深基坑支護結構的模擬計算與分析

賀鵬飛

【摘要】以武漢市地鐵6號線某標段區間風井為例，采用理正深基坑軟件計算了相同條件下的地連墻支護結構和排樁支護結構的基坑位移和穩定性，通過兩種方案計算結果的對比表明，深基坑地連墻支護結構在水文地質條件較差的情況下，以其良好的工作性能，值得在相應條件的基坑中廣泛應用。

【關鍵詞】基坑支護地連墻圍護結構穩定性

1、工程概況

6號線江城大道站至老關村站區間風井位于武漢市漢陽區太子湖路與規劃道路交叉口東南側。主體結構為四層三跨箱型結構。結構采用明挖法施工，基坑圍護結構采用1.2m厚地連墻，第一道支撐采用鋼筋砼支撐（B*H=1.0*1.0m），四、五道支撐采用鋼筋砼支撐（B*H=1.1*1.1m），第二、三、六道支撐采用鋼管支撐（Ф=800mm，t=16mm）。圍護結構上冠梁設計尺寸1.6m*1.2m。基坑長19.2m（沿線路方向），寬度29.8m，開挖深度28.7m，地連墻最深41.4m。

2、工程地質和水文

2.1工程地質

本風井場區地貌為河流侵蝕堆積平原，地形較為平緩，地表高程21.2-21.7m。地層情況主要為全新統河流沖擊黏性土及剝蝕堆積中更新統黏性土、角礫。。

2.2水文地質

場區地下水主要為上層滯水、孔隙承壓水。上層滯水主要賦存與填土中，穩定水位埋深1-2m；承壓水主要賦存于覆蓋層下部角礫、碎石層中，承壓水頭高程19m。

3、基坑圍護結構型式

3.1圍護結構設計原則

圍護結構的計算采用荷載結構模式，按《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-2012），采用荷載增量法原理進行內力計算。基坑安全等級和重要性等級均為一級，并按此等級對基坑穩定性及變形進行驗算。在進行穩定性驗算時，各荷載分項系數均取1.0。基坑變形控制保護等級為一級，地面最大沉降量≤40mm，最大水平位移≤40mm。

3.2荷載及計算

本工程采用理正深基坑支護設計軟件（6.0）進行計算分析。結構自重：鋼筋混凝土容重25kN/m3。水土側壓力：施工階段按朗金主動土壓力計算，對強、中透水層按水土分算，弱、微透水層按水土合算。靜水壓力：水容重取10kN/m3。可變荷載取用最不利情況：基坑邊地面超載等效均布荷載取用20kPa，第一道鋼砼支撐施工荷載4kN/m。地連墻嵌固深度12.7m。

3.3工程材料

地連墻：C30級混凝土、抗滲等級P6。冠梁、支撐：C30級混凝土。鋼筋：HPB300級及HRB400級熱軋鋼筋。鋼支撐：外徑Ф800mm鋼管，壁厚16mm，Q235B鋼。保護層50mm。

3.4主要施工步驟

場地三通一平——施工地連墻及冠梁——施工止水旋噴樁——開挖土方，依次架設支撐——清理基底、鋪設墊層——自下而上依次澆筑砼結構、依次拆除支撐——回填土方——回復路面。

開挖階段保持地下水位在開挖面以下1m，開挖至基坑底后，保持地下水位在坑底1m。在土方挖到鋼支撐中心線下0.5m后及時架設鋼支撐并施加預應力。

4、地連墻支護結構驗算

本次驗算分別對地連墻的短邊（19.2m）、長邊（29.8m）兩個單元進行了受力變形和穩定性驗算。下面以短邊為例對計算過程和結果進行簡要說明。

4.1信息錄入

軟件需錄入的工程信息分為3個方面：基本信息、土層信息、支錨信息。其中大部分信息可依據規范及圖紙錄入，而支錨信息中的支錨剛度和材料抗力需計算后錄入，計算公式詳見《建筑基坑支護技術規程附錄》。

4.2結構計算

通過上面的結構計算，可以得到不同工況下的位移、沉降和內力情況，經過分析，得到進行穩定性分析時的內力取值，如下：

1.基坑內側最大彎矩（kN.m），彈性法計算值2902.12，經典法計算值2251.20，內力設計值2713.48，內力實用值2713.48。

2.基坑內側最大彎矩（kN.m），彈性法計算值4414.14，經典法計算值2755.43，內力設計值4127.22，內力實用值4127.22。

3.基坑內側最大彎矩（kN.m），彈性法計算值2740.86，經典法計算值739.67，內力設計值2740.86，內力實用值3014.94。

根據內力情況，對地連墻和冠梁進行合理配筋。

4.3結果

在最不利荷載的情況下，中間風井的整個施工過程中，側向位移量、沉降量、整體穩定性等方面都是滿足規范和設計要求的。

5、排樁支護結構設計及驗算

經過對地連墻支護結構的模擬計算，得到了按照設計圖紙方案施工是滿足基坑整體穩定性要求的結論，然而我們還需要考慮比地連墻結構更經濟的施工方案的可行性，比如排樁支護結構，下面就對排樁支護結構進行設計并模擬驗算其施工的安全性。

5.1排樁支護結構設計

排樁支護結構采用鉆孔灌注樁和內支撐的型式。鉆孔灌注樁樁徑1.0m，樁間距1.3m，混凝土強度等級C30，嵌固深度6m。其他數據，如冠梁、荷載、土層、支撐、工況等皆與地連墻結構設計保持一致。

5.2排樁支護結構驗算

對排樁支護結構，同樣分別在短邊、長邊兩個方向，進行了受力變形和穩定性驗算。

具體方法和計算過程同地連墻結構的計算過程。下面列舉短邊方向幾個主要的驗算結果圖表：

5.3結果

通過對排樁結構的短邊、長邊兩個方向的單元進行受力變形和穩定性驗算，得到的結果是，在相同條件下，采用排樁結構施工過程中，側向位移量、沉降量、整體穩定性等方面同樣是滿足規范和設計要求的。

6、對比和分析

兩種圍護結構施工方案分別為地連墻支護結構和排樁支護結構，兩種方案下又分別對短邊（19.2m）、長邊（29.8m）進行了單元計算，所以就有地連墻結構短邊單元、地連墻結構長邊單元、排樁結構短邊單元、排樁結構長邊單元，這4種單元計算結果。通過對4種單元結果對比，同時結合施工中實際監測數據，可以得到如下幾條結論：

6.1側向位移對比分析

對4種單元情況下不同工況深度的向基坑內側側向位移最大值進行匯總。同時將實際監測數據的向基坑內側側向位移與地連墻短邊位移進行對比匯總。

可以看出開挖施工中有兩個危險點，距地面深度分別是3.6m和9m，也即是第一道和第二道支撐附近的位置。這兩個危險點在整個開挖過程中，一直是最大的側向位移點，所以在施工到這兩個支撐位置時，要特別關注，重點控制，及時架設支撐，及時對鋼支撐施加軸力，時刻注意這兩個危險點的位移數據和軸力數據，若出現報警值，及時果斷的采取相應應急措施。

6.2地表沉降對比分析

對4種單元情況和實際數據的基坑邊緣地表沉降最大值進行匯總：

地連墻短邊：基坑邊緣地表最大沉降14mm

地連墻長邊：基坑邊緣地表最大沉降19mm

排樁短邊：基坑邊緣地表最大沉降19mm

排樁長邊：基坑邊緣地表最大沉降28mm

實際監測：基坑邊緣地表最大沉降9.8mm

通過對比可以看出，無論是地連墻結構還是排樁結構，長邊的沉降量總是大于短邊方向的沉降量，所以在風井結構的施工中，在長邊方向要注意施工質量，及時架設支撐，尤其注意基坑長邊周邊范圍的機械停放、材料堆放等會增大荷載的偶然情況，將基坑周邊荷載控制在允許范圍內，時刻注意沉降量數據，若出現報警值，及時果斷的采取相應應急措施。

6.3兩種方案的對比分析

在相同條件下，兩種方案的側向位移量、沉降量、整體穩定性等方面都滿足規范和設計要求的。但是排樁結構的位移值、沉降量、穩定性都普遍的比地連墻結構數值要大，也就是排樁結構更不穩定。而且排樁長邊的最大位移和沉降都達到或超過了基坑變形控制的預警容許值28mm，即最大值40mm的70%。這就降低了選用排樁方案的可行性。

同時，在進行長邊方向排樁結構計算分析時，出現了需要將樁基保護層厚度設置為35mm，軟件才能進行合理配筋的情況，根據《建筑樁基技術規范》要求：灌注樁主筋的混凝土保護層厚度不應小于35mm，這個保護層厚度已經達到了極限最小值。這進一步降低了選用排樁方案的可行性。

同標段的江城大道站圍護結構采用的是排樁支護結構施工，兩者對比，可以發現中間風井的地質水文情況要比江城大道站差且復雜，所以中間風井圍護結構的止水功能在設計時占了一定的比重。

而一般的排樁支護結構多搭配旋噴樁或攪拌樁進行止水施工，由于排樁為彈性結構，旋噴樁為脆性結構，對土體位移比較敏感，而計算出的側向位移又很大，很容易因為土體的位移而脆裂，難以保持整體穩定性，所以綜合考慮各項條件，中間風井的圍護結構不是很適合采用排樁結構。

所以，根據地連墻的止水功能強，且施工速度快，施工精度高，比較適用于厚的淤泥、砂層、粘性土層等軟地基等特點，中間風井的圍護結構采用地連墻結構比較合理。

結語：

大多地鐵車站都是興建在市區繁華地段，因此基坑圍護結構必須保證足夠的穩定性。基于圍護結構多作為臨時使用，若設計時只追求穩定性，而選擇保守的安全系數，有造成較大浪費。相反，如果由于特定原因導致基坑失穩破壞，則后果同樣非常嚴重。所以地鐵的圍護結構要綜合考慮地質水文、止水功能、穩定性、造價等情況來進行設計和施工。而地連墻支護結構在地質較差的條件下，是一種止水功能強，安全性高的支護手段，值得在相應條件下大力推廣。

參考文獻：

[1]《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-2012）.

[2]《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）.

[3]武漢市軌道交通6號線一期工程施工設計圖.

[4]閆繼龍.《大連地鐵一號線港灣廣場站深基坑支護設計》.

[5]王佳音.《地鐵車站深基坑支護設計的數值模擬研究》.