0 引言
目前，我国地铁正处于大规模建设时期，为带动周边经济发展，地铁结合周边物业开发的工程越来越多。明挖法是修建地铁车站的主要方法之一，由于周边物业的开发，地铁基坑周边环境变得愈加复杂，支护方法也相应面临新的挑战。双排桩支护结构是由前后两排钢筋混凝土桩及桩顶刚架梁形成的一种空间门架式结构体系，刚架梁刚度和排距是影响双排桩性能的关键［1 － 5］。申永江等［6］研究锚索双排桩与刚架双排桩的内力分布，结果表明锚索双排桩前后两排桩的内力分布差异十分明显，而刚架双排桩前后两排桩的内力分布相近; 陈国强［7］结合北京市第五广场基坑工程，利用与其相邻既有基坑的桩锚支护作为新建基坑排桩支护的背拉结构体系，成功解决了新建基坑的支护问题; 黄凭［8］对带有竖向锚索的双排桩支护结构进行研究，结果表明竖向锚索的预应力越大，控制基坑位移和周边地表沉降的效果越好; 何颐华等［9］通过室内模型试验及现场实测，提出一种双排护坡桩内力、变形及土压力分布的简化计算方法。以上关于双排桩支护结构的研究都是针对单侧土体开挖的情况，而对两侧土体同时开挖条件下双排桩支护结构的研究并不多。本文结合青岛地铁3 号线双山站1 号出入口基坑及与其紧邻的凯德商业建筑基坑工程，针对两基坑同时开挖的情况，提出一种类似双排桩( 简称似双排桩) 的支护结构形式，并辅以对拉杆体、斜向锚索和竖向锚索，形成似双排桩+ 锚索支护体系，来解决该特殊条件下基坑的支护问题。
1 工程概况
青岛地铁3 号线双山站位于合肥路与黑龙江路交叉口，沿黑龙江南路布置，结构形式为双层双跨箱型框架结构体系。车站总长度为251． 0 m，宽18． 8 ～ 20． 8m，高13． 2 ～ 14． 4 m，顶板覆土南深北浅，最深处4． 10m，最浅处2． 62 m，采用明挖法施工。车站共设4 处出入口，其中1 号出入口出地面部分位于黑龙江南路与合肥路交叉口的西南侧，该出入口西侧为拟建凯德商业建筑。1 号出入口范围内车站主体围护结构采用钻孔灌注桩+ 钢管撑+ 锚索混合支撑体系。凯德建筑基坑与1 号出入口基坑需同步施工，两基坑间独立土柱采用双排钻孔灌注桩+ 锚索支护。出入口与凯德商业建筑间有新建雨水暗渠，暗渠的尺寸为5 m( 宽) × 3 m( 高) ，与1 号出入口结构及凯德商业建筑地下室结构的距离分别为2． 75 m 和3． 00 m。双山站、1 号出入口、凯德商业建筑基坑及雨水暗渠的相对位置关系见图1。
图1 基坑平面布置图( 单位: mm)
2 工程地质条件
根据岩土工程详勘报告，场地地貌类型为山前侵蚀堆积坡地，场地地势较平坦，根据钻孔孔口标高统计，地面标高为25． 70 ～ 33． 26 m，最大高差7． 56 m。场地范围内地层自上而下分别为①杂填土、⑦粉质黏土、瑏瑢砾砂、瑏瑦强风化花岗岩和瑏瑧中风化花岗岩。场地地层参数见表1。
表1 岩土物理力学参数
场地地下水类型按赋存方式分为第四系松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水2 类，其余粉质黏土层、全风化岩及微风化岩富水性差，可视为相对隔水层。潜水主要赋存于瑏瑢砾砂层，属弱—强透水层。风化岩裂隙水主要赋存于瑏瑦强风化花岗岩和瑏瑧中风化花岗岩中。
3 基坑支护设计
该基坑工程主要有以下特点: 1) 1 号出入口及凯德商业建筑基坑开挖前，双山站主体结构基坑已回填完毕。1 号出入口基坑邻近车站侧现有1 排钻孔灌注桩，为车站主体围护结构的支护桩。2) 1 号出入口基坑深10． 37 m，凯德商业建筑基坑深20． 24 m，基坑深度均较大，属于深基坑范畴。3) 1 号出入口基坑与凯德商业建筑基坑间有混凝土雨水暗渠，暗渠尺寸较大，距离出入口和凯德地下室结构较近，且该暗渠无法进行迁改。
根据以上特点，经过方案论证，确定在1 号出入口与凯德商业建筑中间土柱两侧各打设1 排钻孔灌注桩，为增加支护结构整体刚度，桩顶设置刚架梁，组成类双排桩支护结构体系，钻孔桩直径1 000 mm，间距1 500mm，桩顶冠梁尺寸为1． 0m( 宽) × 0． 8m( 高) ，刚架梁尺寸为1． 0 m( 宽) × 1． 0 m( 高) 。为稳定桩间土体，在标高22． 5 m 位置处设1 道对拉杆体。
凯德商业建筑侧基坑较深，中下部采用斜向锚索支护，在标高20． 0 m 和17． 5 m 处各设置1 道斜向锚索，锚索水平间距为1． 5 m。钻孔灌注桩下部进入中风化花岗岩，采用吊脚桩形式，吊脚桩嵌固深度为3． 0m。底部采用板肋式锚索挡墙支护体系，为吊脚桩提供稳定支撑。立柱尺寸为0． 4 m( 长) × 0． 3 m( 宽) ，嵌入岩体深度为0． 1 m; 钢管桩采用的钢管直径为168mm，壁厚8 mm，水平间距为750 mm。
1 号出入口基坑邻近车站主体结构侧利用既有钻孔灌注桩作为支护桩，另一侧利用独立土柱中的钻孔灌注桩。为平衡车站上覆土层及肥槽内土体产生的侧向土压力，在冠梁处架设1 道钢支撑，钢支撑采用双拼工25b 型钢，水平间距为3． 0 m。为了防止两基坑间独立土柱发生倾覆，在远离车站主体结构侧钻孔灌注桩中打设1 道竖向锚索，竖向锚索水平间距为1． 5 m。
基坑锚索设计参数及基坑支护剖面分别见表2 和图2。
表2 锚索设计参数
图2 基坑支护剖面图( 单位: mm)
4 基坑支护计算
4． 1 朗肯土压力理论适用性验证
由图2 可知，1 号出入口与凯德商业建筑两基坑间所夹土体为有限土体，采用朗肯土压力公式进行计算是否合适取决于土体滑裂面是否在有限土体宽度范围内，若超过有限土体宽度，则常规土压力的计算方法不再适用［5］。
对于半空间无限土体，当假定桩背直立，桩后填土面水平时，根据朗肯土压力理论计算得到的桩后土体的剪切破坏面与竖直面的夹角为( 45° － φ/2) ，其中φ为基坑底部以上土层内摩擦角加权平均值。根据本工程基坑地层物理力学参数，计算出邻近1 号出入口侧和凯德商业建筑侧基坑底部以上土层内摩擦角加权平均值分别为25． 6°和38． 6°。邻近1 号出入口侧，基坑顶部土体滑裂面至基坑边缘的距离B1 = H1 tan( 45° －φ1 /2) = 10． 37 × tan( 45° － 25． 6° /2) = 6． 53 m，小于有限土体宽度6． 55 m。故该侧支护桩主动土压力可采用朗肯土压力理论进行计算; 邻近凯德商业建筑侧，基坑顶部土体滑裂面至基坑边缘的距离B2 = H2 tan( 45° － φ2 /2) = 13． 92 × tan( 45° － 38． 6° /2) = 6． 70 m，略大于有限土体宽度6． 55 m。此时应按照有限土体土压力理论进行计算。前人对有限土体土压力计算方法进行了大量研究［10 － 15］，但尚未形成统一认识，普遍认为有限土体主动土压力小于朗肯主动土压力。为安全起见，该基坑稳定性仍然采用朗肯土压力理论进行计算。
4． 2 计算分析
结合基坑场地所处工程地质和水文地质条件，基坑可能产生的破坏形式主要有: 1) 凯德商业建筑基坑侧和1 号出入口基坑侧单排桩支护结构滑动、倾覆及隆起; 2) 双排桩+ 锚索支护体系整体滑动和倾覆。因此，对凯德商业建筑侧和1 号出入口侧基坑分别进行单排桩稳定性、抗倾覆和抗隆起验算，并对中间土柱支护体系进行整体滑动稳定性和抗倾覆验算，以保证两侧基坑的安全。
4． 2． 1 凯德商业建筑侧基坑计算
邻近凯德商业建筑侧基坑支护桩的上部吊脚桩段和下部挡墙段分成2 个支护模型进行计算。上部吊脚桩段按照桩锚结构支护模型，计算深度至锁脚腰梁处，认为吊脚桩进入稳定地层，采用弹性支点法进行计算;下部挡墙段按照板肋式锚索挡墙支护体系，采用弹性支点法进行计算。
4． 2． 1． 1 上部吊脚桩计算
基坑深13． 92 m，采用钻孔灌注桩+ 锚索( 刚架梁) 支护形式，自上而下设刚架梁1 道、对拉杆体1 道、斜向锚索2 道。计算采用理正深基坑软件，计算模型及计算结果见图3 和图4。
图3 上部吊脚桩计算模型( 单位: m)
图4 上部吊脚桩基坑内力和位移包络图
通过计算可知，基坑支护结构最大水平位移为8． 79mm，小于0． 2%H2，且均小于30 mm; 地表最大沉降量为17 mm，小于0． 15%H2，满足变形控制要求。第1 道刚架梁的轴力标准值为145． 05 kN，第2 道对拉杆体的拉力标准值为292． 83 kN，第3、4 道锚索的拉力标准值分别为284． 37、266． 56 kN。嵌固段基坑内侧土反力为228． 22 kN。整体滑动稳定系数Ks1 = 3． 04≥1． 35; 抗倾覆稳定性系数为Kc1 = 1． 74≥1． 25; 抗隆起安全系数Kb1 =174． 19≥1． 8。各项稳定性验算均满足JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》要求。
4． 2． 1． 2 下部锚索挡墙计算
下部挡墙段计算深度为6． 32 m，采用板肋式锚索挡墙支护形式。自上而下设锁脚锚索1 道、斜向锚索2 道。计算过程中，立柱按照支撑于刚性锚索上的连续梁进行计算，下部按固定端考虑。上部吊脚桩段重力换算成土柱作为下部挡墙的外部荷载，土柱荷载取260 kPa。计算模型见图5。
图5 下部板肋式锚索挡墙计算模型( 单位: m)
通过计算，挡墙的稳定性系数为1． 92，大于1． 25，满足GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》要求。
4． 2． 2 1 号出入口侧基坑计算
1 号出入口基坑深10． 37 m，采用钻孔灌注桩+ 锚索( 刚架梁) 支护形式，自上而下设刚架梁1 道、对拉杆体1 道。按照常规桩锚体系，采用弹性支点法进行计算。采用理正深基坑软件计算，计算模型和计算结果见图6 和图7。
图6 1 号出入口侧基坑计算模型( 单位: m)
图7 1 号出入口侧基坑内力和位移包络图
通过计算可知，第1 道刚架梁的轴力标准值为132． 67 kN，第2 道对拉杆体的拉力标准值为297． 38kN。嵌固段基坑内侧最大土反力为290． 0 kN。基坑支护结构最大水平位移为6． 70 mm，小于0． 2% H1，且均小于30 mm; 地面最大沉降量为12． 00 mm，小于0． 15%H1，满足变形控制要求。整体滑动稳定系数Ks2 = 2． 61≥1． 35; 抗倾覆稳定性系数为Kc2 = 2． 54≥1． 25; 抗隆起安全系数Kb2 = 206． 39≥1． 8。各项稳定性验算均满足JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》要求。
4． 2． 3 整体滑动稳定性验算
将似双排桩支护结构及中间土柱视为整体，对其整体滑动稳定性进行验算，由于对拉杆体位于滑裂面内，验算中可不考虑对拉杆体的作用。采用理正深基坑软件计算，计算模型见图8。
通过计算可知，基坑整体滑动稳定系数Ks3 =5． 38，大于1． 35，整体滑动稳定性满足JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》要求。
4． 2． 4 整体抗倾覆稳定性验算
将似双排桩支护结构及2 排桩所夹土体视为整体，对其整体抗倾覆稳定性进行验算。抗倾覆稳定性验算时，以凯德商业建筑基坑侧钻孔灌注桩桩底作为矩心O，作用在支护结构上的所有荷载对矩心取矩，以抗倾覆力矩与倾覆力矩之比来衡量抗倾覆稳定性，比值定义为抗倾覆安全系数K。独立土柱支护结构整体抗倾覆稳定性计算模型见图9。
图8 独立土柱整体滑动稳定性计算模型( 单位: mm)
图9 独立土柱支护结构抗倾覆稳定性计算模型( 单位: mm)
不考虑竖向锚索作用时，抗倾覆稳定性系数
式( 1) —( 2) 中: Mk、Mp分别为支护结构抗倾覆力矩、倾覆力矩标准值，kN•m; N1为钢支撑轴向压力标准值，kN; N2、N3分别为第3、4 道锚索水平轴向拉力标准值，kN; N4为竖向锚索轴向拉力标准值，kN; Epk1、Epk2分别为1 号出入口、凯德商业建筑侧挡土构件嵌固段被动土压力标准值，kN。
N1、N2、N3、N4、Epk1、Epk2分别取为198． 1、284． 37、266． 56、690．8、290．0、228．22 kN。代入式( 1) 和式( 2) 计算，由计算结果可知: 考虑竖向锚索作用时，基坑独立土柱支护结构抗倾覆稳定性系数为2． 001，大于1． 25，满足抗倾覆稳定性要求; 不考虑竖向锚索作用时，抗倾覆稳定性系数仅为0． 864，不满足抗倾覆稳定性要求。因此，竖向锚索对支护结构抗倾覆作用较大。
5 基坑监测
为掌握基坑开挖过程中围护结构及雨水暗渠变形情况，对基坑进行了全过程、全方位监测，并建立了预警机制，及时预测和反馈，用于调整设计、指导施工。该工程基坑监测等级为一级，监测项目主要包括支护桩顶部水平位移和竖向沉降、锚索轴力、钢支撑轴力、地表沉降以及雨水暗渠沉降等。
监测数据显示: 双排桩+ 锚索支护段围护桩桩顶最大水平位移为7． 20 mm，桩顶最大沉降为4． 63 mm;地表最大沉降为5． 26 mm; 雨水暗渠最大水平位移为1． 41 mm，最大沉降为2． 62 mm。以上各值均在变形控制值范围内，且围护结构及雨水暗渠在施工期间均未发生异常情况。
6 结论与讨论
1) 针对两邻近基坑同时开挖且两基坑间雨水暗渠无法迁改的情况，提出一种似双排桩+ 锚索支护体系。为保证围护结构受力平衡及其变形满足要求，上部结构杆体采用对拉形式，下部结构锚索采用斜向形式。
2) 似双排桩+ 锚索支护体系中竖向锚索对基坑抗倾覆作用较大，在类似设计中，若基坑抗倾覆稳定性不满足要求，可增设竖向锚索。
3) 监测结果表明，基坑支护结构、地表沉降及雨水暗渠等变形均较小，满足变形控制要求，证明似双排桩+ 锚索支护方案合理可行。
4) 本文主要采用朗肯土压力理论，建立二维平面模型进行基坑稳定性计算。后续可采用有限元软件建立基坑三维模型，对支护结构变形、锚索内力、周边地面沉降等进行研究，以便更好地指导实践。
摘自：隧道建设