隧道围护桩兼用抗拔桩的应用研究

乔常兴

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司佛山分公司，广东 佛山 528200）

1 概述

该工程沿肇庆大道实施一座下沉式隧道下穿西江北路，下沉式隧道总长度500 m，其中东西两端敞开段长度分别为215 m和175 m，暗埋段长度110 m。隧道内道路为双向六车道，地面辅道出口处采用三车道，入口段采用双车道。道路红线宽度最小处仅有56.5 m，由于道路受红线宽度限制，故辅道边紧贴隧道U形槽外边，在U形槽侧墙顶设防撞墙，具体布置如图1所示。

隧道敞开段采用钢筋混凝土U形结构，采用80 cm钻孔桩抗浮，暗埋段采用单箱双室钢筋混凝土闭合框架结构；隧道采用明挖法施工，基坑深度小于5 m部分采用拉森钢板桩支护，基坑深度大于5 m部分采用钻孔灌注桩+内支撑+高压旋喷桩止水方案。

2 工程地质

据地质钻孔揭露，场地内地层自上而下的顺序分别为人工填土层Qml、第四系冲洪积层Qal+pl（该地层主要由②1粉质黏土、②2淤泥质土和②4粉土组成）、第四系残积层Qel，下伏基岩为石灰系（C）基岩。各主要土层抗拔桩参数见表1。场地内未见有明显断裂构造迹象，区域稳定性良好。基岩为石灰岩，颜色呈灰色，岩石裂隙发育，场区内有36个钻孔见溶洞，见溶洞率43.75%，洞高0.6～6.7 m，由可塑至软塑状态粉质黏土填充，钻进漏水，为场区内不良地质作用。场区内勘察期间地下水位深1.5～2.6 m，地下水位受季节降水影响，地下水对混凝土和钢筋具有微腐蚀性。

3 主要设计技术指标

（1）设计荷载：公路-Ⅰ级同时满足城-A级，地面超载10 kPa。

（2）隧道暗埋段结构净空高度：5.56 m（5.0 m道路限界+0.1 m铺装+0.46 m照明灯具等）。

（3）隧道结构净宽度：27.6 m（0.5 m防撞栏+0.75 m侧向安全带+11.25 m车道宽+0.5 m侧向安全带+1.6 m中央分割带+0.5 m侧向安全带+11.25 m车道宽+0.75 m侧向安全带+0.5 m防撞栏）。

（4）隧道路面坡度：隧道最大纵坡4.0%，横坡2.0%。

（5）设计基准期：设计基准期100年，设计使用年限100年，安全等级为一级，结构重要性系数不小于1.1。

（6）环境类别：环境类别为Ⅰ-C，混凝土取C40。

（7）裂缝宽度允许值根据结构类型、使用要求、所处环境条件等因素确定；按荷载短期效应并考虑长期效应组合的影响验算最大裂缝宽度小于0.2 mm。

图1 敞开段道路横断面图（单位:m）

表1 主要土层抗拔桩参数表

（8）结构抗浮水位按地下0.00处全部水浮力计算，抗浮安全系数不小于1.05（不考虑侧壁摩阻力）。

（9）该工程地区地震设防烈度7度，地震动峰值加速度0.1g。

4 受力及经济分析

4.1 分析条件

隧道抗浮主要为敞开段，该工程敞开段总长度390 m，其中基坑深度小于5 m部分共215 m，采用拉森钢板桩支护，不在本文讨论范围内。其中基坑深度大于5 m部分采用80 cm钻孔桩支护，敞开段基坑最深处约为8.5 m，剩余U形槽长度175 m，包含D5～D7和D12～D15段。每节段U形槽长度25 m，U形槽总宽度29.6 m。本文按D6段举例计算抗拔桩断面布置和计算结果进行比较分析。

4.2 结构布置形式

该段钢筋混凝土U形槽侧墙厚度100 cm，底板采用变厚度100～124 cm，抗拔桩和围护桩均为80 cm，沿U形槽横断面按5排抗拔桩考虑，推荐方案采用U形槽自重+抗拔桩+围护桩抗浮，沿隧道中间设3排80 cm钻孔灌注桩，两侧利用围护桩抗浮。具体设计布置形式推荐方案如图2所示。

设计比选方案采用U形槽自重+抗拔桩抗浮，沿隧道横断面设5排80 cm钻孔灌注桩抗浮，具体设计布置形式比选方案如图3所示。

4.3 浮力的计算

根据阿基米德定律，物体在水中所受到的浮力等于物体排开水的重力，可用下式计算：

式中：F为地下水对物体产生的浮力；ρ为水的密度，一般取1 000 kg/m3；g为重力加速度，一般取9.8 N/kg；V为地下建（构）筑物排开水的体积，即地下水位以下至建（构）筑物底板底部的外包体积，m3。

经计算，D6段U形槽总浮力F=48 984 kN（计算过程略）。

4.4 抗拔桩计算

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）中第5.4.6条，该工程抗拔桩间距大于6倍桩径，抗拔桩按呈非整体破坏考虑；桩周为砂土时抗拔系数λi取0.50～0.70，桩周为黏性土、粉土时抗拔系数λi取0.70～0.80；该工程位于华南地区，不存在季节性冻土。

桩基的整体抗拔力为

式中：P1为单桩抗拔力特征值；λi为抗拔系数；qsik为桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值；u为桩身周长；Li为第i层土的厚度；GP为桩基自重，地下水位以下取浮重度。

P1=uρΣλiqsikuiLi+GP=2.51×（0.65×22×1.8+0.6×6×4.5+0.6×15×3.6+0.8×100×6.1）+0.16×3.14×16×15=1 532（kN），实际取值 P1=1 400 kN。

图2 U形槽横断面图

图3 U形槽横断面图

4.5 抗浮力计算

如果不采取抗浮措施，结构抗浮力主要由结构自重、覆土重、覆土重和结构侧摩阻力组成，结构侧壁摩阻力一般作为安全储备。本文主要研究敞开段不存在覆土，抗浮力由结构自重组成。

经计算U形槽自重G1=28 940 kN（计算过程略）。

4.6 U形槽抗浮计算

抗浮安全系数λ＞1.05；每根桩最大抗拔力不大于P1=1 400 kN。

采用U形槽自重+抗拔桩抗浮方案：

需要抗拔桩提供抗拔力 P=λF-G1=1.05×48 984-28 940=22 493（kN）。

需要抗拔桩根数N=P/P1=22 493/1 400=16.06（根），实际设抗拔桩N=18根。抗拔桩具体布置方式如图4所示。

实际抗浮安全系数 λ=（G1+NP1）/F=（28 940+18×1 400）/48 984=1.11＞1.05，满足规范要求，抗拔桩沿纵向均匀布置。

图4 比选方案抗拔桩布置图（单位:cm）

现采用U形槽自重+抗拔桩+围护桩抗浮，考虑设钻孔桩N=9根抗浮，抗拔力不足部分采用围护桩抗浮，D6段围护桩长16 m，共计50根。抗拔桩具体布置方式如图5所示。

图5 推荐方案抗拔桩布置图（单位:cm）

围护桩浮重G2=6 028 kN；冠梁浮重G3=825 kN。

围护桩侧摩阻力为基坑底面以下部分，计算按连续墙计算排桩两侧部分摩阻力P2=25 300 kN。

实际抗浮安全系数 λ=（G1+G2+G3+NP1+P2）/F=（28 940+6 028+825+9×1 400+25 300）/48 984=1.50＞1.05，满足规范要求。

抗浮安全系数1.50＞1.11更安全，同时D6节段U形槽可节约9根80 cm钻孔桩144 m，以此类推该隧道可节约80 cm钻孔抗拔桩1 008 m，可节约投资100万元，约占项目抗拔桩费用的35%，经济价值相当可观。

5 抗拔桩与侧墙的连接

隧道施工围护结构在冠梁位置预留与隧道侧墙连接的钢筋，隧道先施工底板和部分侧墙后拆除第一道支撑，冠梁预留钢筋与侧墙钢筋绑扎到一起后浇筑混凝土，使围护桩与侧墙相连。围护桩与隧道侧墙连接通过冠梁深入隧道侧墙50 cm卡位和通过在冠梁内钢筋连接。该连接方式可保证在高水位时通过冠梁卡位提供抗浮力，在低水位时通过连接钢筋提供支持力。具体如图6所示。

图6 围护桩与隧道侧墙连接大样图（单位:cm）

6 U形槽施工

由于该项目属于旧路改建，施工工作面狭小，施工期间又要做临时道路供车辆通行。为尽量少占用位置，施工期间围护桩一侧预留4.1 m（一个车道）的工作空间，保证施工期间运送材料、机械设备的车辆通行和吊车摆放；另外一侧预留7.1 m（两个车道）的工作空间，保证混凝土浇筑时混凝土泵车摆放和混凝土搅拌车通行。在冠梁顶1 m深的土采用挡墙支挡，围护桩顶要施工辅道路面，该方案施工完隧道后破除挡墙较破除冠梁容易，可以使第一道支撑下移减少支撑数量，开挖土方更方便，可以减少围护桩的长度，节约工程投资。由于钻孔桩凹凸不平，需要先在钻孔桩之间插入钢筋挂E8钢筋网片喷射C20混凝土，使钻孔桩内侧平整，然后在喷射混凝土表面抹2 cm厚1∶2水泥砂浆，使隧道侧墙外侧较为光滑，满足施工防水卷材的要求。在2 cm水泥砂浆表面粘贴反贴式防水卷材，浇筑混凝土后与侧墙混凝土发生化学反应粘贴到一起，起到防水作用。支撑采用一道609×14钢管水平间距6 m，等底板混凝土达到强度后拆除。具体做法如图7所示。

图7 U形槽施工大样图（单位:cm）

7 设计注意事项

（1）支护桩兼作抗浮桩部分的围护桩设计应按抗拔桩的耐久性标准设计，同时应满足抗拔桩配筋要求。

（2）冠梁混凝土强度等级应与隧道混凝土强度等级保持一致，冠梁钢筋保护层厚度应与隧道保持一致。

（3）在围护桩内侧挂网插筋宜在钻孔桩间插入，由于围护桩用作抗拔桩不宜在围护桩内预留钢筋以免影响耐久性。

（4）由于围护桩为密排桩，计算围护桩侧摩阻力时按地下连续墙仅计算两侧摩阻力。

（5）需要对围护桩做抗拔力检测，检测抗拔力时需要按桩周摩阻力进行验算。

8 结语

综上所述，采用U形槽自重+抗拔桩+围护桩抗浮比U形槽自重+抗拔桩抗浮更安全可靠；采取一定措施后可避免破除冠梁，开挖土方更方便；临时结构与永久结构结合可有效节约投资。在高水位地区隧道采用围护桩兼用抗拔桩抗浮值得应用和推广。

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