浅埋暗挖洞桩逆作法设计关键技术分析.doc

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摘 要 通过对浅埋暗挖洞桩( 柱) 逆作法的深入剖析，针对其特点，论述洞桩( 柱) 法结构关键受力构件的设计技术要点，包括边桩、钢管混凝土中间立柱、中间桩基础、条形基础等构件的承载力、变形及稳定性分析，给出提高土体开挖稳定性和地基承载力的措施，以及采用该工法建造地铁车站时合理埋深的确定原则等。
关键词 浅埋暗挖法; 盖挖逆作法; 洞桩逆作法( 洞桩法) ; 洞柱逆作法( 洞柱法) ; 地铁车站

1 洞桩(柱)逆作法概述
洞桩( 柱) 逆作法( 简称洞桩法或洞柱法) 是我国近年来推出的一种用于修建地铁车站的浅埋暗挖施工技术，此技术首次在北京地铁天安门西站工程中得到成功应用，由于其在施工安全性及地表沉降控制方面具有较大的优势，因而在后续的城市轨道交通暗挖车站工程中得到了广泛的应用。
洞桩( 柱) 法是在盖挖逆作法的基础上演绎形成的，将盖挖逆作法需要在地面完成的竖向支撑构件和顶拱( 板) 结构转到地下进行，即在暗挖形成的导洞内分别完成。图 1 和图 2 分别为明挖盖挖逆作法和洞桩法结构示意图，当边桩或中柱下采用条形基础时为洞柱法，见图 3。正因如此，洞桩( 柱) 逆作法被列为浅埋暗挖法，而结构体系的受力特点与盖挖逆作法没有本质的区别，包括荷载作用、受力分析及相关技术要求等，均应满足盖挖逆作法结构设计的基本原则和要求。然而，由于主要承载构件的施作环境和条件不同，洞桩( 柱) 法结构的设计和施工难度及复杂性均高于明挖盖挖逆作法，在实际工程应用中，由于经验不足或对此工法技术理解上的偏差，尚存在不少问题，甚至有一定的安全隐患。笔者通过对洞桩( 柱) 法技术的分析，论述设计中的几个技术关键点，供业内同行参考。

2 主要受力构件承载力、变形及稳定性分析
竖向支撑构件包括边桩、中间立柱及中间桩基础或条形基础，是洞桩( 柱) 法重要的承载结构，与盖挖逆作法一样，这些构件不仅要满足各阶段的承载力、变形及稳定性等基本要求，而且在结构底板封闭前的整个施工过程中，应严格控制竖向支撑构件之间的相对隆沉，满足逆作法结构的允许变形要求。
2． 1 边桩设计技术要点
2． 1． 1 边桩设计基本原则
洞桩( 柱) 法边桩一般为钻孔灌注桩或人工挖孔桩，主要承担底板结构封闭前的侧向土压力及顶拱作用的竖向荷载，为临时受力构件，按压弯构件及荷载效应的基本组合进行承载力设计。由于边桩是在暗挖小导洞内施作完成，需要局部破除导洞的初期支护，对导洞的稳定性和整体沉降有一定的影响，直接关系到地层变形和地表沉降。因此，在满足桩体结构受力和桩间土体稳定的前提下，边桩宜采用大直径大间距的设计原则，根据北京地区已建工程经验，桩间净距可取到0． 5 ～ 1． 2 m，桩间采用喷射混凝土护壁，必要时设置钢筋网片或短钢筋钉。
2． 1． 2 洞桩法边桩入土深度及稳定性分析
洞桩法结构的覆土厚度远大于盖挖逆作法结构，导致外围结构承受的水平和竖向压力均较大。在施工阶段，尤其基坑开挖至基底设计标高处、而底板结构尚未封闭时的这一工况，当边桩入土深度偏小、开挖侧基底下的被动土压力不足以平衡基坑外巨大的水平压力时，边桩存在倾覆稳定风险; 另外边桩内外竖向压差较大，也可能导致桩端或坑底土体向上隆起。当土体强度较差时，这些稳定性问题尤其突出。在目前的洞桩法工程设计中，技术人员对边桩入土深度和基坑稳定性验算的关注不够，多数情况下就忽略了，有可能置工程于风险之中。
总之，洞桩法边桩入土深度的确定，不仅要考虑底板封闭之前各施工阶段的竖向承载力及变形要求，而且还应满足抗倾覆和坑底抗隆起的稳定性要求。当中间立柱下为条形基础时，基坑稳定性验算可计入条形基础作用于地基上的竖向基底压力的有利作用。由于本工法施工过程需采取降水措施，因此基坑不存在抗渗流或抗管涌的稳定问题。整体失稳验算一般仅在设置一道支撑的情况下进行，对多道支撑桩墙体系可不进行整体失稳验算。
值得注意的是，稳定性验算应采用总安全系数法，荷载效应采用基本组合，但其分项系数均为 1．0。
2． 2 中间立柱设计技术要点
洞桩( 柱) 法中间立柱为永久结构柱，由于载荷较大且受施工工艺的限制，一般采用钢管混凝土柱，设计应结合本工法实际施工过程和受力特点，满足施工和使用期间各阶段的强度、刚度及稳定性要求，除按相关规范和规程设计外，重点注意以下几方面。
2． 2． 1 附加弯矩的考虑
中间立柱的定位是洞桩( 柱) 法施工的一大难点，施工中应严格控制其定位精度。现行规范规定，允许定位偏差不大于 20 mm，垂直度偏差不宜大于 1/500，在柱的承载力计算中应考虑施工允许偏差的影响，另外还应计及地下车站结构跨度不均衡或施工偏载产生的柱顶弯矩的影响。
2． 2． 2 上下柱脚、中间节点连接及作用特性
钢管混凝土结构与其他构件之间的连接应按刚结点进行设计。洞桩( 柱) 法钢管柱与上部顶梁和下部条形基础的连接，一般采用端承式形式，见图 4。柱与连接构件之间的约束作用可视为铰接，并注意验算顶梁和基础结构与立柱连接处的局部受压强度，必要时用钢筋网对局部受压区进行加固。

对于洞桩法，中间钢管柱需插入钻孔灌注桩基础内一定深度、并采取一定的构造措施将钢管柱予以锚固，见图 5，柱与桩基础之间的约束作用可视为刚接。由于柱脚与桩基础之间力的传递是以钢管柱与混凝土间的黏着力为主，而栓钉等构造仅作为辅助措施，因此钢管混凝土柱脚应进行插入深度的计算。

钢管柱与现浇中楼板梁的连接节点设计，应满足梁端的剪力传递和弯矩传递，连接形式有多种选择，考虑到地铁车站箱型框架结构的受力特性，及纵向中楼板梁尺寸和配筋均较地面建筑结构大的特点，建议采用环形牛腿 + 双梁的结构形式，此形式不仅构造简单、受力明确、施工质量易于控制，而且不损伤钢管套箍的完整性，较适用于地下工程。图 6 为环形牛腿及双梁构造。

2． 2． 3 计算长度的确定
洞桩( 柱) 法顶拱结构一旦施工完成，钢管柱就开始与边桩共同承担所有的竖向荷载作用，由于中楼板结构还未形成，此阶段应是钢管柱承载力设计时的最不利工况，在确定其计算长度时，柱子的实际长度应取上顶梁底至下部条基顶的距离，按无侧限框架及上下柱脚的约束条件确定各项长度系数，且钢管柱的套箍指标和长细比应符合规范的要求。
当钢管柱下为桩基础时，在柱子插入桩基础后，柱周边的孔隙需要回填，但要想缩短柱的计算长度，使下部未开挖部分出现不动点，就必须把握回填土的性状，正确选择回填土及回填方法，以满足钢管柱的计算长度所假定的土的密实度和变形要求，但在实际工程中很难做到。因此，建议不论钢管柱下是条形基础还是桩基础，其实际长度的取值原则应相同。
2． 2． 4 钢管柱吊装及构造要求
洞桩( 柱) 法在钢管柱定位前，需在上导洞内采用机械钻孔或人工挖孔的形成吊装孔，吊装孔的直径应大于环形牛腿的直径，尽量避免牛腿构件现场接长。
由于作业空间的限制钢管柱的吊装需分段进行，钢管的接长建议采用带孔的法兰盘和螺栓连接，并应满足等强度要求。
考虑到钢管柱需分段接长，且作业环境较差，为提高中间立柱的承载安全性，建议在钢管柱内的混凝土中设置适当的通长构造钢筋，并与上下纵梁或条基锚固。由于地铁车站的中间立柱数量少，设置构造钢筋的用钢量也有限，对工程造价产生的影响有限。
2． 2． 5 钢管混凝土柱的抗震设计
由于外层钢管的套箍作用及高含钢率，使钢管混凝土柱的抗震性能远远优于普通钢筋混凝土柱，且在承载力计算中已考虑了长细比影响的折减系数，因此钢管混凝土柱没有轴压比的限制，也不需像其他构件作 S≤R/rRE的截面抗震验算，这是偏于安全的简化计算作法。
2． 3 洞桩法中间桩基础设计技术要点
洞桩法中间立柱采用桩基础时，其设计原则和技术标准同盖挖逆作法，桩基承载力可根据计算或现场原位静力试验结果按变形要求控制。不同的是洞桩法的中间桩基是在上部小导洞内施作，由于作业环境的限制，使得桩基的应用受到极大的制约。一般洞桩法结构覆土较厚，单桩承载力设计值均较大，如果桩端没有很好的持力层，则桩径和长度都超常规大，目前在 4． 0 m × 5． 0 m 大小的导洞内能施作的钻孔灌注桩，直径一般不大于 1． 5 m，能作扩底桩的设备也很少能在空间有限的导洞内施工。另外，对于桩基础，钢管柱在导洞内的吊装和准确定位亦困难重重。鉴于上述原因，中间立柱基础形式应进行多方案的技术、经济比较后确定。
2． 4 洞柱法条形基础设计技术要点
2． 4． 1 条形基础设置形式
边桩和中间立柱下基础均可采用条形基础，条基在下导洞内施作，可有效避免桩基础带来的种种问题。条基有 2 种设置方式: 一种是设置在底板结构以下，与底板结构完全脱离，条基仅在施工过程中发挥其承载力的作用，见图 7; 第 2 种是条形基础作为底板结构的一部分，底板结构封闭前，条基独立承担施工过程的荷载作用，待底板结构封闭后，兼作永久结构的底纵梁及部分底板使用，见图 3。显然，第 1 种方式的主要问题是废弃工程量大，不够经济; 第 2 种方式是底板结构不能一次性施作，存在较多的施工缝，影响结构的整体性和防水性。

2． 4． 2 地基承载力及稳定性分析
影响地基承载力大小的因素很多，除土的性质外，还与基础的形式、大小、埋深及荷载作用等因素有关。根据载荷试验、查承载力表或原位试验的经验统计等确定的地基承载力标准值，考虑的是对应于标准条件或基本条件下的值，对于具体工程，还应考虑承载力极限状态的基本组合，计入基础宽度和埋深的影响，即地基承载力标准值应进行宽深修正。目前地基承载力的理论研究及设计规范均基于明挖条件下施作的基础结构，而对于洞柱法或其他浅埋暗挖法隧道内的地基承载力方面的研究和试验还是空白。仔细分析，两者存在一定的区别，主要不同点在于深度修正的确定，有待进一步研究。
1) 施作工序对地基应力变化的影响。
明挖基础过程: 挖方→基础施作→加载→填方( 基础埋深)→加载; 暗挖基础过程: 导洞开挖→基础施作→加载→挖方( 基础埋深) 。明挖基础是在地基原始应力 100%释放的情况下施作的，随着上部结构荷载的增加，基础反力不断加大，随之地基应力不断变化和加大，直至达到极限承载力。而洞柱法基础是在暗挖导洞内形成，拱部结构一旦形成，拱顶以上土层压力通过竖向构件传至基础，转换成基底压力，在地基原始应力少量释放( 仅导洞开挖) 的情况下，基底压力基本达到最大值; 随着基坑内土体的开挖，基础埋深才逐渐减小，直至底板结构封闭前，地基原始应力释放达到最大，此状态为最不利工况。
2) 明挖基础一般情况埋深较浅，开挖后基础周边土体的侧限较弱，而洞柱法基础埋深通常较大，周围土体的侧限作用强，应力水平较高，对提高地基承载能力有益。
3) 洞柱法的小导洞由于随挖随支，地层的应力释放受到限制，条基形成时附近地层仍保持了较高的应力状态，这种状态有利于提高地基的承载能力。
目前技术人员对基础深度修正所采用的深度值有多种做法，有的从地面标高算起，有的取隧道覆土厚度，有的干脆不修正，比较混乱。为满足当前开展设计工作的需要，笔者结合相关文献和规范的初步分析，建议洞柱法条形基础埋深 d 的确定，可执行《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》DBJ 11—501 的相关规定，对于边桩条基，取 d = ( d1+ d2) /2，对于中间条基取d =( 3d1+ d2) /4，( d1自基坑内标高算起、d2自地面标高算起) ，这一规定符合地基承载力确定的原理，且综合考虑了基坑内、外未开挖土体的侧限影响，对于洞柱法形成的结构更趋于合理。
以上所论述的均是指条形基础在竖向荷载作用下的地基稳定性问题，竖向荷载过大，将导致地基深层的整体滑移破坏而失稳。而当边桩下采用条形基础时，其作用和受力形态将发生变化，除了承受竖向荷载作用外，还承受基坑外不平衡水平侧压力的作用，在底板结构封闭之前，如果此水平侧压力过大，其引起的地基失稳是沿基底产生的表面滑移破坏。因此，边桩条基尚应进行以上 2 方面的地基稳定性分析。
2． 4． 3 条形基础承载力设计
条形基础除应进行地基承载力验算外，还应满足自身的抗弯、抗剪和抗冲切等承载力要求，计算时应采用荷载效应的基本组合及相应的分项系数。如果条形基础作为永久结构的底纵梁及一部分底板结构使用时，尚需与永久结构的整体框架结构进行包络设计。

3 提高基坑开挖稳定性和地基承载力的技术措施
由于土体强度的不足，下导洞条基往往难以满足基坑开挖稳定性和地基承载力的要求。目前，在工程设计中较常采用的措施，是在纵向下导洞之间间隔一定的距离设置一座横向导洞，在横导洞内再施作横向条基，以形成桩、柱下十字条形基础，这样有效提高了基坑开挖的稳定性和地基的承载力。
但横导洞措施带来的相关问题不容忽视，例如施工环节的增加、底板结构施工缝的增多、作业空间狭小、工程质量难以控制及工程造价的提高等。因此，建议进行多方案技术、经济比选，如边桩下导洞下移嵌固、边桩锚索、加大边桩插入深度、V 字形土体开挖、地基加固等方案。尤其在纵向条基地基承载力能满足要求的情况下仍采用横导洞设置边桩支撑的作法，在目前的设计文件中时有发生，这样很不经济，应引起重视。

4 地铁车站合理埋深的确定

盖挖逆作法为了减小中间桩基的荷载、控制边桩与中间桩基的相对升沉，同时考虑工程的经济性，车站顶板覆土应尽量浅，通常情况下取 2． 0 ～ 3． 0 m。而对于具有相同受力特点的洞桩( 柱) 逆作法结构，由于其主要承载构件是在浅埋暗挖导洞内形成的，因此其除了需要满足盖挖逆作法相关的技术要求外，还要考虑浅埋暗挖技术的特点，合理确定车站结构的覆土厚度。
分析北京地区已建的地铁工程情况，线路所穿越的地层基本为第四纪全新世( Q4) 各时期形成的一般沉积土和新近沉积土，以粉质黏土、粉土、砂性土、圆砾卵石为主，基底持力层地基承载力标准值 fak一般在250～ 400 kPa，少数密实圆砾卵石能达到 400 ～ 600 kPa，不仅承载力有限，而且由于地层大多以互层形式分布，所以并非地层埋深越大承载力越高。通过大量的理论数值和工程实践分析，一般来讲，一座 12 m 或 14 m 宽岛式站台标准车站，地下二层三跨结构，为了较好地控制施工引起的地表沉降，其拱部覆土不宜小于 6． 0 m。随着埋深的加大，虽然地表沉降会随之减小，但由于覆土重量的增加使基础的压力急剧加大，在基底持力层的地基承载力 fa增长有限的情况下，过大的埋深将增加基础的设计难度和工程风险，设计时应根据工程地质条件、通过详细的计算分析后确定车站的合理埋深。就北京地区的地层条件而言，洞桩( 柱) 法结构的覆土厚度以不超过 18．0 m 为宜。

5 结语
随着洞桩( 柱) 法技术在地铁工程中的应用，无论设计还是施工，对其特点的研究和认识都在不断的提高，其优势显而易见，但与传统的 CRD 工法或新工法“一次扣拱法”相比，其工程投资大、工期长、作业环境差且埋深受到一定限制等问题也不能忽视，在实际工程中应作好技术、经济、安全、工期、工程质量、环境影响等各方面、全方位的比较后方可确定实施方案。

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