淺析石家莊地鐵車站基坑支護方案的優化選型

張會遠，尤培波

(河南城建學院)

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淺析石家莊地鐵車站基坑支護方案的優化選型

張會遠，尤培波

(河南城建學院)

摘要：城市地鐵施工多采用明挖法，但城市建筑密集、地質條件差，所以基坑支護是施工安全和質量控制最為關鍵的環節。基坑支護設計和優化是一項重要而又復雜的工作，文章采用價值工程理論，通過層次分析及模糊評價原則，分別對石家莊地鐵市區車站和市郊車站擬采用的各種支護形式進行綜合評價分析，確定基坑支護方案，并根據工程實際情況對支護參數進行調整和計算分析進行優化設計，最后，通過對比分析總結參數與變形及造價的變化規律，并提出安全、經濟、合理的支護形式。

關鍵詞：基坑工程；支護；參數選擇；綜合評價；優化設計

0引言

深基坑工程是一個涉及多專業多學科的系統工程，其中基坑支護方案是基坑工程中最為重要的組成部分，一個合理的支護方案，不僅能加快工程進度、保證工程安全，而且可以極大的降低工程成本。由于基坑支護方案，受多種因素影響，而且具有層次性和模糊性，因而，其評價權重的選取具有模糊性或階段性，因此，針對基坑工程支護方案所具有特殊條件選擇最優支護方案成為基坑工程經濟、安全實施的重點。本文參考相似地層城市車站深基坑支護、變形規律，基坑事故分析及控制對策，以及相關城市深基坑支護選型經驗和相關規程規范，結合對石家莊軌道交通1號線的水文地質條件進行分析，運用模糊學理論對擬采用的基坑支護型式進行優化計算，得出最優的支護型式。

1本地區基坑工程支護類型

通過對本地區基坑工程支護類型的調查，基坑支護主要分為三類。鉆孔灌注樁的基坑支護型式在石家莊地區使用較為普遍，具有一定施工經驗；當基坑寬度較大或較不規則時可采用預應力錨索作為內部支撐體系使用；當地面有適當放坡條件時可采用上部放坡下部排樁的支護型式。

2地鐵基坑支護方案選擇

2.1　初步確定支護方案

市區車站初步選擇三個方案:混凝土鉆孔灌注樁(方案Ⅰ)、“H”型鋼板樁(方案Ⅱ)、SMW工法(勁性水泥土攪拌樁法)(方案Ⅲ);

市郊車站初步選擇三個方案：上部土釘+下部鉆孔灌注(方案Ⅰ)、分級放坡復合式土釘墻(方案Ⅱ)、分級H型鋼板樁(方案Ⅲ)

2.2　支護方案的功能評價指標體系

表1　支護方案功能評價表

2.3　功能評價權重的確定

在多條件多因素綜合分析計算中，經常涉及各種條件的影響系數(加權系數)W的權重分配問題，影響系數需系統分析各項影響因素，綜合確定數值，系數選擇的合理與否對方案評價和優選存在較大影響。評價指標影響系數的確定方法很多，例如統計法、專家打分法、層次分析法、超標加權法、模糊逆方程法等。專家打分法及層次分析法是常用的分析方法。專家打分法，操作簡單，但受個人認知程度影響，主觀影響較重，在很大程度上，對評價的結果影響較大，容易導致誤判，在復雜重大基坑工程中較少采用這類方法。然而層次分析法不但思路清晰、系統性強，而且能夠避免主觀任意性等特點，被大量引用在該領域。本文章主要運用層次分析法來計算各指標的影響系數。

2.4　基坑支護方案功能的模糊評價

根據加權距優距離(S+)平方與加權距劣距離(S-)平方之和為最小的優化原則，建立目標函數

(1)

通過對目標函數求導數，并令導數為0解得

(2)

具體計算公式為

(3)

2.5　基坑支護方案成本評價

方案成本系數計算公式:方案成本系數(CI)=方案成本/全部方案成本之和。

方案成本系數代表著某一方案成本在全部方案成本總和中所占的比重，數值越大，成本耗費越多，方案成本就越差。

2.6　價值系數系數計算及方案排序

方案價值系數計算公式:方案價值系數(Vi)=方案功能系數(Fi)/方案成本系數(Ci)

方案價值系數代表著某一方案功能在全部方案成本中的比重，根據價值系數的大小對方案排序，價值數值越高方案越優。

2.7　車站方案優選計算結果

(1)市區車站

通過計算方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的功能評價系數分別為：FⅠ=0.352，FⅡ=0.336，FⅢ=0.323

方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的成本評價系數分別為：FⅠ=0.343，FⅡ=0.333，FⅢ=0.324

通過計算得出基坑支護方案價值系數如下

方案Ⅰ為：VⅠ=0.352/0.343=1.026

方案Ⅱ為：VⅡ=0.336/0.333=1.009

方案Ⅲ為：VⅢ=0.323/0.324=0.997

排序為VⅠ>VⅡ>VⅢ，依據價值工程理論評判準則，方案Ⅰ(鉆孔灌注樁)是最優的方案。

(2)市郊車站

同理計算的最優方案為上部放坡+下部鉆孔樁方案。

3對地鐵基坑支護方案進行優化

3.1　計算參數的選取

(1)巖土物理力學參數

軌道交通1號線線路較長，市郊類車站主要分布在車站大里程端部，其余車站均位于城市主干道下方，周邊建構筑物較密集，屬市區車站類，本次研究結合車站分布位置，在市郊車站、市區車站范圍分別選取各一個地質鉆孔進行分析計算。

表2　市區車站巖土物理力學參數

表3　市郊車站巖土物理力學參數

(2)基坑規格選取

本線除兩座同期實施的換乘車站局部采用三層的結構型式外，其余均為二層車站，因此本研究基于二層標準車站進行分析研究具體結構尺寸如表4。

表4　基坑參數表

(3)基坑變形控制保護等級標準見表5

表5　基坑變形控制標準

3.2　市區車站基坑主要支護參數優化分析

結合車站基坑支護中水平支撐的型式，分為鋼支撐、預應力錨索兩種情況進行分析，鉆孔灌注樁+鋼支撐的支護型式中選擇取鉆孔灌注樁直徑、灌注樁間距、樁嵌固長度為主要變量進行優化計算；鉆孔灌注樁+預應力錨索支護型式中選取鉆孔灌注樁直徑、灌注樁間距、錨索入射角度做為主要變量進行優化計算分析；最后針對鋼支撐與預應力錨索進行技術經濟比較，最終確定優化后的支護方案。

3.2.1鉆孔灌注樁+鋼支撐支護型式分析

(1)力學結算結果

地層參數按表2選取，采用同濟啟明星支護軟件進行計算，計算模型見圖1。

圖1　計算模型

插入比鉆孔灌注樁/mm整體穩定性系數坑底抗隆起系數水平位移/mm設計彎矩/(kN·m)鋼筋/mm配筋率0.25Φ800@14001.21.8914.6741.623Φ252.12%Φ1000@18001.211.8910.41053.824Φ251.45%0.3Φ800@14001.291.9514.4735.722Φ252.10%Φ1000@18001.291.9510.31043.624Φ251.43%0.35Φ800@14001.372.0214.3732.122Φ252.09%Φ1000@18001.372.0210.21036.224Φ251.42%0.4Φ800@14001.452.0914.1730.721Φ252.05%Φ1000@18001.452.0910.11031.522Φ251.38%

(2)經濟分析

表7圍護結構縱向單延米造價對比表(單位：mm)

序號樁插入比圍護結構型式價格 元/mΦ800mm@1400mmΦ1000mm@1600mmΦ1000mm@1800mm10.2546630.6947578.2846317.9020.347080.2448068.8146753.9230.3547473.6048498.0247135.4440.447923.1548988.5547571.47

通過表6分析，樁長是影響造價的主要因素，其次是樁的直徑及間距，在滿足基坑整體穩定性的條件下，Φ800mm@1 400mm的鉆孔灌注樁支護型式與Φ1 000mm@1 800mm的鉆孔灌注樁支護型式，造價基本相仿，而Φ1 000mm@1 600mm，造價相對偏高，考慮到本線部分車站主體穿越粉細砂層，樁間距較小時可防止沙土流失，暫推薦采用Φ800mm@1 400mm的鉆孔灌注樁。

3.2.2鉆孔灌注樁+預應力錨索支護型式分析

(1)力學結算結果

地層及采用軟件情況與4.1節完全相同，計算結果見表8。

表8　樁+錨索型式計算成果表

續表8

(2)經濟分析

表9　圍護結構縱向單延米造價對比表

針對上表分析，Φ800mm@1 400mm的鉆孔灌注樁，豎向設置四道預應力錨索，下插角度為20 °時較為經濟。

3.2.3鋼管支撐與預應力錨索經濟分析

本節針對同樣深度的基坑在不考慮格構柱的施工干擾及后期處理情況下，對樁加預應力錨索支護型式的單延米造價與樁加內支撐支護型式的單延米造價進行對比(錨索采用一次性錨索，考慮到鋼支撐重復利用，租賃時間按半年計)，當基坑寬度達到35m時，兩種支護型式造價才基本相當，因此，在不考慮其他相關施工因素，當基坑寬度較小時，鋼支撐的支護型式是較為經濟的。

表10　內支撐與錨索造價對比表

3.3　市郊車站基坑主要支護參數優化分析

針對上部土釘支護+鉆孔灌注樁的支護型式，鉆孔灌注樁的內支撐體系可以采用鋼支撐或預應力錨索的支護型式，通過以上計算可知，預應力錨索結構在基坑寬度不大的情況下，造價偏高，本節只正對上部土釘支護+下部鉆孔灌注樁+鋼支撐的支護型式進行優化計算，結合基坑的施工工序，將上部土釘放坡角度、土釘支護與樁支護高度分界作為主要變量進行分析。

表11　上部放坡開挖計算結果

表12　下部鉆孔灌注樁+內支撐計算結果

由上表可以看出，隨著土釘放坡高度加高及放坡角度加大，工程造價逐漸降低，然而考慮到規范中對土釘放坡高度的限制，以及對周邊環境的影響，推薦采用上部土釘放坡角度為0.4，放坡高度為12m，既為市區車站基坑支護的第三道支撐位置上部，下部采用鉆孔灌注樁樁加鋼支撐的支護型式。

4結論與討論

本文利用價值工程原理建立優選模型，系統描述了優選分析的計算過程，并取得較為滿意的效果，計算分析過程，可為類似基坑支護工程選型優化提供參考；在深基坑支護設計及優化方面，國內外學者提出了眾多基坑優化設計方法，但仍存有缺陷，例如層次性評價指標體系，評價指標、屬性值及其權重值的取值標準問題，如果沒有統一的標準，則推理計算的數值就不具有可比性。

國內對基坑支護相關方面研究較多，由于深基坑支護在時間和空間上是不斷變化的，具有很強的地域局限性，開挖地層和時間上也存在很大不確定性和不連續性，因此，深基坑工程是一個復雜的巖土工程，其不僅是基坑結構支護，還包括基坑降水及防排水措施、基坑開挖工法和工序的選擇、對地表和地層變形的控制、緊急救援預案等一系列復雜的工程問題，很難通過現行各種規范中的簡單而有限的解析公式安全準確地給出適合特定地域和地層圍巖條件的最優支護方案。這就需要在具體實踐工程中通過對現場支護結構應力應變及各部位變形進行實時監控，進行信息化施工，通過監測數據對基坑穩定性和安全性進行判斷和預測，根據監測分析進行信息反饋，隨時對地層圍巖的工程特性進行修正和變更，指導施工和優化支護設計。

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Optimization and Selection of Rataining and Protection Scheme

of Shijiangzhuang Metro Station Foundation Excavation

ZHANG Hui-yuan， YOU Pei-bo

(Henan University of Urban Construction)

Abstract:Cut and cover method is commonly used in the construction of city metro station, the supporting of foundation pits is the most critical step in construction security and equality control because of the dense buildings and unfavorable geological conditions in cities. The design and optimization of the supporting of foundation pits is essential and complex, in this paper, all the supporting forms of subway stations in urban and suburban areas of Shijiazhuang are comprehensively analyzed and assessed with value engineering according to Analytic Hierarchy Process (AHP) and Fuzzy Evaluation principals. Afterwards, the supporting program was determined, the supporting parameters were adjusted and the calculation and analysis was optimized based on the practical situation of the project. Finally, the change rule of construction cost and parameters were summarized by contrastive analysis and a secure, economical, and reasonable supporting form was put forward.

Key words:foundation pit engineering;support;parameter selection;comprehensive assessment;design optimization

作者簡介：張會遠(1979-)，男，平頂山郟縣人， 講師，研究方向：公路隧道。

收稿日期：2014-10-30

中圖分類號：TU94+2

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2015)08-0005-03