双排桩支护结构在临近地铁基坑中的应用

孙 康

（沈阳帝铂建筑工程有限公司，辽宁 沈阳 110031）

1 概述

双排桩支护结构是一种空间组合类悬臂支护结构，近些年来在深基坑支护工程中得到广泛应用。所谓双排桩支护结构是指沿基坑侧壁排列设置的由前、后两排支护桩和梁连接成的刚架及冠梁组成的支挡式结构［1］。具体的说双排桩支护结构是将密集的单排悬臂桩中部分桩向后移动，并在桩顶用刚度较大的连梁把前后排连接起来，沿基坑长度方向形成双排支护的空间结构体系。双排桩支护结构在没有锚杆（或者内支撑）的情况下，利用超静定刚架结构随支撑条件及荷载条件的变化而自动调整结构内力分配的特性，发挥空间组合桩的整体刚度和空间效应，并与桩间土协调工作，支挡因开挖引起的不平衡力，达到保持坑壁或坡体稳定、变形控制、满足施工工期和不影响周边环境的目的［2］。

2 计算模型

双排桩支护结构按照平面刚架结构模型进行分验算，如图1 所示。

在结构模型分析时，作用在双排桩支护结构两侧的主、被动土压力与单排桩支护结构相同，整体滑动稳定性验算方面同样采用圆弧滑动条分法进行验算。不同的是双排桩支护结构在计算模型分析中存在如下几个独特的技术控制点：

①如何发挥排桩间土层性质在支护结构中影响问题；

②如何利用冠梁与连梁组合盖梁的空间刚度问题；

③如何解决双排桩支护结构整体抗倾覆稳定问题；

④如何看待前后排桩的沉降差问题。

图1 双排桩计算模型

2.1 排桩间土层性质在整体支护结构中影响

根据 《建筑基坑支护技术规程》（以下简称“《规程》”）给出计算模型中前后排桩之间土体采用土的侧限约束假设，桩间土对前后排桩的土反力与桩间土的压缩变形有关，将桩间土看做水平向单向压缩体即土弹簧，按照土的压缩模量确定土弹簧水平刚度系数。桩间土的水平刚度系数（kc）可按式（1）计算：

式中：Es-计算深度处前、后排桩间土体的压缩模量（kPa）；当为成层土时，应按计算点的深度分别取相应土层的压缩模量。

在前后排桩排间距和桩径已经确定时，桩间土弹簧的水平刚度系数与桩间土体的压缩模量关系密切，改善土弹簧水平刚度系数是提高双排桩支护结构整体抗弯能力的关键所在。

2.2 冠梁与连梁组合盖梁的空间刚度

前后排桩顶部设置钢筋混凝土冠梁，冠梁将每根支护桩顶部连接起来，约束协调单根支护桩的桩顶变形。前后冠梁之间设置连梁，连梁将前后排桩连接成一个整体门式刚架，共同承担水土压力。从双排桩支护结构整体上看沿基坑支护长度方向前后排桩顶的冠梁和刚架梁组成了一道宽度为排桩间距的整体桩顶盖梁，如何充分发挥这个盖梁的水平抗弯刚度优势是双排桩支护结构设计的重要技术控制点。

通常冠梁可以看做水平受弯构件，可将每个桩顶水平力视为荷载，基坑一侧排桩支护长度视为冠梁计算长度，一般情况下（即冠梁位置未设置支撑或者锚索时）将计算长度两端的垂直方向冠梁或土体视为支座，按照均布荷载作用下简支梁抗弯刚度计算冠梁侧向刚度，如图2 所示。冠梁侧向刚度大小与长度、计算点位置、截面尺寸、材料性质有关。在冠梁截面尺寸和材料性质一定时，如果冠梁计算长度过长，则冠梁侧向刚度过小，则冠梁对中间位置支护桩的约束就变得很微小；反之在冠梁刚度绝对大时，则可认为冠梁计算长度范围内每根桩顶均存在一个无变形无转角的刚性约束如式（2）所示。因此在基坑设计使用时提高冠梁侧向刚度对控制桩顶变形有很大的有利影响。

图2 冠梁侧向刚度估算

式中，K-冠梁刚度估算值（MN/m）；a-桩、墙位置（m）；L-冠梁长度（m）；EI-冠梁截面刚度（MN·m2）；I 表示截面对 X 轴的惯性矩。

2.3 双排桩支护结构的抗倾覆验算

双排桩支护结构的抗倾覆验算与重力式挡土墙相同，将前排桩底部（即墙趾）视为不动点，被动土压力和桩土自重（即抗倾覆力）与主动土压力（即倾覆力）均对不动点取矩，抗倾覆力矩与倾覆力矩比值即为安全系数，如图3 所示。由于双排桩排间距受限因素较多，桩-盖梁-土自重在抗倾覆验算中的有利影响较重力式挡土墙要小得多。单独增加嵌固深度在地基土条件一般或较差时又可能降低安全系数，同时也不经济。针对双排桩支护结构抗倾覆受力特点，如何简单、有效、经济、合理解决抗倾覆问题，是双排桩支护结构设计的重要技术控制点［1］。

图3 双排桩抗倾覆稳定性验算

式中参数意义参见 《规程》 4.12.5 中规定。

2.4 前后排桩的沉降差

双排桩支挡结构整体受力模型与重力式挡土墙相同，将前排桩底部（即墙趾）视为不动点，要求此处地基承载力满足支挡结构偏心受压时最大基底压力要求。具体体现在双排桩刚架结构上时，即在水平荷载作用下，桩的内力除弯矩、剪力以外，还会产生较大轴力；前排桩处于偏心受压状态，后排桩处于偏心受拉状态。因此前、后排桩的沉降差值与双排桩整体稳定性和变形密切相关。在其他条件不变的情况下，桩顶水平位移、桩身最大弯矩随着前、后排桩沉降差值的增大成线性增加；同时抗倾覆安全系数随之降低。为减少前排桩沉降可采取如下几种措施：桩端选择强度较高的土层、控制孔底沉渣厚度、采用桩底后压浆工艺。这同样是双排桩支护结构设计的重要技术控制点。

3 工程案例

针对双排桩支挡结构受力特点及上文中提及的几个重要技术控制点，本文以一个实际工程案例来详细介绍双排桩支挡结构在基坑支护工程中的应用及注意事项。

3.1 工程概况

沈阳某项目基坑工程位于黄河大街与黄山路交汇处，紧邻沈阳地铁2 号线陵西站，车站处在运营阶段，地铁车站及附属结构采用C30 混凝土。项目基坑开挖深度 7.4m，11.6m 和 12.3m；陵西站B 出口结构最大埋深14.1m，地铁通道结构埋深10.8m，项目与地铁结构均采用天然地基。项目基础外边缘距离地铁预留地距离为6.5m，距离陵西站B 出口结构外边线距离为9.8m。陵西站B 出口开挖时采用钢筋混凝土排桩内支撑结构支护，B 出口内部设置一部超长扶梯，对于横向变形非常敏感。工程位置概况如图4 所示。

图4 项目基坑与地铁陵西站位置概况

3.2 工程地质条件

现场地形较为平坦，属浑河冲积阶地地貌单元，自上至下主要由杂填土、粉质粘土、中砂、粗砂、砾砂、圆砾及泥砾等组成。各土层物理力学性质描述见表1。现场地下水为二层，第一层为上层滞水，水位埋深0.5-4.5m，主要赋存在粉质粘土层之内；第二层为孔隙潜水，水位埋深为17.5～19.0m，主要赋存在砾砂层和圆砾层内。

表1 各土层物理力学指标表

3.3 设计重点

项目基坑设计的重点在于基坑开挖使用过程中如何保证地铁陵西站的正常运营，特别是B 出口主体结构及内部扶梯安全使用。按照要求地铁出口结构最大水平位移不得超过6mm，自动扶梯的横向变形不得超过0.2%，纵向变形不得超过3°。参考 2011 年“7·5”北京地铁四号线自动扶梯事故调查报告，地铁超长扶梯使用过程中上下两端水平位移差不宜超过2mm，否则有扶梯倒行的风险。项目要求基坑需要在二个月内完成开挖，地下结构在三个月内完成。另根据 《城市轨道交通结构安全保护技术规范》 要求，（CJJT202-2013）3.2.4 条要求，基坑支护桩距离地铁结构安全距离不小于5m，锚杆、锚索、土钉等距离地铁结构安全距离不小于6m。

如何在有限的区域内、在较短时间内完成基坑安全开挖，同时保证地铁正常运营是本次基坑支护工程设计实施的关键所在。

3.4 解决措施

根据现场实际情况，综合考虑各种限制条件，在无法采用内支撑、外锚拉和逆作法形式时，设计采用双排桩悬臂结构进行支护。经过计算常规双排桩支护结构无法满足工程要求，根据前文中关于双排桩计算模型特点的描述，设计时在如下几方面采取特殊处理措施以满足要求［2］。

（1）对前、后排桩之间力学性质较差土体进行处理，采用满布高压旋喷桩进行加固，提高桩间土体的压缩模量和土弹簧的水平刚度系数。经检测结果桩间土压缩模量可提高4-5 倍，如此可以较大加强双排桩与排桩间土体的协同工作，提高双排桩结构整体侧向抗弯能力，有效控制了支护结构变形。

（2）本段双排桩支护结构位于基坑开挖中间位置，支护形式和桩顶标高均与周边支护段均不同且不连接，如按照常规处理，则此处桩顶盖梁两端均属于自由状态，不能对桩顶位移形成有效约束。设计在桩顶盖梁两端远离地铁保护区位置设置数根大预应力锚索。通过加大钢绞线截面积，提高轴向拉力，提高锚索支点刚度，以此在盖梁两端形成有效水平约束，盖梁刚度计算时将锚索视为盖梁两端铰支座，缩小盖梁计算长度，提高水平侧向刚度。

（3）设计采用双排桩悬臂结构，最大开挖深度12.3m，常规计算双排桩整体抗倾覆安全系数不满足规范要求。为此设计采用跳仓法抽条开挖土方，每条土方开挖到坑底标高后超挖200mm，立即施工300mm 厚钢筋混凝土配筋垫层，待垫层混凝土达到设计强度后再抽条开挖剩余土方，如此相当于在基坑底部设置一道连续的刚性支撑，提高抗倾覆安全系数。

（4）为进一步提高悬臂双排桩结构的抗倾覆安全系数、控制桩顶变形，有效控制支护结构的整体变形，设计要求前排桩采用长螺旋钻孔压灌工艺施工，设计桩端持力层为中砂，同时在前排桩底安放后注浆管，并进行桩底后压浆施工，以控制前后排桩使用过程中的沉降差。

3.5 设计方案

按照上文中提及的设计重点和解决措施，采用双排桩悬臂结构通过理正深基坑设计软件进行设计计算。支护结构设计最大水平位移15.26mm，满足规范要求支护结构最大水平位移不超过0.15%h（即为 17.4mm），详见图 5；其他各项设计参数同样满足要求。设计剖、立面图参见图6、图7 所示。

图5 支护结构水平位移包络图

图6 双排桩支护结构剖面图

图7 双排桩支护结构立面图

3.6 复核验算结果

在双排桩支护结构设计计算之后，采用数值分析软件FLAC 3D 建立三维计算模型进行复核验算，分析预测基坑开挖施工过程中地铁结构的变形和内力的变化。在车站出口模型底部施加竖向位移约束，模型四周约束为各面的法向位移约束，地表为自由面。分析结果见图8～图10 所示。

图8 B 出口最大主应力

图9 B 出口沉降变形

图10 B 出口横向水平位移

经过数值分析，地铁陵西站B 号出入口结构所受最大压应力为3.02MPa，最大拉应力为1.24MPa，最大沉降变形2.25mm，最大隆起变形为0.75mm，横向水平位移最大值1.26mm。B 号出入口结构在双排桩悬臂结构支护状态下的压应力和拉应力均小于混凝土轴心抗压和轴心抗拉强度设计值，最大竖向变形小于其沉降控制标准，表明地铁结构在基坑开挖状态下的强度和变形满足规范要求。

3.7 实践效果

现场按照设计方案进行实施，支护桩均采用长螺旋压灌混凝土工艺施工，开挖时盖梁处预应力锚索施工位置存在地下障碍，将锚索竖向位置向下调整1.5m，同时加大轴向锚拉力。从开挖过程中监测和巡视数据上看，双排桩基坑支护结构安全、稳定，支护结构及地铁结构变形满足设计要求［3］。参见图11 所示。

图11 双排桩支护结构开挖效果图

4 结语

双排桩支护结构充分发挥了门式超静定刚架结构的受力优点，可以解决复杂环境基坑支护安全问题。

本文通过一个典型基坑支护工程项目，关于双排桩支护结构计算模型几个技术控制要点，分别针对采取有效技术措施，完成了复杂环境中深基坑的开挖支护，积累了理论基础和实践经验。