地铁轨排井深基坑桩锚支护设计与施工监测

盛建龙，黎钜宏，邓 静

(1．武汉科技大学，湖北 武汉 430081;2．武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065)

地铁轨排井深基坑桩锚支护设计与施工监测

盛建龙1，2，黎钜宏1，邓 静1

(1．武汉科技大学，湖北 武汉 430081;2．武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065)

某地铁轨排井深基坑最大深度为23.3 m，深基坑内不能设横撑，且基坑东端有一条河涌，使轨排井设计难度较大，基坑围护结构采用桩锚支护形式。采用理正深基坑支护设计软件对不同设计剖面进行了计算，获得4道锚索的内力和长度，施工过程中对桩顶水平位移、桩身变形和锚索拉力等进行了监测，监测结果表明锚索发挥了较好作用且拉力值富余较大、基坑未发生大变形。本文设计和施工监测方法对类似深基坑支护体系的设计具有参考价值。

深基坑 桩锚支护结构 轨排井 施工监测

在地下铁道交通建设中，轨排需通过轨排井由地面吊入地下隧道内。由于轨道吊装要求，轨排井的平面尺寸和深度一般较大，而且钢支撑、钢筋混凝土支撑等内支撑不能使用。

桩锚支护体系是排桩与预应力锚索联合支护结构的简称，常用于地质条件较差、周边环境复杂、基坑深度大的基坑支护中，特别适用于轨排井深基坑支护工程。桩锚支护体系是将受拉杆件的一端固定在开挖基坑的稳定地层中，另一端与围护桩相联的基坑支护体系，它是在岩石锚杆理论研究比较成熟的基础上发展起来的一种挡土结构。本文以某地铁线路轨排井深基坑支护设计为例，对桩锚支护体系进行了计算和施工监测分析，并对设计中应引起重视的问题进行了探讨。

1 工程概况

该轨排井深基坑长度约为28.8 m，宽度约25.5 m，深度21.4～23.3 m，使用年限2年。基坑位于某双向六车道的道路上，基坑东端约4.1～8.5 m处有一条河涌，北端距离已建左线折返线隧道最小距离为0.9 m，其余方向还有小桥、住宅等其他建筑，基坑内还有一些管线，施工环境较为复杂。

2 工程地质和水文地质

2.1 岩土工程地质

工程场地自上而下地层分别为:

＜1＞人工填土层:层厚2.40～4.90 m，平均厚度3.64 m，主要为素填土。

＜2-1＞淤泥质土层:层厚为0.40～2.10 m，平均厚度1.53 m。

＜3-2＞中砂层:分布呈透镜体状，层厚2.70 m。

＜4-1＞粉质黏土层:分布不连续，层厚0.80～4.40 m，平均厚度2.79 m。

＜7＞钙质泥岩强风化带:层厚0.60～5.80 m，平均厚度2.15 m。

＜8＞钙质泥岩中风化带:层厚0.80～11.00 m，平均厚度7.48 m。

＜9＞钙质泥岩微风化带:层顶面埋深为14.30～19.20 m。

基坑范围内存在的不良地层为较厚的人工填土层，开挖时易于坍塌;钙质泥岩的中、微风化岩均为软化岩石，有遇水易软化的特性，会降低地基强度。

2.2 水文地质

工程现场地下水稳定水位深2.40～3.70 m。地下水类型主要为赋存于第四系土层中的孔隙水和赋存于基岩风化层中的裂隙水。第四系土层中孔隙潜水的补给源为大气降水，补给形式为垂直渗入;基岩裂隙水的补给源为第四系土层中孔隙水的垂直渗入及侧向补给、越流补给。本工程场地地下水对混凝土结构有弱腐蚀性，对混凝土中的钢筋无腐蚀性，而对钢结构则有弱腐蚀性。地质勘查报告中预测基岩含水层的涌水量为463.2 m3/d。

2.3 岩土物理力学参数

岩土物理力学参数见表1。表中土的天然重度、黏聚力、内摩擦角为土工试验结果，中、微风化岩的黏聚力和内摩擦角为广州地区经验值及岩石抗剪试验结果。

表1 岩土层物理力学指标

3 基坑支护设计

3.1 支护结构方案确定

在上述工程地质和水文地质条件下，考虑基坑变形的要求以及轨排井的特殊功能，采用钻孔灌注桩+锚索的基坑支护方案。基坑采用明挖顺作法施工，支护结构采用φ1 200 mm钻孔灌注桩，桩间距为1.35 m，按照该线路技术要求，桩底进入微风化岩层不小于2 m。支护结构竖向采用四道预应力锚索，锚索采用φ15.2(1×7)钢铰线。支护结构上部采用 φ600 mm旋喷桩进行桩间止水，下部在旋喷桩桩底2 m以下竖向每隔2 m设置泄水孔。基坑围护结构平面布置如图1所示。

图1 基坑围护结构平面布置(单位:mm)

考虑到支护结构东端钻孔桩与河涌过于接近，旋喷桩止水效果难以保证，同时东端的部分锚索施工时会穿过河涌挡墙，进到河涌底淤泥层，为避免出现管涌及塌孔，可对河涌挡墙进行隔水处理。锚索施工采用钢套管等措施。

3.2 支护结构计算分析

由于基坑深度较大，按照基坑支护的有关规范和规定，本基坑侧壁安全等级为一级，基坑侧壁重要性系数为1.1。支护结构要承受的荷载有结构自重、地面超载、龙门吊荷载、水土侧压力。其中地面超载除北端采用32 kPa外，其余各端均采用20 kPa。支护结构四周的外侧水位标高取地面以下0.5 m。水土侧压力按朗肯主动土压力公式计算，对于人工填土层和粉质黏土层均采用水土分算，对于强风化钙质泥岩、中风化钙质泥岩和微风化钙质泥岩均采用水土合算。

针对不同的地质钻孔情况及基坑周边的控制因素，采用理正深基坑支护设计软件对基坑南端、西南端、西北端、北端、东北端和东南端等6个断面进行单元计算。结合实际情况，通过不断调整锚索的位置、预加力，将围护桩的变位和结构构件的内力控制在合理范围内，选择有代表性的计算结果进行设计。

因考虑因素众多，本基坑锚索入射角和竖向间距的设计比较复杂。第一道锚索锚固体直径为130 mm，第二、三、四道锚索锚固体直径均为150 mm。考虑到南北端第四道锚索距离暗挖隧道顶的安全距离，南北端第四道锚索入射角取为2°;为了避免锚索打进河涌引起塌孔、管涌，并充分利用锚索的使用效率，距离河涌较远的东北端大部分锚索入射角取为25°，距离河涌较近的东南端大部分锚索入射角取为35°。为使上下锚索不交叉，基坑第一、二道锚索水平间距均为1.35 m(即一桩一锚)，第三、四道锚索水平间距均为2.70 m(即两桩一锚，且采用梅花形布置)。其中典型剖面如图2所示，基坑典型剖面计算结果汇总如表2所示，桩身随深度变化的水平位移曲线如图3所示。

图2 基坑支护横剖面(单位:mm)

表2 基坑典型剖面计算结果

图3 基坑典型剖面桩身随深度变化的水平位移曲线

4 施工监测

4.1 监测项目

根据本基坑的特点，在围护结构施工及基坑开挖过程中，监测的主要项目包括:①桩顶水平位移;②桩身变形;③地下水位;④锚索拉力;⑤地面沉降。

4.2 监测结果分析

1)桩顶水平位移和桩身变形

由第三方监测报告，基坑土方开挖124 d(此时已开挖到基坑底)时，基坑东南端桩顶最大水平位移为－3.59 mm;南端桩顶最大水平位移为2.33 mm，西端桩顶最大水平位移为－6.67 mm。上述位移均较计算值小。

图4为基坑开挖第124 d东南端、南端和西端桩身变形随深度变化曲线。基坑东南端、南端和西端桩身最大变形值分别为4.04，4.80，－10.56 mm。

图4 基坑不同部位桩身变形随深度变化曲线

实测桩顶水平位移和桩身变形比计算结果小，原因是桩顶冠梁截面尺寸较大(兼作龙门吊轨道梁的冠梁最大截面尺寸为2 558 mm×1 200 mm)，加大了冠梁的整体刚度，从而使冠梁的空间作用明显，起到协调各桩变形、改善各桩受力的作用。在实际基坑支护结构设计中，一般将冠梁作为安全储备。因为如果将冠梁参与支护结构计算，存在其附加等效刚度难以取值等问题。故本工程计算中没有考虑桩顶冠梁的水平刚度。同时，出于安全考虑，本工程计算地下水位不是取至实际水位，而是取至地面以下0.5 m，故基坑受力的实测值比计算值要小。

另外，西端桩顶水平位移和桩身变形比其他端的都大且均向基坑内侧倾斜，主要是因为在基坑开挖过程中，两端还保留有通车车道，使基坑西端的地面超载加大，从而使西端支护结构受力加大。

2)锚索实测拉力值

除个别监测点外，基坑南端各道锚索实测拉力值随时间变化不大。锚索拉力值增加反映土体可能发生移动，锚索拉力值减少反映锚索可能发生松弛效应。第一道锚索实测拉力值基本上维持在235 kN左右，为原设计拉力值350 kN的67.1%;第二道锚索实测拉力值基本维持在250 kN左右，为原设计拉力值360 kN的69.4%;第三道锚索实测拉力值基本上维持在315 kN左右，为原设计拉力值530 kN的59.4%;第四道锚索实测拉力值基本上维持在300 kN左右，为原设计拉力值530 kN的56.6%。总体来说，基坑开挖到底部时，锚索实测拉力值约占设计拉力值的50%～70%。

监测结果表明，由于岩土地质良好，锚索拉力值比较稳定且应力损失不大，锚索发挥作用强;锚索实测拉力值小于设计值，未超过设计值的0.7倍，富余较大;基坑未发生大变形。由此说明基坑设计比较安全。

5 结语

通过对轨排井深基坑支护设计计算与施工监测分析，有以下几点认识可供同类工程借鉴:

1)桩顶冠梁依靠自身的刚度和完整性可以协调各桩的受力及变形状态，起到减小桩顶位移、桩身弯矩和加强结构整体性的作用。设计计算中，没有考虑桩与冠梁的空间效应作用，故出现监测值比计算值要少很多的结果也属正常。

2)基坑围护结构主要受到水压力和土压力。结合岩土层的渗透系数及周边河涌不利环境，本工程计算水土压力时，对人工填土层和粉质黏土层均采用水土分算，对强风化、中风化、微风化钙质泥岩层均采用水土合算。

3)预应力锚索锁定值的确定决定了锚索锚固段的长度和基坑支护结构内力图曲线的形状。且为了施工方便，每道锚索的锁定值应尽量采用相同值。但由于地质钻孔的差异，通过调整锚索的锁定值使基坑断面在所有钻孔中的基坑位移在每一工况中都偏向内侧、桩的正负弯矩大致相等是不可能的。因此锚索锁定值的最终确定是以能使大部分的钻孔位移计算结果偏向基坑内侧、桩的正负弯矩不超过限定值为原则。

4)隧道轨排井深基坑设计应严格模拟施工开挖和相应地质情况进行结构计算，加强施工监控量测，并及时反馈以校核计算结果，根据情况采取相应的处理措施，确保轨排井施工和地面构筑物的安全。

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TU94+2;U455．7+1

A

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1003-1995(2013)04-0087-04

2012-07-06;

2013-01-16

盛建龙(1964— )，男，湖南湘阴人，教授，博士。

(责任审编 李付军)