二元地层深基坑组合支护搭接部位变形分析及加强措施

王华强，刁志刚，卢金栋

（1.中铁隧道勘察设计研究院有限公司，广东广州511458；2.中铁隧道局集团有限公司，广东广州511458）

0 引言

二元结构是河流沉积物在垂直剖面上的结构。洪水期河流断面扩大，引起河漫滩洪水流速减小，洪水挟带的细粒泥沙，覆盖在河床沉积物上，形成下部为粗砂和砾石组成的河床沉积物，上部为细砂或黏土组成的河漫滩沉积物，构成下粗上细的沉积结构，叫“二元结构”。盾构施工领域对隧道埋深一般在10～30m之间，在该深度范围内的岩土均一性差，物理力学特性差异大，隧道围岩既有十分松软富水的淤泥质土、中细砂层，又有较坚硬的砂砾岩、花岗片麻岩、混合岩，以及介于上述两类岩土之间具有不同风化程度的软塑—硬塑状黏性土层。隧道断面地层的这种复合特性，其具体表现为：同一里程隧道横断面表现为上、下软硬不均，在隧道纵剖面上表现为软硬相间，通常称为上软下硬的“复合地层”。对基坑来讲，自上而下穿过不同的地层，上层软弱而下层坚硬，甚至有的上层还是水域，基坑在临时填筑岛的河床下方，这样借用上述两种术语可称为“二元地层”。

深基坑穿越水域及其下方的河床，通常用围堰加基坑的方式，围堰可以看作柔性支护抵抗水压力，下部的混凝土支撑与地下连续墙可看作刚性支护。这时的支护形式显然是不同的，刚柔形式易于区分；但基坑穿越上软下硬、上土下岩，采用围护桩加锚喷形成上刚下柔的组合支护体系，更加合理，这时的刚柔形式不太易区分。不过从变形大小来区分，都可以称为组合式支护；通过工程实践和理论计算发现，在组合支护结构中搭接部位的受力和变形有独特性质。

我国近20年间，在地铁深基坑设计施工方面积累了大量经验，围护结构总体向大刚度、整体性好、防渗漏强的地下连续墙、咬合桩等支护形式发展，采用地连墙（桩）加内支撑的支护形式成为主流，同时第一道支撑也由20世纪90年代的以钢支撑为主转变为混凝土支撑为主。而水域的围堰也由钢套箱、钢管桩向钢板桩发展，相关方面的研究也比较多，例如，张有祥[1]等强调了岩土交界面支护桩伸入岩层，桩端承载力的验算是关键点，同时指出了对于跨度大的基坑，临时中立柱的稳定性对基坑整体稳定性至重要，并且提出在同一支护面上应尽量采用相同的支护形式，当需要用两种刚度差别较大支护形式时，需要考虑二者的变形协调性；张涵[2]、徐飞飞[3]、袁钎[4]、陈乐意[5]、杨俊辉[6]等对吊脚桩、内外坑中坑相互影响等进行了论述，桩的入岩深度、岩肩的宽度和保护及内坑与外坑不同水平间距之间的相互影响，同时提出围护结构侧移影响率的概念；侯永茂[7]等认为大跨度双排钢板桩围堰具有明显的三维空间效应，围堰跨中附近侧向变形最大，拐角附近由于拱角效应变形最小等规律；傅立新[8]等发现对于填海围堰内基坑，地连墙可有效应对围堰后期沉降、深厚淤泥及承压水地层等复杂情况，实测混凝土支撑轴力大于三维计算结果与始发井周边注浆加固有关；邢振华[9]、雷莹[10]等对此类组合结构形式监测等也有总结。

综上，国内学者在二元地质基坑设计、吊脚桩、多种支护形式共同受力、混凝土支撑轴力预警、基坑变形、数值模拟等方面进行了大量研究与工程实践，对照实际监测分析了二元地层超深基坑吊脚桩加锚喷支护结构及围堰加深基坑组织支护结构变形规律。创新提出了无论是“上刚下柔”还是“上柔下刚”的组织支护，其刚柔搭接部位均需要加强设计，为此类工程提供了新的借鉴参考。

1 上刚下柔基坑组合支护

1.1 设计概况

某竖井作为盾构始发井，其内尺寸为35.00m×15.00m，结构总埋深41.45m。主体结构的施工采用明挖顺作法，基坑上部围护结构采用钻孔灌注桩+四道内支护方式，在基坑深度22.10m以下为岩石喷锚支护方式；基坑防水采用φ500mm单管旋喷桩桩间止水，钻孔桩直径1000mm间距1150 mm。第一道混凝土支撑断面600mm×900mm，另外3道都是800mm×1000mm，冠梁及最下道腰梁断面1000mm×1000mm，中间两道腰梁断面700 mm×1000mm。基坑平面布置如图1所示。

图1 基坑平面布置图

1.2 工程地质

＜1-1＞杂填土，＜2-1＞淤泥，N=1.0～3.0击，平均2.0击；＜3-1＞粉细砂层，N=4.0～13.0击，平均7.9击；＜4-1＞可塑粉质粘土，N=6.0～14.0击，平均9.3击；＜5-1＞全风化泥岩，岩石风化强烈，岩芯呈坚硬土柱状，遇水易软化，N=30.0～48.0击，平均38.6击；＜5-2＞强风化带，岩石风化强烈，岩芯多呈坚硬土柱状，半岩半土状，或3～5cm碎块状，岩质软，轻敲易断，遇水易软化，该带风化不均，带中常夹中风化岩，N=50.0～95.0击，平均59.6击；＜5-3＞中风化带，岩石裂隙稍发育～发育，裂隙多呈闭合状，泥钙质充填，裂面倾角多呈60°～80°，频度2～12条/m，岩芯多呈5～10cm扁柱状，部分碎块状或10～30cm短柱状，岩石风化不均匀，中风化带中常夹强风化夹层或微风化岩块，RQD一般小于50%，数值为3.54～10.85MPa，平均7.35MPa；＜5-4＞微风化带，岩石裂隙不甚发育～稍发育，多呈闭合状，泥钙质充填，岩芯较完整，多呈10～30cm短柱状，部分5～10cm扁柱状，偶见40～60cm长柱状，岩质较新鲜，RQD一般大于50%，以60%～90%为主，数值为6.80～18.10MPa，平均10.93MPa。

1.3 模拟计算与监测

按常规的计算方式，上部刚性支护部分采用理正软件计算，部分计算成果：计算模型见图2，柔性支护段开挖前支撑内力包络图见图3，分开计算轴力值及调整过程见表1。

表1 分开计算轴力值及调整过程kN

图2 计算模型图（单位：m）

图3 柔性支护段开挖前支撑内力包络图

监测点布置初定的轴力报警值：第一道支撑的直撑最大轴力设计值约为870kN；第二、三道支撑的直撑最大轴力设计值约为2100kN；第四道支撑的直撑最大轴力设计值，约为700kN。开挖过程对应的支撑轴力监测如图4所示。

从图4可以看出，在基坑不断向下开挖的过程中，第一道混凝土支撑轴力值在-310.7～2447.9kN之间，并随着时间的推移趋于稳定；其中ZL1-4监测点混凝土支撑主要承受拉力，所受最大拉力为310.7kN（3月20日），监测轴力值基本上趋于稳定，且均未超报警值。第二道支撑监测点ZL2-2～ZL2-6支撑轴力值在2265.3～5750.5kN之间，轴力值基本上趋于稳定，且均未超报警值。第三道支撑的ZL3-2，5，6监测点混凝土支撑轴力值在2853.8～6855.2kN之间，逐渐稳定；ZL3-3，ZL3-4监测点混凝土支撑轴力值逐渐增大，暂停施工后支撑轴力监测数据相对稳定，其最大值分别为21500.0，20676.1kN；结束施工后监测点ZL3-3和ZL3-4混凝土支撑轴力值分别为20925.6kN和19998.8kN。第四道支撑监测点ZL4-1～6混凝土支撑轴力值呈不断增加趋势，后期增加速率呈减小趋势；监测数据显示，ZL4-3测点混凝土支撑轴力最大值为26697.5 kN，超过红色预警值21999.90kN，ZL4-4测点混凝土支撑轴力值最大值为20493.9kN。

图4 各支撑轴力变化2015年历时曲线图

从软件计算的情况分析，变形与设计之初相同，与实际开挖过程监测结果也大体一致。目前类似的基坑实际已经非常多。如果把刚性支护的变形与柔性部分的变形分开考虑，就会影响第四道支撑的配筋和断面选择。

2 上柔下刚基坑组合支护

2.1 案例一

2.1.1 设计概况

堰筑段主线隧道基坑起始里程K6+550.000～K7+040.000，总长490.00m；宽46.200～74.200m；F匝道隧道基坑起始里程FK1+265.000～FK1+328.391，总长63.391m，宽16.800～17.383m；G匝道隧道基坑起始里程GK0+329.207～GK0+485.000，长155.793m，宽12.450～16.350m。采用明挖顺筑法施工。平面、横剖面图分别见图5，6。

图5 隧道基坑平面图

图6 隧道横剖面图

堰筑段围堰沿隧道轴线长560.500m。围堰为施工临时建筑物，等级为4级，围堰全长1393.400m，一次实施，围堰东侧最大宽度约为206.000m，西侧最大宽度约为116.000m。采用双排钢板围堰。围堰堰宽10.000m，堰体标高+3.00m，外侧钢板桩顶标高+6.00m，钢板桩型号为U型750.0mm×225.0mm×14.5mm，钢材为Q390BZ，内外排钢板桩之间采用钢拉杆连接，钢材为Q345B，拉杆直径60.0mm，间距1.50m，中心标高2.00m。外排钢板桩内侧设置L型扶壁式挡墙，墙高2.00m，厚200.0mm，沿围堰轴线方向每1.5m设置一道扶壁，扶壁厚150.0mm。扶壁式挡墙与内排钢板桩之间采用400.0mm×500.0mm纵横混凝土梁连接，横梁间距3.00m。围堰迎水侧为避免坡底冲刷，设砂肋软体排，软体排上覆盖一层250.0mm厚袋装碎石，上覆块石抛石层。围堰背水侧设置反压土坡，坡面采用模袋混凝土防护。主线隧道基坑围护结构主要采用1000.0mm厚地连墙。其中，主线隧道K6+550.000～K6+886.000基坑开挖深度为12.710～16.597m，第一道为1000.0mm×1000.0mm混凝土支撑，第二道为1200.0mm×1200.0mm混凝土支撑，第三道为φ800钢支撑，另外在第二道混凝土支撑与第三道钢支撑之间增加一道φ800钢换撑。第一道混凝土支撑与地连墙顶1400.0mm×1000.0mm冠梁相连，第二道混凝土支撑两端设1200.0mm×1200.0mm混凝土围檩，钢支撑支撑在双拼H700.0mm×300.0mm钢围檩上，基坑内采用φ1000灌注桩+610.0mm×610.0mm格构柱减跨。基坑底部采用φ850@600搅拌桩抽条+裙边加固。

2.1.2 理论计算及监测

理论计算模型见图7，计算结果为反压坡水平位移12.57cm，钢板桩最大水平变形15.48cm。实际监测与之相差不大，监测结果见图8。

图7 计算模型

图8 监测结果

2.2 其他案例设计及施工

某通道目前是中国最长的湖底隧道，全长10.6km，宽60.00～70.00m，其中穿东湖隧道长5.0 km，采用围堰明挖法，即先在湖中修筑围堰，再抽干围堰内的湖水，然后往下挖掘10.00～14.00m，接着浇筑隧道，浇筑好后回填黏土，并拆除围堰，回水还湖。双边围堰，钢板桩距隧道结构外边线的距离为20.00～50.00m，钢板桩围堰净宽7.00 m，外轮廓线之间的距离为8.00m，堰体采用黏性土填筑。断面图见图9。另外类似工程断面见图10，11。

图9 上柔下刚基坑典型断面图

图10 基坑第一道是钢支撑典型断面图

3 对照分析

上刚下柔基坑工程处于安全稳定状态，但第三、四道支撑轴力伴随锚喷段的开挖深度增加而大幅度增加说明基坑上下之间有密切联系。但是设计预警和极限预警2个值，多级预警更加合理可行，通过理论计算和实际施工，分别按设计工况下的支撑轴力设计值作为第一预警值N1，用来反映实际施工与设计的吻合程度；另外采用支撑的极限承载力的80%（预留20%安全系数）做为第二预警值N2，反映支撑结构的安全状态。除外温度、监测技术等通常原因外，分开算与整体算综合分析法是现阶段最接近实际的理论方法。因岩土工程的复杂性，还需要更加深入地研究。

上柔下刚基坑施工过程处于安全稳定状态，同时对比发现，在对上下搭接位置进行刚度加强后，围堰变形大大减小，下部基坑变形影响不大。对于图10，11中未进行加强的基坑，上部围堰变形可达982.0mm。

图11 基坑无支撑典型断面图

4 结语

1）桩锚撑组合支护时，由于锚杆属于柔性支护，内支撑为刚性支护，二者协同变形比较复杂，但总体上会增加刚性部分的内力，表现出来就是支撑轴力增大。文中搭接部位混凝土支撑轴力大大超出设计的理论计算值，而且随着喷锚段陆续下挖呈逐渐增大趋势，在挖到设计底标高前3.00m时前后开了6次分析会，只能临时封底，最后采用上部加撑下部提前临时封底再做抗拔桩的措施。

2）基坑无刚度大的支撑或单纯的围堰，其变形均是480.0～750.0mm数量级，甚至有982.0mm的较大变形，当围堰与连续墙形成组合式支护体系时，把围堰看作柔性支护，通过分开建模和整体建模，互补协调刚柔性之间的变形关系，得出补偿轴力值及限制变形量。分开计算时，把搭接部位设置为刚度铰进行计算与实际更接近。通过上柔下刚案例一施工过程分析，对搭接部位的第一道混凝土支撑进行适当加强（中间增加板撑，既做便道又提升了整体刚度），这对控制变形非常有利，同时围堰实际变形与理论计算基本一致。与类似情况相比，围堰变形量大大减少。

3）鉴于当前岩土工程设计理论的不完善及实践经验的欠缺，吊脚桩支护系统、围堰加基坑支护体系等理论尚未成熟，计算模型尚不完善，设计工作至今仍采用以经验为主的半理论、半经验设计方法，工程的实施须以信息化施工作为重要手段，以达到验证并改进设计推进刚柔组合体系设计理论发展的目的。多个实际工程证明了对搭接部位的适当刚度加强是非常必要的，这一经验既可以指导实践又可以促进理论研究的发展。