第 32 卷增刊 1 岩土力学 Vol.32 Supp.1 2011 年 4 月 Rock and Soil Mechanics Apr. 2011 文章编号 :1000-7598 (2011) 增刊 1-0619-05 土岩结合条件下深基坑支护方式研究 朱志华 1, 刘涛 1,2, 单红仙 (1. 中国海洋大学环境科学与工程学院, 山东青岛 266100;2. 中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室, 山东青岛 266100) 1,2 摘要 : 以青岛地区 上部土层 下部岩层 的土岩结合地质条件为背景, 对该地区深基坑支护方式进行总结, 得出土层桩锚与岩层喷锚相结合的主要支护形式 选取青岛地区两个典型深基坑 青岛地铁李村站为实例, 对该地铁车站基坑变形进行数值模拟 结果表明 : 桩锚 喷锚 内支撑相结合的支护体系在青岛地区具有很好的实用性, 尤其在控制基坑水平位移 围护桩内力及周边地表沉降等方面效果明显, 这将为青岛地铁后续工程设计提供有效指导, 并为类似土岩结合地区深基坑支护设计提供借鉴 关键词 : 土岩结合 ; 深基坑支护 ; 数值模拟 ; 变形控制中图分类号 :TV 551.4 文献标识码 :A Study of supporting type for deep foundation pit in areas of rock and soil ZHU Zhi-hua 1, LIU Tao 1, 2, SHAN Hong-xian 1, 2 (1. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao, Shandong 266100, China; 2. Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao, Shandong 266100, China) Abstract: Upon rock-soil combinational geological condition in Qingdao, a summary is made to know the main supporting type for deep foundation pit in the area; and draw the conclusion that piled anchor in soil and anchor bolt shotcrete in rock are in common use in such deep foundation pit. Taking two typical deep foundation pits of Licun station in Qingdao metro for examples, finite element method is used to do simulation calculation of the station foundation pits; and it is surely proved that pile-anchor and braced structures are well used in the area, especially in controlling horizontal deformation, the pile internal force and surrounding settlement. The work will greatly help the latter metro design in Qingdao metro construction and provide many ideas for the construction in similar geological conditions. Key words: rock-soil combination; supporting structure of deep foundation pit; numerical simulation; deformation control 1 引言 土岩结合基坑一般指整个基坑开挖深度范围内 上部为土层, 下部为岩层的基坑 由于下伏基岩强 度高 稳定性好, 尤其是中风化岩以下部位具有很 好的边坡自稳能力和竖向承载能力, 所以继续沿用 上部土层支护方式不经济, 且土层支护施工工艺在 岩层中会遇到一些问题 为此许多学者将土层与岩 层支护技术分别进行研究, 以达到经济性与合理性 的有机结合 2 土岩组合地区基坑主要支护方式 [1] 朱祥山 刘红军等以青岛某超高层建筑基坑 开挖支护设计为例, 对青岛地区 嵌岩 基坑设计方 法进行研究 综合考虑变形控制 经济性及周边环 境等因素, 建议基坑支护工程采用上部桩锚结构和 下部锚喷结构组成的复合土钉墙组合支护模式 同 时, 根据土层开挖不同阶段, 当基坑开挖至中风化 花岗岩界面时, 采用高预应力锚拉构件替代原排桩 被动区土压力, 解决吊脚桩边坡的稳定性 [2] 李华杰 史晓军等对青岛某大厦工程 ( 开挖 深度 23 m) 进行研究, 针对岩土结合地质条件 周 边复杂的环境及狭小的场地条件, 建议深基坑采用 上部桩锚 下部喷锚的深基坑围护及无放坡开挖技 术, 并在岩土结合面处的坡面上设置锚板墙来加强 支护桩桩脚的嵌固 [3] 预应力锚板墙支护结构也是较适合岩层基坑 开挖的应用型技术 ( 见图 1), 它充分利用岩土层自 收稿日期 :2011-02-14 第一作者简介 : 朱志华, 女,1986 年生, 硕士, 主要从事岩土与地下工程研究 E-mail:smallpig_012@163.com
620 岩土力学 2011 年 身或预处理的局部的稳定性, 随基坑开挖分层挂钢 筋网喷射混凝土, 以避免土层碎片及岩石边坡小型 节理破碎滑塌, 并把土压力传给锚板, 由锚杆集中 受力, 通过锚杆的锚固力平衡土压力 形成一个桩 锚结构近似的整体支护系统, 起到限制基坑位移的 作用 图 1 预应力锚板墙支护结构 Fig.1 Prestressed anchor board support structure [4] 贾绪富 刘红军等对预应力锚杆肋梁支护技 术进行了研究 预应力锚杆肋梁支护结构 ( 见图 2) 定义为 当支护面层由钢筋网喷射混凝土加强为纵 横肋梁传递锚杆预应力时, 形成的一种类似于双向 板肋梁楼盖结构 对于坑底挖至基岩或进入基岩 一定深度的基坑, 预应力锚杆肋梁支护结构较为适 用 因为锚杆有倾角可进入基岩以获得很大的锚固 力 ; 并且肋梁支护结构施加预应力, 可有效地防止 坑底基岩开挖爆破时产生的震动对坑壁的影响 预 应力锚杆肋梁支护技术在青医附属肿瘤防治中心基 坑工程 ( 开挖深度最大达到 34 m) 中得到了很好的 应用 表 1 青岛地区基坑支护方式统计表 Table 1 Summarizing of the supporting methods in deep excavations in Qingdao 序号工程名称支护方式基坑深度 / m 1 中银大厦桩锚 15 2 世纪大厦桩锚 15 3 裕源大厦钢管桩 + 锚杆 15 4 青岛第一百盛锚喷 20 5 信息大厦锚喷 15 6 汇丰广场 (A B 座 ) 桩锚 + 锚喷 11(A 座 ) 15(B 座 ) 7 青医附院肿瘤防治中心桩锚 30 8 青岛市东部医院锚喷 15 9 浮山后七小区锚喷 14~15 10 滨海花园锚喷 15 11 青岛市中医院锚喷 15 12 国华大厦锚喷 19 13 多元世贸大厦 ( 开发区 ) 锚喷 17 14 隆基汇源 ( 开发区 ) 止水帷幕 + 锚喷 15 15 乾豪国际广场桩锚 + 锚喷 15 表 2 青岛地区各类深基坑支护方式所占比例 Table 2 Percent of various supporting methods in deep excavations in Qingdao 序号支护方式工程实例频数频率 / % 1 锚喷 31 50.82 2 桩锚 20 32.79 3 止水帷幕 6 9.84 4 土钉墙 2 3.27 5 预应力锚板 1 1.64 6 钢管桩 1 1.64 合计 61 100 从表 1 可以看出, 在开挖深度大于或等于 15 m 的深基坑中, 锚喷占到了相当大的比例 表 2 的统 计表明, 在所统计的 61 个基坑中, 支护方式以桩锚 + 锚喷 + 止水帷幕为主, 以上 3 种支护方式的总和占 全部基坑支护方式的 93.45% 从以上关于青岛地区基坑开挖方式的统计看 出, 青岛地区基坑支护方式以桩锚 + 喷锚为主, 这 是对上部土层 下部岩层基坑综合考虑的结果 3 工程实例 图 2 预应力锚杆肋梁支护结构 Fig.2 Prestressed anchor ribbed beam support structure 表 1 [5] 为青岛地区一些深基坑开挖支护方式的 统计表 表 2 [5] 为青岛地区各类深基坑支护方式所 占比重的统计表 3.1 工程概况李村站是地铁 3 号线和 2 号线的换乘车站, 李村站 (3 号线 ) 位于李沧区维客广场南侧的京口路, 李村站 (2 号线 ) 位于京口路 夏庄路交叉路口的北侧, 两站呈 V 形布置 李村站 (3 号线 ) 为地下两层 14 m 岛式站台车站, 结构类型为两层三跨箱型框架, 长为 174.65 m, 标准段宽为 22.8 m, 顶板覆土约 4.2 m, 基坑深约 17.9 m 李村站(2 号线 ) 为地下 3 层 14 m 岛式车
增刊 1 朱志华等 : 土岩结合条件下深基坑支护方式研究 621 站, 结构类型为三层三跨箱型框架, 长为 177.7 m, 标准段宽为 23.0 m, 顶板覆土约 4.5 m, 基坑深约 25.4 m 车站两端接矿山法区间 车站主体结构 换乘大厅及附属均采用明挖法施工 表 3 主要围护结构参数 Table 3 Parameters of the main enclosure structure 围护单元 上部竖向支护体系 钻孔灌注桩 直径 / mm 间距 / mm A1a 竖向 3 道混凝圭支撑 +1 道锚索 1 200 1 800 A1b A1c A2 竖向 3 道钢支撑 800 1 200 B1 竖向 3 道钢支撑 +1 道锚索 800 1 200 B4a B4b B5 竖向 2 道钢支撑 +2 道锚索 800 1 200 B3a 竖向 6 道锚索 800 1 500 B3b 竖向 2 道钢支撑 +3 道锚索 800 1 200 C1a C1b 竖向 5 道锚索 800 1 500 C2 竖向 3 道锚索 800 1 500 图 3 李村站总平面图 Fig.3 The site-plan of Licun station 3.2 工程地质条件 (1) 地基土的稳定性地表普遍分布第四系全新统人工填土层 (Q ml 4 ), 岩性为素填土及杂填土, 土质不均, 结构松散, 密实程度差 第四系全新统洪冲积层 (Q al+pl 4 ), 主要为第 7 层粉质黏土 第 9 层粗砂, 其中第 9 层粗砂属主要含水层, 强度及压缩性中等, 工程性状及抗震性能较好 第四系上更新统洪冲积层 (Q al+pl 3 ) 主要为第 12 层粗砂 ~ 砾砂层, 属主要含水层, 强度较高, 压缩性低, 工程性状及抗震性能良好 基岩整体强度高, 工程性状及抗震性能良好, 是良好的基础持力层, 但由于受构造的影响, 局部地段形成相对不均匀的岩石地基 ( 2 ) 钻孔观测的地下水位埋深为 3.30 ~ 6.50 m, 主要赋存于第 9 12 层粗砾砂层 砂层之上的黏性土层厚度变化较大, 水位埋深略有起伏, 局部具有弱承压性 渗透系数经试验分析为 12.85~ 24.47 m/d 3.3 基坑围护结构方案基坑主要围护结构参数如表 3 所示,( 围护单元的字母代表不同的施工位置 ) (1) 由于苏宁电器的锚索进入李村站 (3 号线 ) 基坑, 临近苏宁电器侧段灌注桩采用人工开挖成孔 吊脚桩段的钻孔灌注桩底端嵌入中等风化粗粒花岗岩 ( 或强风化粗粒花岗岩岩层 ) 不小于 1.5 m, 排桩段的钻孔灌注桩嵌固深度为 2.5 m (2) 桩外采用 1 000 mm@750 mm 的旋喷桩止水, 旋喷桩上部进入不透水层不少于 1 m, 下部进入不透水土层不少于 0.5 mm, 砂层以上 0.5 m 处 至地面采用空钻 (3) 基坑中风化岩面以下采用直壁开挖锚喷 挂钢筋网支护 在钻孔灌注桩进入中风化岩面处均 需设置桩脚腰梁及锁脚锚索 (4) 围护结构横剖面图如图 4 5 所示 图 4 李村站 (3 号线 ) 围护结构横剖面图 Fig.4 The profile of the supporting structure for Licun station 3 图 5 李村站 (2 号线 ) 围护结构横剖面图 Fig.5 The profile of the supporting structure for Licun station 2 4 有限元分析 为了对李村站明挖基坑围护结构的变形和受力 进行分析, 本文采用有限元软件 PLAXIS 对李村站的 基坑开挖过程进行了模拟, 并将模拟结果与变形控 制要求进行比较, 以期对基坑实际开挖过程起到一 定的指导作用
622 岩土力学 2011 年 土层模拟参数取值如表 4 所示 表 4 各层土物理力学参数 Table 4 Physico-mechanical parameters of soils 土层 平均层厚 /m 重度 /(kn/m 3 ) 黏聚力 /kpa 内摩擦角 / ( ) 弹性模量 /MPa 泊松比 素填土 3.0 18.7 12.0 15.0 2 0.34 粉质黏土 2.5 19.9 28.8 14.2 6 0.32 粗砂 9.0 20.5 0.2 35.0 30 0.26 强风化花岗岩 2.0 23.0 0.2 45.0 45 000 0.24 中风化花岗岩 7.0 25.5 0.2 55.0 47 000 0.22 微风化花岗岩 8.5 26.3 0.2 65.0 74 000 0.20 4.1 李村站 (3 号线 ) 数值模拟 将基坑简化为平面应变模型, 上部土体采用摩 尔 - 库仑弹塑性模型模拟, 下部岩体用线弹性模型进 行模拟 按照土层的分布情况和实际的开挖步骤对 基坑开挖过程进行模拟 李村站 (3 号线 ) 基坑开挖深度为 18 m, 主体结 构变形控制保护等级为一级, 围护结构最大水平位 移 0.2%H(H 为基坑开挖深度 ), 且 30 mm, 地 面最大沉降量 0.15%H, 地面超载按 15 kn/m 2 考 虑 由于基坑采用对称支护形式, 故选取半个基坑 宽度进行模拟, 水平及竖直方向变形影响范围分别 取 55 m 和 30 m 图 6 为李村站 (3 号线 ) 计算模型 图 7 李村站 (3 号线 ) 模拟变形示意图 Fig.7 Deformation analysis for Licun station 3 (a) 弯矩图 (b) 剪力图 图 8 桩体弯矩及剪力图 Fig.8 Bending moment diagram and sheer force diagram of the drilling piles 图 6 李村站 (3 号线 ) 计算模型 Fig.6 Calculation model for Licun station 3 模拟过程中遵循施工设计步序, 分层开挖土体, 并做到 先撑后挖 同时对 3 道钢支撑分别施加预应 力 100 250 200 kn 结果表明, 地表沉降最大值 为 26.72 mm, 桩体最大水平位移为 20.27 mm, 满足 设计要求 围护桩最大弯矩为 1 610 kn m, 最大剪 力为 1 660 kn, 最大弯矩和最大剪力均出现在距基 坑底部 3~4 m 位置处 图 7 为基坑开挖模拟变形示 意图, 图 8 为围护桩弯矩及剪力模拟结果 4.2 李村站 (2 号线 ) 数值模拟李村站 (2 号线 ) 基坑开挖深度 26 m, 主体结构基坑变形控制保护等级为特级, 围护结构最大水平位移 0.1%H, 且 30 mm, 地面最大沉降量 0.1%H, 地面超载按 15 kn/m 2 考虑 根据基坑平面尺寸大小及工程地质条件, 选择吊脚桩典型支护结构剖面建立有限元模型 取离开基坑边界外 80 m 为外侧水平向影响范围, 基坑下层是中风化花岗岩, 取基底以下 15 m 为竖直向影响范围 图 9 为李村站 (2 号线 ) 计算模型 模拟过程中对 3 道钢支撑分别施加预应力 100 200 200 kn 结果表明, 地表沉降最大值为 24.49 mm, 桩体最大水平位移为 18.28 mm, 满足设计要求 围护桩最大弯矩为 766 kn m, 最大剪力为 1 130 kn, 最大弯矩和最大剪力均出现在距基坑底部 11~12 m 位置处 图 10 为基坑开挖模拟变形示意图, 图 11 为围护桩弯矩及剪力模拟结果
增刊 1 朱志华等 : 土岩结合条件下深基坑支护方式研究 623 5 结论 图 9 李村站 (2 号线 ) 计算模型 Fig.9 Calculation model for Licun station 2 (1) 本文对土岩结合地区的深基坑支护方式进行了统计, 土层桩锚 + 岩层喷锚支护形式已在青岛地区广泛应用, 这种设计是安全合理的 (2) 以青岛地铁李村站两个深基坑为实例, 利用有限元模拟软件 PLAXIS 对基坑开挖进行模拟, 结果表明 : 嵌岩桩 - 内支撑支护体系及吊脚桩 - 锚杆 - 内支撑支护体系在控制基坑变形方面效果十分明显, 完全满足设计要求 (3) 李村站的变形模拟结果说明, 该基坑的支护设计方案是偏安全考虑的 因此, 从施工工艺和经济性方面考虑, 土岩结合地区其它基坑可以适当调整设计参数, 在满足安全性的前提下, 尽量节省资源 参考文献 [1] 朱祥山. 青岛地区 嵌岩 类基坑工程设计方法研究 [D]. 青岛 : 中国海洋大学, 2008. [2] 李华杰, 史晓军. 岩土组合地质条件下深基坑工程施 图 10 李村站 (2 号线 ) 模拟变形示意图 Fig.10 Deformation analysis for Licun station 2 工技术 [J]. 青岛理工大学学报, 2008, 29(3): 111-114. LI Hua-jie, SHI Xiao-jun. Construction technology of deep foundation pit under rock-soil combinational geological condition[j]. Journal of Qingdao Technological University, 2008, 29(3): 111-114. [3] 韩文浩. 预应力锚板墙支护技术在深基坑开挖中的应用 [D]. 青岛 : 中国海洋大学, 2003. [4] 贾绪富. 预应力锚杆肋梁支护技术 [D]. 青岛 : 中国海 (a) 弯矩图 (b) 剪力图 图 11 桩体弯矩及剪力图 Fig.11 Bending moment diagram and sheer force diagram of drilling piles 洋大学, 2003. [5] 许婷华. 青岛沿海地区深基坑支护施工方案优化与质 量控制研究 [D]. 青岛 : 中国海洋大学, 2006.