平面布置圖

1.1 周邊環(huán)境

基坑?xùn)|北側(cè)為新河，新河岸邊為整平的填筑土，作為后期的施工平臺使用?；?xùn)|南側(cè)為新河河岸，岸邊為整平的填筑土，作為后期的施工平臺使用?；游髂蟼?cè)為正在建設(shè)的新河大橋的引橋結(jié)構(gòu)，引橋結(jié)構(gòu)距離基坑最近約為39 m。基坑西北側(cè)為既有魚塘，魚塘右側(cè)為既有的魚塘堤壩。具體周邊環(huán)境如圖3所示。

圖3 新河大橋右岸11號橋墩基坑周邊環(huán)境圖

1.2 工程地質(zhì)條件

場區(qū)從上至下主要分布有人工填土、全新統(tǒng)沖湖積物及上更新統(tǒng)沖積層。和工程相關(guān)的土層的具體埋藏條件和特征見表1。

表1 基坑影響深度范圍內(nèi)土層參數(shù)表

人工填土：雜填土，主要由砂、碎石、粉質(zhì)黏土及建筑、生活垃圾組成?；靥顣r間不等，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度低，無利用價值，厚度??；素填土，主要由粉質(zhì)黏土、粉土組成，少量黏土、碎礫石土，回填時間大于10年，黏性土可塑狀，局部見少量上更新統(tǒng)沖積層黏土填土，呈可塑至硬塑狀，粉土呈稍密狀為主。

粉砂：松散—稍密，稍濕—濕，分布不連續(xù)，工程性質(zhì)一般，局部地震液化等級為中等。

粉質(zhì)黏土：軟塑—可塑，夾薄層或條帶狀細(xì)砂、粉土，層位穩(wěn)定，分布連續(xù)，屬高壓縮性土層，為軟弱下臥層。

粉細(xì)砂：松散—稍密，稍濕—濕，分布不連續(xù)，工程性質(zhì)一般，局部地震液化等級為中等。

黏土：含鐵錳質(zhì)結(jié)核及灰白色網(wǎng)紋狀高嶺土，硬塑，分布連續(xù)，層厚穩(wěn)定，承載力較高，屬于中等壓縮性土層。

1.3 水文地質(zhì)條件

勘察期間，鉆孔中地下水位與新河水位相差不大，枯水期賦存于砂層中的孔隙水一般不具承壓性，在洪水期堤防內(nèi)側(cè)地下水具有一定的承壓性，堤外岸坡部分地下水與長江水持平。

2 工程特點(diǎn)

結(jié)合工程特征、周圍環(huán)境條件以及工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，本基坑工程具有如下特點(diǎn)：

(1)屬于超深基坑工程，基坑開挖施工具有明顯的空間效應(yīng)。

(2)基坑周邊需進(jìn)行橋墩結(jié)構(gòu)的吊裝，需要在基坑周邊設(shè)置一定寬度的施工平臺，基坑周邊施工超載非常大。

(3)支護(hù)體系必須考慮新河汛期水位對基坑工程的影響。

(4)基坑側(cè)壁不僅有易發(fā)生管涌滲透破壞的吹填砂土，還有承載力很低的軟土。

基坑支護(hù)設(shè)計中緊扣上述主要特點(diǎn)，經(jīng)過多種設(shè)計方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工期和土方平衡等方面的綜合對比分析，最終比較設(shè)計出了各方面優(yōu)勢均衡的多級梯次聯(lián)合支護(hù)體系的設(shè)計方案，該支護(hù)體系平面圖和典型剖面見圖4和圖5。

圖4 新河大橋11號墩基坑支護(hù)設(shè)計平面圖

圖5 新河大橋11號墩基坑支護(hù)設(shè)計典型剖面圖

多級支護(hù)體系結(jié)合基坑中間深周邊淺的特點(diǎn)，將基坑工程劃分為：(1)基坑外側(cè)擋水圍堰;(2)深基坑與圍堰間基坑坡頂施工道路,也稱過渡體系;(3)橋墩深基坑三個主要部分，對三個部分在豎向共采取了三級聯(lián)合支護(hù)體系。

3 多級支護(hù)體系設(shè)計

3.1 一級支護(hù)——擋水圍堰

西北側(cè)利用既有魚塘堤壩進(jìn)行一側(cè)擋水，另外三面將引橋基礎(chǔ)開挖的大量土方作為圍堰體填料。為保證堆填土壩體的穩(wěn)定性和隔水性，又由于水域基坑圍堰是臨時水工建筑，使用期較短，為方便拆除，在壩體插入一定間距的雙排鋼板，雙排鋼板樁之間通過鋼筋橫拉連接，形成樁擋水圍堰體系，并在圍堰體迎水側(cè)邊坡鋪設(shè)防水土工膜[13]。為隔斷堰體內(nèi)外的水力聯(lián)系，迎水面鋼板樁長度為15 m，進(jìn)入第一層相對隔水層—粉質(zhì)黏土層；而粉質(zhì)黏土層夾薄層具有水平滲透的性質(zhì)，為了確保側(cè)向和樁底止水，背水面鋼板樁長度設(shè)計為18 m。圍堰支擋高度達(dá)8 m。

圍堰體的高填方的穩(wěn)定性和隔水性由過渡體系來輔以控制。在堰體內(nèi)側(cè)設(shè)置采用土體放坡反壓來增強(qiáng)圍堰的抗隆起能力。

3.2 二級支護(hù)——過渡段土體加固

圍堰填方，為了保證其穩(wěn)定性和隔水性能，在圍堰體迎水側(cè)邊坡鋪設(shè)防水土工膜。同時堰體內(nèi)側(cè)設(shè)置加固的放坡反壓體，即過渡體系。對于最內(nèi)部的橋墩深基坑來說，過渡段為土壓力主動區(qū)，對于圍堰體系來說，過渡段為土壓力被動區(qū)，對圍堰體系的穩(wěn)定有利。為滿足后期橋基施工空間的要求，在擋水圍堰體系和橋基基坑支護(hù)體系間設(shè)置坑內(nèi)反壓土體，并采用φ500 mm、間距400 mm的咬合高壓旋噴樁對高度漸變區(qū)進(jìn)行加固，在臨近橋梁基坑區(qū)域采用φ500 mm、間距2 m、長為10.0 m梅花型布置的高壓旋噴樁加固土體，形成寬12 m的施工平臺。樁頂設(shè)置300 mm厚C30鋼筋混凝土壓頂板，壓頂板配筋采用φ14@250 mm的雙向配筋。

由于反壓土采用高壓旋噴樁加固，圍堰體的被動區(qū)的抗力得到提高，從而對基坑周邊軟土的變形起到了很好的控制效果。

3.3 三級支護(hù)——橋墩深基坑支護(hù)體系

橋墩深基坑形狀為長方形，采用拉森-Ⅳ型鋼板樁進(jìn)行支護(hù)，盡管內(nèi)坑基坑開挖深度約8.2 m，但場地土質(zhì)較軟，為控制支護(hù)體系位移量并考慮到工期緊張，豎向布置三道鋼管對撐結(jié)合角撐。

4 多級支護(hù)體系計算分析

對三級支護(hù)體系的穩(wěn)定性、整體位移，選取工程主要部分——橋墩深基坑為例。本基坑工程規(guī)模較小，具有空間效應(yīng)，采用“理正深基坑”協(xié)同計算模塊進(jìn)行計算分析基坑整個開挖過程的受力、變形性狀，其計算結(jié)果見圖6。

圖6 橋墩深基坑樁撐體系三維計算內(nèi)力云圖

正常工況狀態(tài)下鋼板樁圍護(hù)墻三維計算的最大變形為29 mm。正常工況狀態(tài)下鋼板樁圍護(hù)墻三維計算的彎矩和剪力，分別為243.9 kN·m和219 kN?？梢园l(fā)現(xiàn)：由于空間效應(yīng)的作用，三維計算的鋼板樁圍護(hù)墻的變形較小。由于空間效應(yīng)的影響，支護(hù)構(gòu)件與土體之間的相互作用更加的明顯，進(jìn)而圍護(hù)構(gòu)件更能發(fā)揮其抗力。

5 有限元分析

PLAXIS巖土工程有限元分析軟件是用于解決巖土工程的通用有限元系列軟件。Hardening Soil Model(HS)模型為PLAXIS軟件內(nèi)嵌的一種土體本構(gòu)模型，該模型為等向硬化彈塑性模型，即適用于軟土也適用于較硬土層。基坑邊至模型邊界的距離取為5倍開挖深度，模型大小取為220 m×55 m，計算模型的上邊界為自由邊界，兩側(cè)邊界限制其法向位移，底部邊界全約束。其中，鋼板樁用板單元模擬，并采用線彈性模型，泊松比為0.2。土體采用精確度較高的15節(jié)點(diǎn)土體單元模擬，并通過使用Goodman接觸面單元考慮土體和地下結(jié)構(gòu)之間的相互作用。水平鋼支撐采用承受彎矩和軸力的梁單元模擬。樁間拉筋采用土工格柵模擬。所選計算斷面有限元模型見圖7。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算參數(shù)見表2。

圖7 基坑所選斷面有限元模型圖

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算參數(shù)

基坑開挖至基底時，土體臨空面及卸荷量達(dá)最大，此時支護(hù)結(jié)構(gòu)體系將承受由水土壓力和周邊附加荷載產(chǎn)生的最大側(cè)向荷載作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系處于最大負(fù)荷狀態(tài)。選取基坑開挖第一層土施工鋼板樁和開挖至基坑底兩個不利工況進(jìn)行分析。見圖8和9所示。

圖8 開挖土層施工鋼板樁的水平和垂直位移云圖

圖9 開挖開挖至坑底時的水平和垂直位移云圖

基坑水平位移最大處發(fā)生開挖至基坑底時，在鋼板圍堰樁之間。垂直位移最大發(fā)生在基坑底鋼板樁側(cè)，兩種工況下基坑變形的模式由牽引向整體；同時，由于基坑開挖產(chǎn)生墻后土體變形影響范圍在3～4倍基坑深度區(qū)域。開挖后過渡體系被動區(qū)對基坑底部變形起到了很好的控制效果。鋼板支護(hù)樁最大位移是28.34 mm，圍堰內(nèi)最大沉降量15 mm，滿足基坑設(shè)計規(guī)范關(guān)于變形控制的要求。說明本工程的支護(hù)體系與圍堰體系間設(shè)置高壓旋噴樁加固和反壓土堤過渡體系，具有良好的控制基坑變形的能力。

6 變形監(jiān)測

監(jiān)測的主要項目包括土體測斜、立柱樁的沉降或隆起、圍堰體系和支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移以及支撐梁軸力。各個施工階段各部位的監(jiān)測結(jié)果見表3。在整個開挖過程中，支撐梁的最大軸力1878.5 kN，在預(yù)警值3000 kN之內(nèi)。選取橋墩基坑從開挖到挖至基底時間段內(nèi)鋼板樁的位移為代表，初期開挖時，支護(hù)鋼板樁的位移較小，隨著開挖施工的進(jìn)行，變形逐漸增大，開挖至基底時位移達(dá)到最大，變形均在控制范圍內(nèi)。

表3 各施工階段鋼板樁監(jiān)測數(shù)據(jù)極值表

7 結(jié)論

針對新河大橋11號橋墩深基坑工程中水土分布不均勻的特點(diǎn)，采用了“雙排鋼板樁結(jié)合樁內(nèi)填土形成圍堰”、“高壓旋噴樁加固過渡區(qū)”和“鋼板樁結(jié)合三道鋼管對撐和角撐組成主橋橋墩支護(hù)結(jié)構(gòu)”相結(jié)合的多級梯次聯(lián)合支護(hù)體系，通過協(xié)同三維計算，確定了支護(hù)體系的穩(wěn)定性。借助利用有Plaxis 2D限元模型，模擬了圍堰體系在不同工況下的內(nèi)力和變形，探究出了過渡體系對于支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制作用很大。綜合對比確保設(shè)計的合理性。結(jié)合全過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，確保整個工程的順利實施，與支護(hù)體系穩(wěn)定性得到了很好的擬合。本工程的順利完成，為類似濱江軟土區(qū)域、基坑周邊水土環(huán)境復(fù)雜、施工空間狹小、施工荷載較大的橋墩基坑提供了一種新型多級支護(hù)體系設(shè)計與施工技術(shù)，為工程質(zhì)量提供一定的技術(shù)保障，同時，也可以更好地推動多級支護(hù)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。