以紧邻西安地铁4号线和平门站复杂深基坑为依托, 介绍在施工场地及周边环境受限的情况下, 创新采用旋喷技术延伸排桩-锚索支护结构的使用范围;根据现场锚索试验成果及基坑开挖工况, 对紧邻地铁站受到的变形影响进行数值模拟分析, 并与实际监测数据进行对比分析。通过本文研究, 以期得到在此类复杂环境条件下采用排桩-旋喷锚索支护结构的基坑开挖对周围环境的影响规律, 并为类似基坑设计与施工提供参考。

拟建地质科技大厦综合楼位于西安市和平门外雁塔北路西侧的陕西地矿集团有限公司院内, 建筑为14层、高59.6m, 拟采用框架剪力墙结构、梁筏基础, 地下3层, 基础埋深约-15.5m;基坑近似矩形, 长×宽=160.3m×54.4m;基坑深度为-18.60m。

该基坑周边环境极其复杂, 地下管网较多, 北侧为正在施工的胜利饭店基坑, 深18.95m, 两基坑的最小水平净距为6.0m;西侧有地质资料陈列楼、地质试验楼、18号住宅楼等建筑分布;南侧紧邻职工住宅楼, 基坑深6.6m, 与该基坑的最小水平净距为7.0m;东侧紧邻西安地铁4号线和平门站, 属于重点保护区域, 必须对基坑周边变形采取严格控制措施。基坑周边环境如图1所示。

基坑影响深度范围内主要地层岩性为:人工填土、黄土、粉质黏土、粗砂。各土层厚度及主要物理力学性质参数如表1所示。

勘察时 (2015年4月) , 测得场地地下水潜水稳定水位埋深为14.70～17.60m, 该水位为平水期水位, 根据区域资料地下水年变化幅度为1.5～2.0m。根据勘察报告、附近类似工程的施工经验, 拟建场地⑤～⑦黏性土含水层渗透系数为5mm/d, ⑧砂土含水层渗透系数为20mm/d。

基坑东侧紧邻地铁4号线风道、Ⅳ号出入通道。基坑距地铁站建筑物结构外皮0.9m, 地面以下设有污水管网, 场地环境条件极其复杂。采用一般形式的桩锚支护结构形式难以满足施工要求, 且锚索施工长度受到限制, 设计创新地采用旋喷锚索。对于B1～B3段考虑施工方便, 锚索位置与原地铁护坡桩位置错开, 利用原地铁护坡桩结构, 护坡桩上半段设置3道旋喷锚索 (见图2a) , 排桩桩径1.0m, 混凝土强度等级C30, 桩间距1.4m, 桩长20.5m, 嵌固深度8.06m。冠梁截面尺寸为 600mm×900mm, 设置3道旋喷锚索, 锚索长7.5m, 自由段长3.0m, 锚固段4.5m, 锚固段直径350～500mm, 锚索采用3束ϕ^s15.2 1860级钢绞线, 设计预应力锁定值为80kN。

对于B3～B5段设计排桩-预应力旋喷锚索 (见图2b) , 护坡桩桩长20.5m, 桩径0.8m, 桩间距1.4m, 嵌固深度7.55m。冠梁截面尺寸为 600mm×900mm, 设置3道旋喷锚索, 锚索长8.0m, 孔径250mm, 锚固段长5.0m, 锚固段直径350～500mm, 预应力为100kN。

旋喷锚索工作原理是通过高压旋喷形成直径较大的水泥土锚固体, 使周围土体强度大大提高, 大直径锚固体与土体之间的摩阻力很大, 较短的锚索长度能形成足够的抗拔力。为了确保旋喷锚索承载力和设计参数的合理性, 选取2根旋喷锚索及1根普通锚索进行拉拔试验, 锚索均采用3束ϕ^s15.2 1860级钢绞线, 拉拔试验采用逐级加载方式。锚索试验Q-S曲线如图3所示, 锚索试验参数如表2所示。

由试验结果可知, 旋喷锚索锚头位移明显小于普通锚索, 说明旋喷锚索抗变形能力更强;旋喷锚索锚固段长度为5.0m, 承载力仍能满足设计要求, 旋喷锚索每延米锚固力明显大于普通锚索, 可达普通锚索的2.6倍;由于场地条件限制, 拉拔试验未做到破坏极限值, 试验锚索还有一定的安全储备。

根据基坑支护方案、地铁建筑结构及场地地质条件等资料, 采用有限元软件PLAXIS对基坑开挖及支护进行模拟计算, 土体采用harding-soil本构模型, 基坑支护排桩采用Plate单元模拟, 锚杆自由段采用node to node anchor单元模拟, 锚固段采用embedded pile单元模拟, 地铁支护桩按加固后土体考虑, 采用莫尔-库仑模型等效模拟。有限元计算模型如图4所示, 模型尺寸为100m×60m。

根据实际分层开挖施工进行模拟施工工况, 由图5所示基坑开挖完成后的整体变形和总位移云图可知, 基坑开挖变形主要有以下几方面:①支护排桩中上部位移变形量较大, 总位移达21.6mm;②地铁建筑结构靠近基坑方向变形量较大, 以水平变形为主, 变形范围距离基坑宽度12m;③基坑开挖后坑底回弹变形, 对周围土体和支护结构有一定影响, 靠近基坑支护桩附近变形量较小。

由基坑开挖完成后的水平位移云图可知, 支护桩向坑内水平位移均在2.0cm以内, 中上部位移较大, 最大值达16.5mm, 基坑顶部向坑内水平位移为4.3mm。

由基坑开挖完成后的竖向位移云图可知, 坑底回弹量最大值为32.8mm, 靠近支护桩回弹量会越来越小, 最小值达7.6mm, 说明支护桩对基坑变形有约束作用;基坑开挖完成后, 靠近基坑附近的坡顶竖向沉降较大, 最大值达9.6mm, 方向为竖直向下, 地铁站出入口有竖向变形, 位移达2.8mm, 地铁站相对于基坑倾斜约0.035%;由于锚索张拉效应, 支护桩后土体竖向位移向上, 位移量达7.5mm。

基坑进行分区分层开挖完成后, 基坑周边土体向坑内变形移动, 引起周边土体位移沉降, 从而引起周边建筑物竖向沉降位移, 由图6可知, 地铁口竖向沉降量-8.2mm, 由图7可知, 基坑坡顶沉降位移-5.6mm, 可以发现, 现场实测数据与有限元计算结果接近, 说明支护方案很好地控制周边建筑物变形, 有限元计算模型建立合理。

由图8可发现, 紧邻地铁口的基坑坡顶最终水平位移量为14.2mm, 与有限元计算结果接近。由图8可知, 随着基坑开挖深度的加深, 周边位移变形越来越大, 水平位移有回折趋势, 分析施工时间, 主要原因为预应力锚索的预应力施加作用, 最终变形控制在合理范围内, 且水平位移趋于稳定, 基坑地铁建筑物、地面及地下各种管线基本没有受到影响, 说明排桩-旋喷锚索的应用效果显著。

1) 随着城市地下空间建设进程加快, 复杂深基坑将会不断涌现, 创新运用各支护结构体系的优势, 合理布置, 科学选择深基坑分区、分块及分层施工开挖方案, 可综合解决在周边环境极其复杂条件下深基坑支护中遇到的技术难题。

2) 试验表明, 黄土地层中旋喷锚索能大幅度提高锚固力, 每延米锚固力可达普通锚索锚固力的 2～3 倍, 节约锚索使用长度, 具有较高的经济价值。

3) 数值模拟与监测结果表明, 对于紧邻地铁基坑支护采用排桩-旋喷锚索支护结构, 可有效控制深基坑侧壁、紧邻地铁站及临近建筑物变形, 从而保证深基坑周边紧邻既有建筑安全和正常使用, 支护效果良好。

4) 通过有限元数值计算与现场实测数据对比分析, 有限元数值模拟计算仍是当前研究复杂岩土工程问题有效手段之一, 其计算结果可用于指导周边环境复杂条件下岩土工程设计及施工。