深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)分析

劉 志

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著國內(nèi)地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出越來越多的車站明挖基坑，明挖法也是地鐵車站基坑開挖比較常用的施工方法之一[1]。在進(jìn)行明挖基坑設(shè)計(jì)時(shí)，首要的任務(wù)就是根據(jù)工程場地的地質(zhì)水文、建筑物分布及周邊管線等工程環(huán)境，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型和支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[2]。本文以某地鐵車站主體基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為背景，對(duì)深基坑設(shè)計(jì)過程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和研究，為以后類似的基坑工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

本文基坑所在的車站為線路中間站，車站主體為地下2 層結(jié)構(gòu)，采用通道換乘形式與遠(yuǎn)期線路交叉，車站兩側(cè)共設(shè)置3 個(gè)出入口和2 個(gè)風(fēng)亭。車站基坑總長度為212.6 m，寬20.2 m（盾構(gòu)井段寬24.5 m），結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度約為3.0 m，底板埋深為17.1～18.7 m，采用明挖順作法施工。

設(shè)計(jì)主體基坑位于規(guī)劃道路的十字路口交叉處，主體基坑呈南北向布置，跨路口布置于道路西側(cè)。主體基坑西北側(cè)為待建住宅小區(qū)，西南側(cè)為空地，東北側(cè)空地有幾處待拆遷廢棄溫室大棚，東南側(cè)為待建商業(yè)中心地塊。基坑平面布置見圖1。

2 基坑圍護(hù)形式設(shè)計(jì)

2.1 車站施工方法比選

圖1 車站主體基坑平面布置圖

目前，國內(nèi)進(jìn)行車站基坑開挖的主要方法有：明挖順作法、蓋挖順作法和蓋挖逆作法等，對(duì)于場地環(huán)境較為復(fù)雜的車站還會(huì)進(jìn)行分段采用蓋挖和明挖組合的方法進(jìn)行開挖。本基坑周邊建筑物較少，且遠(yuǎn)離市區(qū)，周邊交通壓力小，地下管線具備一定的遷移條件，從安全、經(jīng)濟(jì)、快速的角度，車站優(yōu)先采用明挖順作法施工。

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，場地水土腐蝕性評(píng)價(jià)結(jié)論主要為：地下水主要通過SO42-離子對(duì)混凝土產(chǎn)生微腐蝕性，通過Cl-離子對(duì)鋼筋產(chǎn)生中腐蝕性；場地土主要通過SO42-離子對(duì)混凝土產(chǎn)生微腐蝕性，通過Cl-離子對(duì)鋼筋產(chǎn)生微腐蝕性。

通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選并參照勘察報(bào)告結(jié)論，圍護(hù)鉆孔灌注樁采用的混凝土等級(jí)為C35，抗?jié)B等級(jí)采用P8，鉆孔樁鋼筋保護(hù)層厚度為70 mm，鋼筋等級(jí)采用HRB400 級(jí)（后期有截?cái)鄷r(shí)采用玻璃纖維筋替代），鋼支撐、鋼板、型鋼采用Q235-B 級(jí)鋼。

2.3 圍護(hù)形式選擇

基坑西南和東北象限均有待施工項(xiàng)目，場地地下水位較高，且基坑周邊市政管線較多，開挖采用放坡開挖比較困難。考慮到基坑周邊無重要建筑物，對(duì)開挖變形要求可適當(dāng)降低，本站圍護(hù)采用排樁支護(hù)，并隨基坑開挖采取適當(dāng)?shù)慕邓胧?/p>

本文基坑圍護(hù)采用的排樁為φ1.0 m@1.3 m 的鉆孔灌注樁，并在排樁結(jié)構(gòu)外圍采用φ0.85 m@0.6 m的三軸攪拌樁作為止水帷幕結(jié)構(gòu)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁長范圍在24.5～28.5 m 之間，圍護(hù)樁插入比參照工程類比及計(jì)算結(jié)果確定，插入比控制范圍為0.45～0.5。

3 基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 內(nèi)支撐形式選擇

基坑開挖影響范圍內(nèi)的土層主要為砂土或黏土，場地地下水位高，圍護(hù)側(cè)壓力大，經(jīng)過計(jì)算并結(jié)合工程全線車站基坑統(tǒng)籌安排，采用φ0.8 m 鋼管撐作為主體基坑圍護(hù)支撐比較合理。車站盾構(gòu)井部分受力情況復(fù)雜，計(jì)算過程中第一道支撐可能出現(xiàn)受拉情況，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)和受力計(jì)算，盾構(gòu)井部分基坑支護(hù)第一道支撐局部采用矩形鋼筋混凝土支撐（斷面尺寸0.8 m×1.0 m）的形式。第一道支撐通過冠梁與圍護(hù)樁聯(lián)結(jié)以形成整體，其他支撐通過腰梁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)。

3.2 內(nèi)支撐平面布置

支撐結(jié)構(gòu)平面布置要根據(jù)內(nèi)力計(jì)算、柱子等其他結(jié)構(gòu)位置、施工機(jī)具尺寸、施工組織安排等綜合考慮，本次設(shè)計(jì)鋼管支撐在平面方向一般按照3 m 一道進(jìn)行布置（第一道支撐橫向間距為6 m），支撐布置時(shí)盡可能使第一道支撐與其他各道支撐在豎向重合以利于施工期出土，并盡量避開柱子等其他結(jié)構(gòu)。圍護(hù)樁及支撐布置情況見圖2。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

3.3 內(nèi)支撐豎向布置

3.3.1 基坑安全等級(jí)及計(jì)算主要標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)基坑開挖變形及相關(guān)穩(wěn)定性的要求等均按照一級(jí)基坑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，地表最大沉降量小于等于0.15%H，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移小于等于0.2%H，且小于等于30 mm；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1；荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.25。

3.3.2 支撐系統(tǒng)豎向布置

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)類比及設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，為保證基坑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全，本次設(shè)計(jì)采用3 或4 道鋼管支撐（第一道支撐局部采用混凝土支撐）+1 道鋼管倒撐的形式，支撐豎向間距由支撐軸力計(jì)算結(jié)果及施工步序影響綜合確定。支撐豎向斷面布置見圖3、圖4。

圖3 斷面布置圖

圖4 斷面布置圖

3.3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

基坑開挖范圍內(nèi)的土層主要為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)人工填土層或沖、洪積層（含粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉細(xì)砂和中砂等）。地下水類型主要為松散層淺層孔隙潛水，地下水埋深淺，受降水和人類活動(dòng)影響較大。采用地面高程作為設(shè)計(jì)水位。

基坑外側(cè)土壓力采用朗肯土壓力理論計(jì)算，土層參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果綜合確定，開挖面以下用彈簧模擬地層水平抗力。圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算根據(jù)先開挖后支撐的實(shí)際情況，分各個(gè)階段進(jìn)行計(jì)算。典型斷面的圍護(hù)樁內(nèi)力變形計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 典型斷面的圍護(hù)樁內(nèi)力圖

4 基坑抗浮及抗突涌穩(wěn)定性分析

4.1 設(shè)計(jì)概況

根據(jù)相鄰車站降水試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，基坑降水采用坑內(nèi)降水，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用三軸攪拌樁作為止水形式。結(jié)合結(jié)構(gòu)抗浮計(jì)算分析結(jié)果，設(shè)計(jì)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行了調(diào)整，并對(duì)降水過程中的抗突涌穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

4.2 基坑抗浮設(shè)計(jì)

4.2.1 抗浮設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)抗浮計(jì)算主要分自重計(jì)算、浮力計(jì)算、抗浮樁抗力計(jì)算3 個(gè)部分。其中，自重部分應(yīng)綜合考慮車站結(jié)構(gòu)各層板自重、梁柱及側(cè)墻自重、頂板上覆土自重和圍護(hù)樁自重等，當(dāng)計(jì)入圍護(hù)樁摩阻力時(shí)，安全系數(shù)由1.05 增加至1.1。當(dāng)計(jì)算安全系數(shù)不滿足要求時(shí)，采取增加抗浮措施的方法，直至計(jì)算安全系數(shù)滿足為止。

4.2.2 抗浮措施

本次基坑設(shè)計(jì)過程中，除盾構(gòu)井部分基坑采用抗浮樁參與抗浮外，其他部分采用借助圍護(hù)樁參與抗浮計(jì)算的措施；圍護(hù)樁和主體結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)采用壓底梁或壓頂梁的形式；通道換乘部分考慮遠(yuǎn)期下穿造成樁截?cái)嘤绊懀C合采用壓底梁和趾板外擴(kuò)部分回填土的措施。

4.3 抗突涌穩(wěn)定性分析

4.3.1 抗突涌設(shè)計(jì)

當(dāng)基坑底部土層具有承壓性時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)基坑進(jìn)行抗突涌穩(wěn)定性分析，基坑開挖至主體結(jié)構(gòu)施作完成的每一個(gè)工況均應(yīng)進(jìn)行抗突涌穩(wěn)定性計(jì)算，抗突涌穩(wěn)定條件為承壓水層頂面以上土層及結(jié)構(gòu)物的自重壓力大于承壓水頭對(duì)承壓水層頂面造成的頂托力，并具有一定的安全儲(chǔ)備，安全系數(shù)Fs一般取1.1。

4.3.2 抗突涌設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，坑底下粉細(xì)砂層有承壓性。取底板施工完成時(shí)為例進(jìn)行簡要分析，主要計(jì)算參數(shù)有：承壓水土層頂埋深29.74 m，承壓水水位埋深5.6 m；基坑開挖深度18.81 m；土層重度19.7 N/m3，混凝土重度25 N/m3；基坑底板厚度1 m，墊層厚0.2 m，計(jì)算示意圖見圖6。

上浮土及結(jié)構(gòu)物自重力：

圖6 抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算示意圖

Ps=1.2×25+(29.74-18.81)×19.7=245.3 N/m2，

承壓水頂托力：

Pw=(29.74-5.6)×10=241.4 N/m2，

抗突涌安全系數(shù)：

Fs=Ps/Pw=245.3/241.4=1.02＜1.1.

通過計(jì)算分析，基坑抗突涌尚不滿足要求，經(jīng)綜合分析論證，該工況應(yīng)繼續(xù)施作部分結(jié)構(gòu)后調(diào)整基坑降水措施。

5 結(jié)語

a）基坑設(shè)計(jì)應(yīng)以地質(zhì)勘察資料為主要依據(jù)，立足工程地質(zhì)和場地環(huán)境條件，具體問題具體分析，進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。

b）基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)后續(xù)應(yīng)密切關(guān)注施工實(shí)際，根據(jù)現(xiàn)場施工情況、開挖顯示地質(zhì)情況、監(jiān)測數(shù)據(jù)等反饋結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。

c）基坑開挖影響范圍內(nèi)有建筑物、地下管線、地下構(gòu)筑物等時(shí)，變形測量控制值應(yīng)按不影響其正常使用要求確定，并應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的要求。