桩+喷锚支护在某新建站房土岩结合深基坑中的应用

涂启柱

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉　430063)



桩+喷锚支护在某新建站房土岩结合深基坑中的应用

涂启柱

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063)

摘要：在分析土岩结合深基坑特点的基础上，针对周边环境复杂、下部岩体为中硬质岩或硬质岩的土岩深基坑，建议采用上部桩(撑或锚)+下部喷锚支护的支护方法，并提出采用三阶段计算法进行设计计算。针对某新建站房土岩结合深基坑，采用三阶段计算法进行桩+喷锚支护设计，并对其进行数值模拟分析，结果表明：桩+喷锚支护能够较好地控制基坑变形，能够保证基坑的整体稳定，从而验证了桩+喷锚支护适用于土岩结合深基坑支护，按三阶段法进行设计计算是安全可靠的。

关键词：桩+喷锚支护；土岩结合深基坑；三阶段计算法；基坑变形；整体稳定

1概述

土岩结合基坑是指在基坑开挖深度范围内上部为土层、下部为岩层的二元结构基坑。当下部岩层为中硬岩或硬岩时，岩层具有很好的边坡自稳能力和竖向承载能力，若继续沿用上部土层支护方式，既不经济，施工也会很困难。而在基坑工程支护设计中，必须根据地质情况、周围环境选择合适的支护结构类型[1]。

对于土岩结合深基坑工程，其支护方法及支护理论分析，还未形成统一认识[2]，未形成全国性的相关规范或规程，仅湖北省地方标准《基坑工程技术规程》(DB42/T159—2012)[3]做了一些简单规定，但未对设计计算方法做出具体规定。一些学者在这方面开展了一些研究：韩文浩[4]提出了预应力锚板墙支护结构技术，但主要适用于岩层基坑；贾绪富等[5]提出了预应力锚杆肋梁支护技术，主要是在支护面层采用纵横肋梁传递锚杆预应力结构；丁文龙[6]、周贺[7]对桩在土岩结合基坑中的支护变形特性和沉降变形规律进行了分析，但桩在中硬岩或硬质岩中施工困难；陈勇[8]对影响土岩组合地区基坑变形的主要因素进行了分析，并采用人工智能——BP神经网络的方法对土岩组合地区基坑的变形进行了预测研究；张宗强[9]、李白[10]及刘小丽[11]提出了用微型桩进行支护；林佑高等[12]结合工程实例探讨了双排桩支护在土岩结合深基坑中的应用；朱祥山[13]等对青岛地区土岩基坑支护方法进行分析，在综合考虑变形控制、经济性及周边环境等因素的情况下，认为土岩结合基坑中采用桩+喷锚支护较为经济实用；李华杰[14]等也建议在周边复杂的环境土岩深基坑，采用上部桩锚、下部喷锚的深基坑支护方法。朱志华等[15]对青岛地区基坑支护方式进行了调查分析，认为青岛地区基坑支护方式以桩+喷锚为主。

综上所述，针对周边环境复杂的土岩结合深基坑，在考虑经济性与施工的可操作性上，众多学者建议采用桩+喷锚的支护方法。本文将首先分析桩+喷锚支护方法的特点，提出三阶段设计计算方法，并结合某新建站房深基坑工程实例进行深入的分析研究。

2桩+喷锚支护计算方法

桩+喷锚支护是指在土岩二元结构地层中，上部土层采用桩+内支撑(或锚杆)支护，在下部岩层采用喷锚支护(图1)。从图1可以看出， 基坑设计工况主要分为：(1)基坑开挖至强风化岩底面，桩端嵌入中风化岩，形成桩+内支撑(或锚杆)支护型式；(2)基坑开挖至桩底高程，该工况排桩被动区土方被挖除，只设置1～2 m宽的一个平台，为防止桩嵌固段抗力消失造成破坏，在平台顶设置一道锁脚锚杆；(3)基坑按岩石喷锚支护方法分层施工至基坑底。

根据3种主要设计工况，可以分为3个阶段进行设计计算。第一阶段：基坑设计计算深度至强风化岩底面(即桩前留设平台面)，采用桩+内支撑(或锚杆)支护进行计算；第二阶段：在平台顶设置一道锁脚锚杆，锁脚锚杆的抗力按替代桩前被动区土抗力进行设计计算；第三阶段：桩前平台以下至基坑底部分按岩石喷锚支护方法进行计算，平台以上桩及外侧土体作为外荷载施加在平台顶部。

图1　桩+喷锚支护示意

3工程实例

3.1工程概况

某铁路站房综合交通枢纽工程基坑开挖深度15.60 m，基坑临近既有站房侧环境复杂，地下基础结构外边线距离既有站房相关建筑最近距离仅6.7 m，对基坑变形控制要求严格。综合基坑开挖深度及基坑周边环境，基坑安全等级定为一级，支护结构重要性系数为1.1。本文将主要研究临近既有站房侧基坑的支护方式。

3.2地质条件

根据钻孔揭露，场地内分布有人工填土(Q4ml)、下伏基岩为中元古界陈蔡群(pt2ch)花岗片麻岩，地层及相关参数见表1。

表1　基坑设计地层计算参数

在勘探孔深度范围内地下水类型主要为上层滞水、基岩风化裂隙水，上层滞水分布在杂填土内，分布不均，含水量受降雨，季节变化控制，雨季时接近地表；基岩风化裂隙水含水量甚微。勘察期间，地下水位埋深约为4 m。

3.3基坑支护设计与计算

(1)基坑支护设计方案

然而天有不测风云，他的车遭遇了爆胎，就在他下车换轮胎的时候，凶悍男赶上了他，气势汹汹地下了车，害他只能躲回车里。凶悍男属于睚眦必报的类型，对帅大叔百般折辱，掰断了他的雨刷器，砸了他车前的玻璃，这还不算完，还爬到奥迪车顶上当场大便了一坨。

基坑临近既有站房侧环境复杂，对基坑变形控制要求严格，经过多方案综合比选，确定基坑支护设计方案如下：上部采用钻孔灌注桩+3道预应力锚索支护，其中第3道锚索为锁脚锚索，钻孔灌注桩桩径1.0 m，桩间距1.5 m，桩端嵌入中风化岩2 m，预应力锚索水平间距3 m，倾角15°，钻孔直径150 mm；下部采用1∶0.2放坡+4道锚杆支护，锚杆竖向间距1.5 m，水平间距1.5 m，倾角15°，钻孔直径100 mm；排桩前设置1.5 m宽平台(图2)。

图2　基坑支护设计方案剖面(高程单位为m，其余为mm)

(2)基坑支护计算

基坑支护设计根据主要设计工况分为3个阶段进行计算。

第一阶段：基坑设计计算深度至强风化岩底面，采用桩+2道预应力锚索支护(图3)。计算结果如下：第1道预应力锚索长20 m，锚固段长度11 m，施加预应力250 kN；第2道预应力锚索长11 m，锚固段长度6 m，施加预应力170 kN。根据弹性法计算排桩前被动区抗力为79 kN/m。

图3　第一阶段设计计算剖面(高程单位为m，其余为mm)

第二阶段：在第一阶段基坑底设置锁脚预应力锚索(图4)。根据第一阶段排桩前被动区抗力的计算结果及锚索支护的构造要求，可以得出锁脚预应力锚索长11 m，锚固段长度6 m，施加预应力190 kN。

图4　第二阶段设计计算剖面(高程单位为m，其余为mm)

第三阶段：下部按岩石锚喷支护方法进行设计计算(图5)，第1道全黏结锚杆长8 m，第2道与第3道全黏结型锚杆7 m，第4道全黏结锚杆长6 m。锚杆芯材采用2根φ22 mm的HRB钢筋。

图5　第三阶段设计计算剖面(高程单位为m，其余为mm)

3.4有限元分析

为了对基坑支护结构的变形特性和整体稳定性进行分析，采用Plaxis3D有限元分析软件对基坑支护设计方案的开挖过程进行模拟计算，以期验证上述基坑支护设计方案的可靠性。

根据基坑支护设计方案，建立基坑模型，模型沿基坑边宽度取3 m，土体与岩体均采用摩尔-库伦弹塑性本构模型，支护桩根据等刚度法采用板单元。基坑地面超载取20 kPa，并按照土层的分布情况和实际开挖工况建立计算模型(图6)。

图6　基坑有限元分析模型

(2)模型计算参数

土层部分参数取值见表1，土层的弹性模量与泊松比参数见表2。

表2　土层弹性模量与泊松比

(3)计算结果

①水平与竖向位移(图7～图10)

基坑开挖至8 m(即第一阶段)，水平位移最大值7.48 mm，竖向位移最大值2.28 mm；基坑开挖至基坑底(即第三阶段)，水平位移最大值7.47 mm，竖向位移最大值2.33 mm。从图8可以看出，基坑开挖至坑底时，水平位移主要发生在上部杂填土层，而下部岩层、尤其是桩前被动区岩层未发生大的水平位移，从图7与图8对比可以看出，基坑水平位移主要发生在第一阶段，开挖至基坑底时水平位移增量较小。从图10可以看出，基坑开挖至坑底时，竖向位移主要发生在上部杂填土层，而下部岩层、尤其是桩前被动区岩层未发生较大的竖向位移，从图9与图10对比可以看出，基坑竖向位移主要发生在第一阶段，开挖至基坑底时竖向位移变形增量较小。综合基坑水平位移与竖向位移的分析结果可以看出，整个支护结构是安全的。

图7　开挖至8 m水平位移云图

图8　开挖至坑底水平位移云图

图9　开挖至8 m竖向位移云图

图10　开挖至坑底竖向位移云图

②支护桩弯矩

基坑开挖至8 m(即第一阶段)支护桩弯矩最大值383.8 kNm/m(图11)；基坑开挖至基坑底(即第三阶段)，支护桩弯矩最大值364.1 kNm/m(图12)。支护桩最大弯矩发生在第一阶段坑底处，第三阶段相对与第一阶段支护桩弯矩略有减小，是因为第二阶段在-7.7 m处设置了一道锁脚预应力锚索的缘故。

图11　开挖至8 m支护桩弯矩云图

图12　开挖至坑底支护桩弯矩云图

③稳定分析

Plaxis有限元软件分析稳定性采用强度折减法，由总乘子∑Msf来控制。这个乘子将逐步增加，直到发生破坏。如果在破坏后连续几步的计算中能给出一个恒定的∑Msf，这个乘子就定义为安全系数。评估安全系数最好方式是绘制∑Msf与某点位移之间的关系曲线(注：位移的大小没有意义)。通过稳定性分析，基坑开挖至坑底，安全系数为1.73(图13)，满足设计要求。

图13　位移-安全系数曲线

综合上述分析，基坑支护设计方案的第三阶段相对于第一阶段，基坑水平位移变形与竖向位移变形及支护桩弯矩变化都较小，开挖桩前被动区的岩体对支护桩的影响不大；通过稳定性分析，基坑整体稳定安全系数达到1.73，满足设计要求。因此，对于此类土岩结合基坑支护设计，按照三阶段法设计计算是可行的。

4结论

(1)在分析土岩结合深基坑特点与众多学者研究成果的基础上，针对周边环境复杂、场地狭小、下部岩体为中硬岩或硬质岩的土岩结合深基坑，建议采用桩+喷锚的支护方法。

(2)桩+喷锚的支护方法可以根据主要设计工况分3个阶段进行设计计算。

(3)以某铁路站房综合交通枢纽工程深基坑为实例，详细阐述了按照3个阶段进行设计计算的过程，并利用有限元分析软件对深基坑开挖进行模拟计算，结果表明：桩+喷锚的支护设计方案能较好地控制基坑变形，能够保证基坑整体稳定。从而验证了桩+喷锚支护方法适用于土岩结合深基坑支护，按三阶段法进行设计计算是安全可靠的。

参考文献：

[1]刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[2]吴燕开，牛斌.土岩组合地层深基坑支护技术实例探讨[J].山东科技大学学报，2013，32(4):34-39.

[3]湖北省住房和城乡建设厅.DB42/T159—2012基坑工程技术规程 [S].武汉:湖北省住房和城乡建设厅，2012.

[4]韩文浩.预应力锚板墙支护技术在深基坑开挖中的应用[D].青岛:中国海洋大学，2003.

[5]贾绪富.预应力锚杆肋梁支护技术[D].青岛:中国海洋大学，2003.

[6]丁文龙.土岩组合地层排桩支护基坑变形控制研究[D].青岛:中国海洋大学，2012：1-19.

[7]周贺.土岩组合地区深基坑开挖地表沉降变形研究[D].青岛:中国海洋大学，2011：26-35.

[8]陈勇.土岩组合地区基坑变形的预测方法研究[J].水利与建筑工程学报，2013，11(5):97-101.

[9]张宗强，张明义，贺晓明.微型钢管桩在青岛地区基坑支护中的应用研究[J].青岛理工大学学报，2012，33(3):22-25.

[10]李白.微型钢管桩在岩石基坑支护工程中的应用研究[D].青岛:中国海洋大学，2012：6-22.

[11]刘小丽，李白.微型钢管桩用于岩石基坑支护的作用机制分析[J].岩土力学，2012(S1):217-222.

[12]林佑高，唐桥梁.土岩结合地层双排桩深基坑支护技术[J].水运工程，2014(2)：185-188.

[13]朱祥山.青岛地区“嵌岩”类基坑工程设计方法研究[D].青岛:中国海洋大学，2008：3-17.

[14]李华杰，史晓军.岩土组合地质条件下深基坑工程施工技术[J].青岛理工大学学报，2008，29(3):111-114.

[15]朱志华，刘涛，单红仙.土岩结合条件下深基坑支护方式研究[J].岩土力学，2011(S1):619-623.

The Application of Pile and Shotcrete Anchor Supporting in a New Station Building Deep Foundation Pit in Rock and Soil

TU Qi-zhu

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：Based on the analysis of the characteristics of deep foundation pit in rock and soil， the pile and shotcrete anchor supporting is recommended for those deep foundation pits in rock and soil in complex surrounding environment with medium hard or hard lower part rock. And three-stage calculation is conducted for design calculation. For a new station deep foundation pit in soil and rock， three-stage calculation method is used for pile and shotcrete anchor support design， and numerical simulation is used for analysis. The results show that the pile and shotcrete anchor supporting can effectively control the pit deformation and ensure overall stability of the deep foundation pit. So it is verified that the shotcrete anchor support is suitable for deep foundation pit in rock and soil and the three-stage calculation method is safe and reliable．

Key words：Pile and shotcrete anchor supporting; Deep foundation pit in rock and soil; Three stage calculation method; Deformation of foundation pit; Overall stability

文章编号：1004-2954(2016)05-0129-05

收稿日期：2015-11-10； 修回日期：2015-11-30

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题(2014G008-D)

作者简介：涂启柱(1982—)，男，工程师， 2010年毕业于东南大学交通学院岩土工程专业，工学硕士，E-mail：277142342@qq.com。

中图分类号：U248.1

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.028