悬臂排桩在富水淤泥质土层基坑中应用

朱建伟

（中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳471000）

珠三角地区地质表层以第四系全新统人工填土层（Qme）、第四系新统植物层（Qpd）、第四系冲积层（Qal）、第四系残积层（Qel）为主。在该地质条件下，深大基坑常用的设计方案是采用地下连续墙与排桩＋内支撑的支护结构形式。本文对碧桂路南国路下穿隧道基坑进行研究，对富水淤泥质土层最大挖深为8.1m的基坑采用悬臂排桩的各工况进行受力与变形分析，利用《理正深基坑软件6.0》软件，通过基坑开挖过程中地表沉降及水平位移分析，验证了支护结构方案的安全可靠性。

1 工程概况及地质特性

1.1 工程概况

碧桂路下穿南国路地道，起止里程为ZK54＋492.142～ZK54＋810.382，全长318.24m。地道由120m开口框架＋78.24m闭合箱型框架＋120m开口框架组成，基坑开挖宽度为31.7m，最大挖深为8.1m。开挖深度为5.6～8.1m，采用坡顶放坡，高度为3m，放坡坡底采用φ1.0m＠1.3m悬臂钻孔灌注桩支护方式，桩体外侧采用双排水泥搅拌桩止水，不设置横向支撑，基坑周围环境复杂。

本文以开挖深度较大的E～K节段进行论述（挖深5.6～8.1m），基坑开挖断面如图1所示。

1.2 地质特性

1）地质特点:本项目场地系第四系三角洲海陆交互相冲淤积层中淤泥、淤泥质土发育，软土层具有多层结构，场地处于抗震不利地段；

2）水文特点:地下水位相对稳定，水位埋深为1.20～1.85m。地下水类型主要为人工填筑土中的潜水及冲淤积土层的微承压孔隙水、基岩的裂隙水。场地内主要含水层为粉细砂，且含水量丰富。

图1 碧桂路下穿南国路地道基坑开挖断面

2 方案比选

选择一个合理的基坑支护设计方案，对保证工程安全、便利施工、控制工期、节约造价等具有重要意义。常用的基坑支护方式有:地下连续墙，SMW工法，排桩，桩锚支护结构，土钉墙支护结构等。结合工程现场水文、地质地形条件及基坑围护结构形式等考虑，从技术可行性、施工可行性、经济合理性等方面对南国路基坑支护设计的五种方案进行综合比较分析，选择方案五为正式方案。

排桩支护结构是由挡土桩和顶部冠梁构成，它是依赖单排钢筋混凝土桩的自身刚度和一定的嵌固力来平衡坑外水土压力等外荷载，以维护基坑围护结构和基坑内外土体的稳定。排桩作为我国基坑支护结构的主要形式之一，不仅施工噪音少，可多机组、多工作面同时施工，工期进度容易控制，占用基坑施工工期少；钻孔桩施工技术成熟，工程成本相对较底，施工质量有保证。

3 排桩支护的理论计算

基坑采用悬臂钻孔灌注排桩支护，使用《理正深基坑支护设计6.0》软件对基坑进行各开挖工况分析，选取最大挖深处做为典型断面进行验算，即基坑最大挖深的8.1m处。

3.1 结构稳定性分析

3.1.1 支护方案

采用排桩支护方案，按基坑开挖最深节段进行支护结构验算，围护桩采用1.0m钻孔桩，桩间距为1.3m，桩长23.8m，围护桩顶设置1×1.2m冠梁，支护桩顶部放坡高度为3.0m，如图2所示。

图2 基坑支护受力分析断面

3.1.2 基本信息

结构的基本信息如表1所示。

表1 排桩支护结构稳定性基本信息

3.1.3 放坡信息超载信息

自原地面开挖3m后施作围护钻孔桩，坡度系数为1.25。由于基坑两侧受动荷载以及行车便道车辆影响，围护结构的被动土体压力增大，超载值按照40kPa计算。

3.1.4 土层参数

支护结构穿越土层信息如下，参数如表2所示。

3.1.5 工况信息

地道分三个工况进行检算，工况1的开挖深度为3m，工况2的开挖深度为8.1m，工况3为底板施工。

表2 支护结构穿越土层信息

3.1.6 结构计算

3.1.6.1 工况1结构计算

1）工况1开挖深度为3m，整体稳定受力分析如图3所示。

图3 放坡开挖基坑受力分析

2）整体稳定性采用瑞典条分法计算，工况1计算结果如下:

满足规范要求。

3.1.6.2 工况2结构计算

1）根据软件的内力分析，内力及位移包络如图4所示。

2）经计算，地表的沉降数据如图5所示。

图4 内力位移包络

图5 地内沉降量分析

3）整体稳定验算:计算方法为瑞典条分法；应力状态为总应力法；条分法中的土条宽度为1.00 m；滑裂面数据为圆弧半径R（m）＝27.681，圆心坐标X（m）＝－0.555，圆心坐标Y（m）＝10.737；整体稳定安全系数KS＝1.260。稳定结构工况分析如图6所示。

图6 整体稳定验算

图7 抗倾覆稳定性计算

4）抗倾覆稳定性验算。抗倾覆安全系数

式中:Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

计算简图如图7所示。工况2的计算结果如下

满足规范要求。

3.1.6.3 工况3结构计算

工况3是在工况2的基础上，增加结构底板浇筑工序，经过理正软件内力分析，内力、位移、地表沉降、整体稳定验算最大值与工况2完全相同，说明最不利情况发生在工况2（即基坑开挖至基底8.1m时）。抗倾覆稳定性验算，经计算KS＝5.722＞＝1.200，满足规范要求。

3.1.6.4 结构计算结构汇总

各工序计算结果汇总如表3所示。

表3 各工序计算结果汇总

安全系数最小的工况为工况2，为最不利工况，最小安全系数KS＝1.388＞1.200，计算结构均满足规范要求。

3.2 分析结果

1）对选取的最不利断面处，计算开挖过程最大水平位移为57.29mm，最大地表沉降为54mm；

2）整体稳定系数为1.26，大于规范数值1.2，满足稳定性要求；

3）在工况2时，抗倾覆稳定性的最小值为1.388，大于规范值1.2，满足要求。

3.3 排桩方案可行性分析

排桩支护结构是由挡土桩和顶部冠梁构成，依靠单排钢筋混凝土桩自身的刚度和一定的嵌固力平衡坑外水土压力等外荷载，以维护基坑围护结构和基坑内外土体的稳定。本隧道支护桩，采用理正6.0基坑软件分析，最大位移值为57.29mm，桩体变形经力学分析满足要求，桩体稳定，可不设置锚筋，方案可行。

4 方案执行效果

1）通过开挖验证，基坑最大沉降与位移在挖至基坑底时最大，支护结构最大位移为48mm，与计算值57.29mm接近。地面最大沉降量的实测为37mm，计算沉降量为54mm，沉降量在计算值内。

2）无横支撑基坑开挖工作面宽敞，可连续分层开挖，工序简便，施工工期较短。

5 结 论

1）排桩悬臂支护结构一般适用于基坑挖深小于10m，嵌固深度、桩径、配筋率都略大于桩锚支护结构。

2）采用“悬臂钻孔灌注排桩”，在富水、淤泥质土层进行无支撑开挖，该技术施工简便、技术可靠，施工质量有保证。

3）通过在设计阶段多种方案的比选，选定采用上部3m放坡开挖，下部采用悬臂排桩的方式进行基坑围护，不设置辅助支撑，经过近6个月的开挖验证，施工过程中桩体位移应控制在桩体允许位移值以内，基坑一直处于安全状态，施工方案得到了验证，不仅施工进度大幅提高，也使施工造价大大降低，取得了良好的经济效益和社会效益。

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