基于事例分析基坑圍護結構設計

摘要：本文通過對四川某地鐵車站基坑圍護結構，黃土地區(qū)基坑圍護結構以及沿海富水地區(qū)鐵路地下隧道基坑圍護結構三個具體基坑圍護設計事例進行分析，闡釋不同地理條件下基坑圍護結構的不同結構設計方案。

關鍵詞：基坑圍護;結構設計

引言

基坑工程是一個綜合性的巖土工程問題，并且也是土力學基礎工程中的一個古老的傳統(tǒng)課題，它幾乎涉及到工程與巖土巖土力學的各個領域：比如土力學、結構力學、水文地質學、工程地質學以及監(jiān)理、監(jiān)測、施工方法等多個領域。進入21"世紀，計算機技術的不斷發(fā)展進步、基坑測試技術的不斷提高，引領基坑工程進入了一個快速發(fā)展的時期，各種創(chuàng)新的設計理念、完善的設計理論和先進的測試技術不斷地被應用于基坑工程中。基坑工程是一項龐大而復雜的基礎工程，幾乎涉及到巖土力學與工程的各個方面。在基坑開挖過程中不僅要保證自身的安全與穩(wěn)定性，同時還要有效地控制基坑周圍土層發(fā)生的移動以及保護周圍環(huán)境安全。實踐研究表明，設計不合理、施工措施不得當，現場管理不完善等，都會造成土體失穩(wěn)現象，并可能導致基坑周圍建筑出現裂縫、發(fā)生傾斜、地下管線斷裂等，輕則影響居民生活質量，重則破壞環(huán)境甚至造成人員傷亡。因此，基坑圍護結構設計顯得尤為重要。

1基坑開挖與圍護狀況特點

近年來，基坑開挖及其圍護問題已經成為建筑工程界的熱點問題之一。隨著基坑工程數量與日俱增、規(guī)模日漸加大、分布區(qū)域多樣化，其暴露的問題也愈發(fā)嚴峻。在我國，基坑開挖與圍護狀況具有以下特點：

（1）基坑越挖越深。大中城市的高層建筑地下室普遍建1～2層，而3～6層地下室也不斷出現。因此，基坑深度多大于"10m。

（2）工程地質條件越來越差。由于我國地域遼闊，地形條件多樣化，城市建設地質條件復雜。大多發(fā)達城市位于湖濱、海濱、淤河、泥塘或沼澤地等特殊地質條件。

（3）基坑的周邊有已經建成或正在建設的建筑物。在工程的建設中不但要保證基坑本身的穩(wěn)定性和安全性，還要考慮周邊的建筑物或公共設施是否安全，如果基坑建在建筑物密集地區(qū)，那么該區(qū)域內建筑物的正常運行必定會受到影響。

（4）基坑圍護方法較多。諸如鋼支撐、木支撐、砂袋堆撐、拉錨、抗滑樁、注漿、噴錨網、人工挖孔樁、深層攪拌樁、地下連續(xù)墻等圍護法，以及各種墻、管、樁、板、撐同錨桿聯合圍護法等，多種多樣。

（5）基坑工程事故時有發(fā)生。造成市政交通堵塞，影響居民安定生活，給國家造成巨大經濟損失。

基于以上所述我國基坑開挖特點及圍護方法，基坑開挖與圍護依據不同地質條件實施不同施工方案，以確保工程順利進行，降低事故發(fā)生可能性，為人民安定生活及國家事務正常運行提供有力保障。

2"基坑圍護體系簡介

基坑圍護體系，是由圍護結構與支撐結構共同構成。圍護結構主要承受由于基坑開挖過程中側向土體卸載產生的側向土壓力和水壓力，另外還要將上部所承受的壓力傳遞給支撐結構以減少擋土結構由于受到大的側向土壓力而發(fā)生大變形。基坑圍護體系，是由土體和支護結構共同作用形成的一個整體，由于基坑開挖過程中由于受到基坑周圍建筑物及地下管線等因素的影響，所以對支護結構變形及其安全的要求往往很高。在基坑施工過程中，一方面要保證基坑內部施工便利、基坑的安全穩(wěn)定，另一方面還要控制基坑四周土層的變形程度在可控范圍內，以確保周圍建筑物、管道的安全正常使用。

目前，主要的圍護結構類型有：內撐式圍護結構;懸臂式圍護結構;重力式圍護結構;拉錨式圍護結構;土釘式圍護結構。隨著基坑工程的不斷發(fā)展，將在基坑建設中衍生出新的圍護結構和支撐結構施工方法與施工工藝。

3"基坑圍護結構設計事例分析

3.1四川某地鐵車站基坑圍護結構

目前我國地鐵車站建設主要采用的是鉆孔灌注樁或鉆孔咬合樁、土釘墻支護或噴錨網支護、型鋼混凝土復合攪拌樁（SMW工法樁）、和地下連續(xù)墻等基坑圍護結構。

由于本工程基坑四周下方埋設眾多市政管線，緊鄰基坑4m處埋有長樂橋的橋墩，在基坑開挖、降水過程中，若采取措施不利，會導致周圍土體產生側向位移和變形，從而使橋基發(fā)生不均勻沉降而產生傾斜，甚至影響橋梁結構的穩(wěn)定安全。

根據濕陷性黃土已有的基坑工程成功的實踐經驗，類似的基坑工程中可供選擇的圍護體系地下連續(xù)墻、型鋼水泥土攪拌墻和有鉆孔灌注樁結合隔水帷幕。但是，由于該地區(qū)施工技術、經驗相對比較貧乏，地下連續(xù)墻的造價較高，從經濟方面考慮不合適。型鋼水泥攪拌墻的剛度相對于地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁小，變形較大，不利于應用到對周圍環(huán)境保護要求高的基坑工程中。

鉆孔灌注樁結合隔水帷幕是一種比較成熟的工法，質量易于控制，噪音小，具有良好的隔水效果，且造價經濟。因為鉆孔灌注樁的剛度大，其圍護結構的變形較小，適用于對變形控制要求高的基坑項目。隔水帷幕可以參照工程的地質條件、周圍環(huán)境和經濟因素來選取。

經權衡，該地鐵車站基坑圍護結構選用鉆孔灌注樁結合高壓旋噴樁做止水帷幕的方案。

3.2黃土地區(qū)地鐵站基坑圍護結構

近年來黃土地區(qū)基坑圍護研究、理論與技術發(fā)展迅速，在黃土地區(qū)修建地鐵才剛剛開始，由于城市地鐵車站基坑工程的特殊性，因此急需開展黃土地區(qū)地鐵車站基坑圍護結構變形規(guī)律的研究。

以下是以黃土地區(qū)某地鐵車站基坑工程為例，采用理論分析、現場監(jiān)測和有限元數值分析相結合的方法對基坑開挖過程中的圍護結構變形規(guī)律開展研究，并結合工程實際情況設計基坑圍護結構。

研究的地鐵車站基坑長225.7m，基坑標準段寬度為24.9m深14.7～15.6m，節(jié)點部分深"21.7m。采用明挖順作法施工，基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁，基坑內設鋼管支撐。鋼支撐采用內徑φ=600mm鋼管，壁厚14mm，圍檁采用雙拼H型鋼700×300×13×24，鋼管及圍檁材質為φ=235-B。灌注樁及冠梁采用C30混凝土，中間擋土板采用C25混凝土。鉆孔灌注樁保護層，擋土板保護層，冠梁混凝土保護層分別為70mm，25mm，50mm。根據本地鐵站結構形式，以及場地地質及周圍環(huán)境特征，再結合深基坑施工設計經驗，計算采用φ=1"000+1500鉆孔灌注樁+鋼管作為主體圍護結構的內支撐，樁間土用掛網噴射混凝土，樁頂設置鋼筋混凝土冠梁，截面b×h=1.0m×0.8m"和b×h=1.2m×0.8m。標準段基坑深度豎向設置兩道支撐，水平距4m，局部區(qū)域水平間距"3～5m，圍護樁在計算主體結構時作為永久結構進行計算。

如圖為截面處基坑圍護結構布置：

圖1"基坑圍護結構截面布置圖

3.3沿海富水地區(qū)鐵路地下隧道基坑圍護結構

海南東環(huán)鐵路美蘭地下隧道（含地下車站）是全線控制性工程。該隧道及地下車站可采用明挖順做法施作，并首次在國內大范圍進行應用的以旋噴樁+鉆孔樁作為圍護結構和鋼支撐+預應力錨索作為支撐體系。這種圍護支撐體系在國內沿海富水地區(qū)是首次大范圍的應用這種體系，不但節(jié)省了大量鋼材，大大改善了施工條件，加快了施工進度，而且更能保證施工安全。該研究成果可為沿海富水地區(qū)類似工程建設提供強有力的技術支持。

一道混凝土支撐加三道鋼支撐是原來的地下車站基坑圍護體系的設計方案，這個方案有一些弊端，我們的優(yōu)化方案是保留原來的一道混凝土支撐和最下面的一道鋼支撐，而上部兩道鋼支撐則用兩排錨索代替，這樣的設計大大地縮短了工期，因為節(jié)省了施工開挖過程中的換撐時間，而且該地區(qū)沒有滿足要求的大量的鋼支撐的問題也得到了解決。保留第三道鋼支撐的原因是考慮到第三道鋼支撐是位于地面水位以下的，因而圍護結構所要承受的水壓較大，而錨索的成孔又存在較大困難，綜合各種因素我們還是采用剛度較大的鋼支撐，這樣能夠更好的保證基坑的安全性。

如圖為支撐結構橫斷面：

圖2"基坑混合支護結構典型橫斷面（單位：mm）

4"結束語

日前，我國許多城市地下軌道交通建設的進程逐步加快，但是由于基坑開挖風險大，影響其穩(wěn)定性因素較多，圍護結構形式、特點的不同，其適用范圍也各不相同，設計和施工單位都在尋求更加適用、優(yōu)良的圍護方案。基坑的設計和施工，已成為地下工程領域的日益升溫的研究熱點和必須克服的技術難點，合理的基坑圍護的設計和施工方案，達到既經濟合理又安全可靠的目標，已然成為目前巖土工程界的重要研究課題之一。

參考文獻：

[1]何紅等.建筑住宅深基坑圍護結構體系設計和施工技術分析[J].施工技術，2013（12）：213-215

[2]周勇等.沿海富水地區(qū)鐵路地下隧道深基坑施工技術[J].鐵道工程學報，2014（3）：82-86

[3]劉杰.黃土地區(qū)地鐵車站基坑圍護結構變形規(guī)律監(jiān)測與數值模擬研究[碩士學位論文].四川：四川科技大學，2008

[4]郭穎.四川某地鐵車站深基坑圍護結構設計及變形規(guī)律研究[碩士學位論文].四川：四川科技大學，2010