岚山隧道明挖深基坑围护结构安全评估

【摘要】

以日照市厦门路岚山隧道明挖深基坑为工程依托，从地质、工期、安全等角度考虑，对基坑围护结构进行了设计优化。围护结构原设计为800 mm排桩+横撑的组合支护形式，考虑施工便捷性，将围护结构优化为双排325 mm钢管桩与锚索的组合结构，将明挖深基坑改为敞口施工。从计算结果分析来看，两种支护方式的结构位移和受力都满足要求，由刚性联系梁和前后排桩组成的超静定结构的钢管桩整体刚度更大，且前后排桩可形成与侧压力反向作用力偶，使双排桩具有更强的抵抗变形能力，结构受力更为合理。

【关键词】深基坑； 围护结构； 土体位移； 安全评估

【中图分类号】TU94+2【文献标志码】A

［定稿日期］2024-10-15

［作者简介］刘新华（1976—），女，本科，工程师，从事安全管理工作。

0 引言

为保证深基坑开挖安全，深基坑围护结构通常采用钻孔灌注桩+混凝土支撑+钢支撑（钢换撑）的支护形式。当基坑开挖较深时，多道内支撑反复安拆无疑会影响施工进度。受周边环境、场地条件、施工工期、建设投资、地质条件等多因素影响，越来越多的学者对基坑围护结构的型式展开了研究，如刘红军等［1］开展了加锚双排桩与“吊脚桩”的研究，提出了合理的排距和桩刚度。易顺等［2］对内撑式基坑围护结构水平变形进行了研究，提出了基坑变形曲线函数和指标体系。王延明［3］考虑安全、经济、适用等原则，对比了多种基坑支护形式，为基坑工程设计提供指导。赵文强［4］以青岛地铁为依托，针对上软下硬地质中的吊脚桩展开了研究，提出了上部采用桩与支撑组合结构，下部喷锚支护组合形式。

本文以日照厦门路岚山隧道明挖深基坑为工程依托，针对深基坑围护结构的安全性进行评估，为以后的类似工程提供设计、施工借鉴经验。

1 工程概况

本项目为山东省日照市岚山区与市区连接线三期（厦门路南延）工程，为厦门路的一部分。

本项目全长4.366 km，采用双向六车道一级集散公路标准建设，设计速度为60 km/h，主线路基标准宽度25.5 m，隧道净宽2×13.25 m，隧道净高5.0 m。辅道设计速度按照40 km/h，单侧辅道宽度13.5 m，辅道外侧设置绿道和人行道。

根据地质调绘及钻探揭露，隧址区覆盖层为第四系全新统人工填土（Q4 ml）填筑土和坡积（Q4dl）粉质黏土，填筑土厚度约0～2.8 m，主要分布在出口段，粉质黏土厚度0～2.6 m，主要分布在隧道上方，下伏基岩为新元古代铁山序列（γ23）片麻岩。

岚山隧道基坑东西两侧分布有实验小学、实验幼儿园、住宅小区等建筑物，地表分布有大量管线，周边条件不允许放坡开挖，围护结构采用排桩支护，基坑岩石坚硬，排桩施工功效低（图1）。

2 深基坑围护结构设计情况

2.1 原设计情况

隧道明挖段深基坑距离小学主教学楼最小距离仅为11.5 m，隧道距离小区住宅楼10.6 m，为减少对周边居民及学生的正常活动的影响，以及确保建筑物的安全，该基坑支护方案主要采用排桩+横撑支护（图2）。

该支护结构由支护桩体和内支撑体系两部分组成。桩径800 mm，间距为1.0 m，冠梁尺寸1.0 m×1.0 m，止水帷幕土层段采用高压旋喷桩，岩层段采用深孔注浆方式，采用单排48 mm袖阀管，间距为1.0 m。

支护墙体采用钢筋混凝土排桩墙，内支撑体系采用水平多层支撑，第一道采用钢筋混凝土支撑，以下均采用钢支撑。钢筋混凝土支撑其优点就是刚度大，变形小，布置灵活，而钢支撑的优点是可重复使用，施工速度快，且可施加预压力。

2.2 支护方案优化

经补勘发现，该区域上部地层为素填土、杂填土等松散土体，下部地层为强-中风化片麻岩，灌注桩体下端嵌入基岩中，施工难度大，效率低。基坑开挖时，若是桩体与内支撑的组合形式，内支撑频繁安拆更换也会降低施工效率。

为尽量减少对学校正常教学活动影响，借鉴青岛地铁施工经验，提出了一种优化的支护方案。

基坑下部基本为中-微风化片麻岩时，采用“吊脚桩”支护形式。“双排钢管桩-吊脚桩”+锚索结构，桩径325 mm（t=16 mm），桩间距0.6 m，排距1.5 m，岩台宽度1.0 m，采用L型锁脚腰梁，桩端嵌入中风化岩石0.3h（h为岩台以上基坑深度）且不小于2.0 m，冠梁尺寸为0.5 m×0.6 m。基坑下部采用168 mm钢管桩，间距1.0 m，嵌固深度为2.0 m，采用22 mm砂浆锚杆，长5.0 m，间距1.5 m×1.5 m，梅花形布置，如图3所示。止水帷幕采用深孔注浆方式，采用三排50 mm 注浆钢花管，间距1.5 mm×1.5 m，梅花形布置。

如图4所示，基坑开挖范围内无中-微风化片麻岩时，采用双排钢管桩形式落底。双排钢管桩与锚索结构，桩径325 mm（t=16 mm），桩间距0.6 m，排距1.5 m，冠梁尺寸为0.5 m×0.6 m。止水帷幕采用深孔注浆方式，采用三排50 mm 注浆钢花管，间距为1.5 m×1.5 m，梅花形布置。

3 明挖深基坑安全评估

3.1 钢管混凝土桩刚度分析

根据截面等刚度计算原理，将钢管与混凝土组合成一个单元，组合截面的EA、EI按照式（1）、式（2）进行计算：

EA=ECAC+ESAS（1）

EI=ECIC+ESIS（2）

式中：EA为钢管混凝土压缩和拉伸刚度；EI为钢管混凝土的弯曲刚度；EC为混凝土的弹性模量；AC为混凝土的截面积；IC为混凝土的惯性矩；ES为钢管的弹性模量；AS为钢管的截面积；IS为钢管的惯性矩。

325 mm 壁厚16 mm的钢管桩刚度：

EI=E1I1+E2I2=E1π（D4-d4）/64+E2πd4/64=48×106N·m2等效刚度C30钢筋混凝土桩基直径为：

d=464EI/E2π=0.42 m

参照JGJ120-2012《建筑基坑支护技术规程》，按照平面刚架结构模型计算双排桩结构。

3.2 围护结构计算分析

依据JTJ120-2012《建筑基坑支护技术规程》，采用基于弹性地基梁弹性抗力法来考虑前后排桩相互作用的模型分析双排桩，选择典型断面计算，如图5所示。

根据地勘报告，计算参数见表1。支护采用5道锚索，锚索的具体参数信息如表2所示。

3.3 计算结果

分别对原设计方案和优化后的设计方案进行计算分析，计算包络见图6。

（1）桩体位移。双排325 mm钢管桩支护方案基坑最大水平位移量为7.98 mm，单排800 mm混凝土灌注桩支护方案基坑最大水平位移量为6.82 mm，两种工况下均满足基坑位移的要求。

（2）桩体受力。双排桩方案前排桩的正负最大弯矩为25.13 kN·m、22.90 kN·m，单排桩的正负最大弯矩分别为35.66 kN·m、87.81 kN·m，对比来看，双排桩的受力更为均匀。

有计算结果可知，虽然钢管桩桩径较小，但其受力机理优于单排桩，由刚性联系梁和前后排桩组成的超静定结构整体刚度大，且前后排桩可形成与侧压力反向作用力偶，使双排桩具有更强的抵抗变形能力。

3.4 现场实测数据

如图7所示，通过现场监测数据及数值计算分析可以发现基坑顶部的桩体水平位移最大，最大位移值为5.81～6.25 mm。

4 结论

（1）基坑外地表竖向沉降远小于桩身水平位移，表明排桩支挡起到支护效果，且锚索的锚拉作用下，能进一步降低基坑开挖导致的地表沉降，提高基坑的整体稳定性。

（2）基坑以水平变形为主，且在锚固加强作用下，有效减少基坑可能出现的变形，进一步提高了基坑稳定性，监测数据均在设计要求之内，说明支护可靠。

（3）钢管桩及锚索的组合支护形式将基坑施工变为敞口式施工，可提高施工效率，缩短工期。

参考文献

［1］ 刘红军，李东，张永达，等.加锚双排桩与“吊脚桩”基坑支护结构数值分析［J］.岩土工程学报，2008，30（S1）：225-230.

［2］ 易顺，陈健，潘家军，等.内撑式基坑围护结构水平变形的表征函数研究［J］.岩土力学，2024，45（S1）：568-578.

［3］ 王延明.某项目中的深基坑围护结构施工与优化方案［J］.城市建设理论研究（电子版），2024（24）：136-138.

［4］ 赵文强.上软下硬复合地层条件下深基坑支护设计探析［J］.隧道建设，2014，34（2）： 153-157.