桩锚-土钉复合支护在基坑临近桥墩防护中的应用马琳琳 (中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043) 摘 要：以乌鲁木齐轨道交通2号线高铁站基坑支护方案变更为背景，梳理桩锚-土钉复合支护的受力机理和特点。运用PLAXIS分析基坑开挖周边土体变形和临近桥墩的侧移情况，定量给出桩锚-土钉复合支护的经济性分析。工程实测数据表明，桩锚-土钉复合支护可有效控制基坑侧向变形，实现对临近桥墩桩基础的保护。相对于传统围护-内支撑形式，桩锚-土钉复合支护造价低廉、可节省大量工程投资，经济效益显著。 关键词：桩锚支护；土钉；侧移变形；经济性分析 土钉支护(Soil Nail)在土体内打入钢筋、钢管、型钢等作为土钉，并施作面层，通过土钉对原状土体的骨架约束作用、土体应力扩散作用、面层约束作用、土体加固作用等对原状土体进行支护，属于主动支护[1-4]。该支护形式合理利用原状土体的自稳定能力，延性和抗震性能好、施工速度快、造价低廉，近年来在边坡加固，地下水位低、土体自稳性好、开挖深度小的基坑工程中得到了大量应用[5,6]。 土钉支护属于轻型支护结构，土钉和面层的刚度较小[1]。当基坑开挖深度较大或周边环境保护要求高时，土钉无法有效控制基坑的侧向变形，需要采用土钉与其他支护进行联合支护，由此发展了复合土钉支护技术，如土钉-深搅桩、土钉-预应力锚杆、土钉-微型桩、土钉-隔水帷幕等[7-10]。 桩锚-土钉复合支护是近年来在桩锚支护和土钉支护基础上发展的新型支护形式，通常由排桩、桩间土钉或复合土钉墙组成[1,11]。为了有效控制地表位移，减小排桩入土深度、提高基坑整体稳定性，排桩上通常间隔布设锚杆、锚索或内支撑，锚杆、锚索视情况施加预应力。该支护形式下，被支护土体内形成土拱[12]，桩身和锚杆受到土体由土拱传递的水土压力。土钉墙在加固桩间土体的同时，还承受桩间土体的部分压力，并将土压力传递到支护体后部稳定岩土层中[13]。 传统桩锚支护属于被动支护，造价高，但有利于基坑的变形稳定控制。土钉造价低、施工速度快，但不利于基坑变形控制和周边环境保护。两者结合使用，既发挥了桩锚控制变形能力强的特点，又降低了费用，兼顾了造价与技术适用，得到了越来越多的工程应用[14-17]。 本文结合工程实例，从技术适用和经济性两方面对桩锚-土钉复合支护技术进行介绍。 1 工程概况1.1 原支护方案 乌鲁木齐轨道交通2、4号线高铁站位于新建兰新铁路第二双线新客站西南地块，如图1所示。其中2号线车站主体基坑长约400 m，宽63 m，最大开挖深度26.8 m，土层以粉土、卵石、圆砾、泥岩为主，相关物理力学参数见表1。 基坑部分与待建站前高架重叠，周边为尚未开发区域，无重大建(构)筑物及地下管线等设施，变形控制要求较低。本着节约投资的原则，基坑原支护方案为三级放坡结合土钉墙支护，支护典型剖面如图2所示。其中，面层采用挂网喷射100 mm厚C20早强混凝土，钢筋网规格φ8@200 mm×200 mm。上部土钉布设参数1.5 m×1.5 m，下部中风化岩层采用2.0 m×2.0 m。  图1 基坑平面 表1 土层物理力学特性  土层重度/(kN·m-3)粘聚力/kPa内摩擦角/(°)弹性模量/MPa泊松比锚固界面剪切强度/kPa砂质粉土19.8024600.3432卵石23.20451200.26130圆砾235431500.28146强风化泥岩22.150301800.22130中等风化泥岩22.187352000.22130 1.2 支护方案变更 施工单位进场后，发现由于站前高架提前施工，2号线基坑内已修建了高架桥桥墩，且桥墩PZD3-19恰好处于基坑左下角的一级边坡内，如图3所示。该桥墩采用4根φ1.2 m端承桩，桩长22 m。  图2 典型支护剖面(单位：mm) 若采用原放坡支护方案，基坑开挖后，桥墩桩基一侧处于卸荷状态，存在桩基础承载力损失、桥墩倾斜等风险。为避免基坑开挖侧向卸荷对桥墩桩基的影响，需要尽可能保留桩基周围的原状土，并使基坑开挖面远离桥桩基础。为此，需要调整原有支护方案。  图3 桥墩PZD3-19与边坡关系(单位：mm) 初步方案变更将放坡支护调整为排桩+内支撑支护。本基坑的开挖深度达26.8 m，需采用φ1.2 m@1.8 m的钻孔桩，剖面见图4。按60 m调整范围考虑，需增加工程投资800万元。  图4 排桩+内支撑剖面(单位：mm) 2号线基坑周边环境保护要求不高，支护方案变更只需要确保对桥墩桩基的保护即可。排桩+内支撑支护方案费用高、工期长，结合原有放坡-土钉支护方案，后决定采用桩锚-土钉复合支护。保留原有一级边坡土钉墙支护，在二级边坡桥墩附近设置φ1 m@1.7 m排桩，距桥墩桩基距离在5.0 m以上，最大限度保留原状土。为加强桩基侧移的控制，排桩竖向设置2道锚索，第1道锚索长26 m(15°)，锚固段15 m；第2道锚索长26 m(15°)，锚固段15 m。第1道锚索设置在冠梁上，第2道锚索距第1道锚索6 m，2道锚索均施加200 kN预应力。变更后支护方案如图5和图6所示。  图5 排桩平面布置(单位：mm)  图6 变更后支护剖面(单位：mm) 2 模型分析变更后的支护方案是桩锚-土钉复合支护体系，常规基坑支护设计软件无法完成此类复合式支护的计算分析。参照已有分析手段[8, 17]，采用PLAXIS有限元软件对支护方案进行模拟分析。 本工程的支护方案较为复杂，实际是一个基坑开挖三维支护问题。为简化分析，取下穿桥墩的A-A截面(图5)建立分析模型。 2.1 模型假定 模型基本假定包括：①假定各土层成层均质水平分布；②土体本构采用摩尔-库仑模型；③基坑开挖前先进行降水，不考虑地下水对模型分析的影响；④排桩按刚度等效原则等效为地下连续墙(墙厚h=702 mm)，见式(1)；⑤不考虑基坑开挖的时间因素。 
 2.2 模型建立 原方案一级边坡开挖支护对桥墩影响较小，为节省工程变更费用，变更后的方案保留一级边坡与土钉墙支护设计。图6显示，桥墩桩基承台底部与一级边坡坡底齐平。考虑基坑分层分段开挖，一级边坡深度范围内土体开挖支护施工对桥墩桩基影响较小，故模型忽略一级边坡的开挖支护施工，分析工况由疏排桩施工开始，直至开挖至基坑底部。 根据基坑开挖施工的影响范围，竖向取50 m范围，横向60 m，建立图7所示的分析模型。其中，锚索采用点对点锚杆模拟，锚固段采用土工格栅单元，桥墩桩基桩脚采用板单元模拟，桩体使用点对点锚杆，模型参数见表2。模型顶部设为自由边界，左右边界约束水平方向位移，下部边界约束水平和竖直方向位移。 表2 模型参数  名称重度/(kN·m-3)轴向刚度/(kN/m)抗弯刚度/(kN·m)等效厚度/m泊松比单元类型疏排桩(等效)17.552.5×1071.03×1060.7020.15板单元桥墩桩基桩端22×1068×1030.2190.2板单元桥墩桩基桩身252×106———点对点锚杆锚索782×105———点对点锚杆锚固段781×105———土工格栅 图7 计算模型 2.3 分析结果 图8为基坑开挖后的位移云图，从图8可以看出，基坑开挖完成后，坑底土体产生明显的卸荷隆起。桩锚-土钉的支护作用明显，三级边坡虽有向基坑内移动的趋势，但量值很小，不足以对基坑安全产生影响。此外，由于预应力锚索的锚固作用，在三级边坡向基坑内移动趋势的影响下，排桩发生少量移动，最大水平位移4.6 mm。由此带动桥墩桩基发生侧移，但侧移量在4 mm左右，满足桩基保护的侧移限值。 图8 位移云图 模型分析结果表明，采用桩锚-土钉复合支护，可有效保护桥墩桩基与基坑边坡安全，变更后的支护方案切实可行。 3 工程实施效果及经济性分析3.1 工程实施效果 图9 地面沉降曲线 工程于2014年6月开工，9月开始进行第二级边坡施工。施工过程中，对桥墩桩承台附近的地面沉降和排桩侧移等进行了监测。其中，地面沉降值和变化速率如图9所示。根据监测数据，桥墩附近地表发生沉降，沉降速率稳定在0.3 mm/d左右，最大沉降值3.34 mm，疏排桩水平位移为2.35 mm，与模型分析结果4.6 mm接近。地面沉降和桩侧移均处于控制值范围，说明桩锚-土钉复合支护方案合理可行，达到了保护桥墩桩基、支护基坑的预期目标。 3.2 经济性分析 已有关于土钉支护的文献报道，多从支护理论、设计、施工方法等技术层面进行分析，也定性指出了该方法造价低的优势，但缺乏定量的经济分析。表3给出了支护方案变更前后材料的费用情况。如前所述，初步变更方案提出的排桩+内支撑方案需要增加投资约800万元，而实际使用的桩锚-土钉复合支护方案增加费用约78万元，直接节省项目投资近720万元，经济效益显著。 表3 经济性分析 元 项目变更前变更后数量单价合价数量单价合价费用增(+)减(-)土钉/m35635.8512763035.850-12763放坡面层喷射混凝土/m227877.9721676077.970-21676放坡面层钢筋网片/t0.654787.22311204787.220-3112土方/m3408.4263.5925971063.590-25971疏排桩/m02330.2101972330.21459051459051疏排桩桩间喷射混凝土/m20135.700170.6135.702315023150放坡面层钢筋网片/t04810.0000.464810.0022132213疏排桩钢筋笼/t05252.31013.585252.317132671326预应力锚索/m0347.810520.00347.81180861180861混凝土冠梁/m30750.00016.00750.001200012000现浇钢筋混凝土/t0635901.57635999849984税费及其他费/元——7826——93458—合计/元——71348——852043780695 4 结论依托乌鲁木齐轨道交通2、4号线高铁站2号线基坑支护方案变更，梳理了桩锚-土钉复合支护的受力机理和特点，采用PLAXIS有限元软件对该支护方案进行建模分析，并定量给出了支护方案变更前后的经济对比分析，得到以下结论。 (1)桩锚-土钉复合支护体系综合发挥了桩锚控制变形能力强，土钉造价低廉、施工方便迅速的特点。 (2)2号线基坑支护变更采用桩锚-土钉复合支护，有效控制了基坑开挖引起本工程基坑侧壁的移动，临近桥墩地面最大沉降3.34 mm，实现了对桥墩桩基的保护。 (3)桩锚-土钉复合支护体系造价低、经济效益明显，在本工程中，直接节省投资近720万元。 (4)本工程基坑支护方案变更的成功实施，启示工程设计人员，在选择支护方案时，应结合基坑工程地质条件、周边环境保护要求、临近建构筑物限制等条件，因地制宜选择安全、经济、可实施性高的支护方案。 参考文献： [1] 刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2010. [2] Vucetic M, Tufenkjian M R, Doroudian M. Dynamic centrifuge testing of soil-nailed excavations[J]. Geotechnical Testing Journal. 1993,16(2):172-187. [3] Thompson S R, Miller I R. Design, construction and performance of a soil nailed wall in Seattle, Washington[Z]. ASCE, 1990:629-643. [4] 郭院成，王立明，郑秀丽.土钉与桩锚联合支护结构的计算模式[J].河南科学，2003,21(3):315-319. [5] 陈肇元，崔京浩.土钉支护在基坑工程中的应用[M].北京:中国建筑工业出版社,1997. [6] 林希强.基坑复合土钉支护全过程内力及变形研究[D].武汉:中国地质大学,2003. [7] 伍俊，郑全平，吴祥云.复合土钉支护技术的有限元数值模拟及工程应用[J].岩土工程学报，2005,27(4):388-392. [8] 汤连生，宋明健，廖化荣，等.预应力锚索复合土钉支护内力及变形分析[J].岩石力学与工程学报，2008,27(2):410-417. [9] 翟延彬，张晓亮，李小辉.土钉墙与锚索联合支护在工程中的应用[J].探矿工程-岩土钻掘工程，2009,36(7):57-59. [10]姚刚，刘晓纲，韩森.超深基坑复合土钉支护结构原位试验研究[J].土木工程学报,2006,39(10):92-96,101. [11]吴忠诚.疏排桩-土钉墙组合支护技术及变形特性研究[D].广州:中山大学,2007. [12]蔡传海.疏排桩-土钉组合支护体系的土拱效应及土压力分析[D].广州:广州大学,2013. [13]吴忠诚，杨志银，罗小满，等.疏排桩锚-土钉墙组合支护结构稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2006(S2):3607-3613. [14]司庆超.深基坑桩-锚与土钉墙组合支护的数值模拟分析及其应用[D].邯郸:河北工程大学,2011. [15]刘斌，杨敏，杨志银，等.疏排桩-土钉墙组合基坑支护结构设计与实践[J].土木工程学报，2010(10):106-114. [16]杨敏，古海东.疏排桩-土钉墙基坑支护中土钉墙加固效果试验研究[J].岩土工程学报，2012(S1):1-6. [17]易领兵，杜明芳，苏冬霞，等.有限元模拟桩锚支护对邻近高架桥的影响[J].河南科学，2014(11):2296-2299. Application of Combined Soil Nail and Pile Anchor in Protection of Bridge Pier Adjacent to Foundation Pit MA Lin-lin (China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043, China) Abstract：Based on the change of foundation pit supporting scheme for Urumqi rail transit Line 2 of high-speed railway， the mechanism of combined soil nail and pile anchor are discussed. The foundation pit deformation and nearby bridge pier displacement are analyzed with PLAXIS and economic analysis of the combined soil nail and pile anchor is conducted. The results show that the new method can effectively control pit deformation and protect nearby bridge pier foundations. Compared with the traditional inner support system， it saves much investment and brings about remarkable economic benefit. Key words：Pile anchor; Retaining soil; Side movement and deformation; Economic analysis 文章编号：1004-2954(2017)04-0131-05 收稿日期：2016-07-13； 修回日期：2016-07-29 作者简介：马琳琳(1983—)，女，工程师，2006年毕业于西安理工大学 土木工程专业，工学学士，E-mail：115161675@qq.com。 中图分类号：TU473.2 文献标识码：A DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.04.028 |
|
|
