框架结构顶进前基坑围护桩合理支护参数研究

李 伟

(中铁一院 新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引言

箱形框架结构顶进下穿作为一种有效缓解既有道路平交道口交通滞塞问题的重要技术手段，近些年在国内市政交通及国铁大线等领域的应用已相当普遍，与之相关的技术水平及理论体系亦逐渐趋于成熟[1-3]。有关研究指出，通过对框架结构顶进下穿工程案例的统计分析，结合顶进下穿施工工艺及生产组织安排，现阶段，顶进框架主体结构多采用预制拼装或基坑现浇等方式进行[4]，然而，无论采用何种方式，主体框架结构顶进作业前，首先需对其作业范围内的围护结构进行设计和施工，围护结构作为框架主体结构顶进施工前重要的工程保障附属措施，是保障主体结构安全顶进的前提和重点，其重要性不言而喻。

目前，关于框架结构顶进下穿施工技术的研究主要集中于施工工艺、结构计算以及变形监测、控制、纠偏等方面[5,6]。有学者以实际顶进下穿工程案例为背景，通过对工程所遇问题及工程特征的分析，对框架结构顶进下穿施工过程中的重点结构及关键技术进行了探讨[7,8]；另有学者基于结构力学、材料力学等理论，借助一定的数值计算软件或程序，对下穿主体结构的受力及变形特征进行分析，并依据计算结果对主体结构的构造及配置进行进一步优化和处理[9,10]；还有学者依托具体工程项目，对施工过程中主体结构的变形值及沉降量进行监测，通过对监测数据的分析，对结构变形控制措施研究提供一定的理论指导[11,12]。上述关于顶进下穿施工工艺、变形控制等研究，切实解决了一些实际工程问题，对本文研究框架结构顶进下穿基坑合理支护参数具有一定的借鉴意义。

本文以某箱形框架结构顶进下穿既有铁路工程为背景，以抗倾覆安全系数作为基坑围护桩稳定性定量评价指标，采用理正深基坑软件，对不同支护参数下基坑围护桩的稳定性及经济合理性进行分析，为优化基坑围护桩支护参数、提高基坑围护桩安全稳定性提供理论指导。

1 工程概况

某工程采用箱形框架结构顶进下穿方式穿越一既有专用线，工程顶进段长度为60 m，框架结构宽15 m，高10 m(顶板顶至底板底)，为保障顶进作业进度及工程质量，拟建基坑共2座，既有线左右两侧各一座，沿线路起讫方向依次命名为1号和2号基坑。工程采用对顶方式进行，两基坑均采用放坡与围护桩相结合的方式开挖，基坑最大深度11.5 m，其中，放坡段坡高h=3.5 m，坡率i=1∶0.75，围护桩均采用悬臂桩，桩顶设冠梁，围护桩桩顶(即冠梁顶)至基坑底的高度为8.0 m。工程纵断面及1号基坑平面图分别如图1a)和图1b)所示。

工程范围内的地层分布及各地层物理力学特性如表1所示。

表1 地层物理力学参数

2 结构计算

2.1 计算模型建立

根据工程实际，采用理正深基坑软件建立的悬臂桩计算模型如图2所示。图2中，放坡段坡高h=3.5 m，坡率i=1∶0.75，围护桩采用圆形截面，桩顶设冠梁，桩顶(即冠梁顶)至基坑底的长度为8.0 m，围护桩材料类型为钢筋混凝土，桩身混凝土采用C30，内力计算方法采用弹性法。基坑支护结构安全等级按照一级基坑处理，支护结构重要性系数取1.1。

2.2 研究方案设计

基坑悬臂围护桩的稳定性受多种因素影响，通对有关文献的调研和分析，基坑悬臂围护桩稳定性的主控影响因素大致可以归纳为桩径、桩距(桩心距)、冠梁高度、嵌固深度等。根据上述围护桩稳定性影响因素，设计4因素4水平的正交试验方案，如表2所示。其中，围护桩初始嵌固深度(l)按照0.8h(h为桩顶至基坑底高度)取值，此时l取6.5 m。

表2 研究方案

2.3 围护桩稳定性定量评价指标

为了能够对不同方案下基坑悬臂围护桩的稳定性进行综合对比和分析，采用围护桩抗倾覆性安全系数(K)对其稳定性进行定量评价。抗倾覆性安全系数(K)可按式(1)进行计算：

(1)

其中，Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩；Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。此处，抗倾覆安全系数K取1.25。

3 计算结果分析

根据表2中所列研究方案，对其中的各方案逐个进行计算分析，以a1方案为例，计算得到的内力包络图及地表沉降值变化特征分别如图3，图4所示。

根据表2中所列研究方案，对每个方案下抗倾覆安全系数、地表沉降值及悬臂桩每延米含钢量三个值进行统计，统计结果如表3所示。其中，考虑到工程实践中常采取的地表沉降值参考依据，此处只统计采用抛物线法得到的计算结果。此外，由于1号和2号基坑均为一级基坑，因此，地表最大允许沉降值为11 mm[13]。

表3 计算结果统计

为了能够更加直观的反映不同研究方案下抗倾覆安全系数与地表沉降值两个参数的变化特征，根据表3统计结果绘制上述两个参数的变化特征曲线如图5所示。根据表3统计结果，不同方案下每延米含钢量变化特征如图6所示。

对比分析图5，图6可知，除了a3,a6,a8,a11,a14和a166个方案同时满足抗倾覆安全系数大于1.25且地表沉降值小于11 mm的要求之外，其他方案均不满足。而在a3,a6,a8,a11,a14和a166个方案中，a14方案下每延米混凝土的含钢量最低，经济性最优。

综合对比不同方案下基坑围护桩抗倾覆安全系数、地表沉降值及每延米混凝土含钢量三个指标参数，a14方案为本文最优方案。

4 结语

以某箱形框架结构顶进下穿既有铁路工程为背景，以抗倾覆安全系数作为基坑围护桩稳定性定量评价指标，采用理正深基坑软件，对不同支护参数下基坑围护桩的稳定性及经济合理性进行研究，其中：

1)桩径、桩距(桩心距)、冠梁高度、嵌固深度及桩身材料为影响基坑围护结构安全稳定的主控因素；

2)当围护桩桩径采用1.0 m，桩心距为1.5 m，嵌固深度为8.0 m，冠梁高度为1.5 m时，基坑围护桩抗倾覆安全系数满足要求，同时经济效益最优。