地鐵砂質地層深基坑土壓力研究

徐長勝 謝 軍

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019）

在基坑支擋結構施工中，其與構筑物之間的土體寬度有限，可能會影響施工質量。根據相關研究發現，在地鐵車站基坑支擋結構后方，支擋結構向基坑方向位移，進而形成有限土體壓力，而由于支擋結構后方土體寬度有限，因此，如果土體結構有裂縫，無法延伸至地面，不能應用經典的土體壓力理論進行分析。對此，可創建有限土體土壓力計算模型，確定有限土體土壓力的變化規律。

1 工程簡介

本文選擇某地鐵車站作為研究對象，通過對施工區域進行地質勘查，地質結構比較復雜，主要為砂質地層，在地鐵車站施工中，地下結構一般為兩層。在該地鐵車站基坑圍護結構施工中，為提升止水效果，采用鉆孔灌注樁施工技術以及鋼管內支撐施工技術，在局部施工中，選用旋噴樁技術，而在基坑外，還應采用適宜的降水技術。在基坑開挖施工中，綜合考慮施工現場實際情況，制定明挖施工方案。另外，在本工程施工前，對施工現場進行環境勘查，基坑周邊共有12 座構筑物。

2 地鐵車站基坑多點支撐支擋結構有限土體土壓力計算模型

2.1 土體結構和支擋結構接觸面之間的強度分析

2.1.1 墻土間黏著力。在土體結構以及支擋結構之間，可形成黏著力，一般為土體凝聚力的1/4～1/2。

2.2 土體結構兩側墻面土體結構剪切力所造成的破裂角

在土體結構滑動面以及大主應力之間，可形成一定的夾角，可根據 π/4+φ/2進行計算。如果墻背平整度比較高，則土體中大主應力的方向始終保持豎直，在滑裂面以及水平面之間，也可形成一定的夾角，即 π/4+φ/2。

2.3 多點支撐支擋結構有限土體土壓力計算模型

2.3.1 有限土體結構土壓力計算模型。在該地鐵車站基坑圍護結構施工中，有限土體結構壓力計算模型如圖1 所示，受力情況如圖2 所示。

圖1 基坑與緊鄰構筑物間有限土體

圖2 有限土體受力分析

對于土體結構寬度，可設為b，而對于基坑開挖深度，可作為H1，在滑裂面和水平面之間，夾角為 θ = π /4+ φ/2。

在有限土體上，基坑支擋結構也會對其形成一定的水平力，可作為E1，對于剪切力，可作為T1，對于基坑周邊構筑物基礎結構作用于有限土體的水平力，可作為E2，而對于底部滑移面位置發向力以及切向力，可分別應用R 與T3表示。

當有限土體結構恢復至平穩狀態時，水平向受力和豎向受力之間能夠保持平衡狀態，計算公式如下：

2.3.2 有限土體臨界寬高比。當土體結構存在潛在滑動面，并且逐漸延伸至地表時，土體寬度和基坑深度之間的比值即指的是有限土體的臨界寬高比，可設定為ncr。

對于有限土體臨界寬高比ncr，可根據以下公式計算：

在上述公式中，bcr指的是與臨界寬高比所對應的臨界土體寬度。

3 砂質地層有限土體土壓力影響

在本工程施工中，在車站基坑開挖施工方面，最大開挖深度為25.0m，根據現場勘查，本工程施工場地地層力學參數如表1。

表1 土體物理力學參數

3.1 基坑開挖施工中有限土體臨界寬高比的變化。在地鐵車站基坑開挖施工過程中，地層參數也會發生較大變化，對于各項參數，可直接代入公式（6）中，即可確定基坑開挖施工中不同深度位置有限土體臨界寬高比，如圖3 所示。

圖3 有限土體寬度與寬高比臨界值

通過對表3 進行分析，在砂質地層施工區域進行基坑開挖施工，有限土體寬度會顯著增加。通過對圖2 進行分析，隨著基坑開挖深度的不斷增加，有限土體寬度會隨之增加，同時會對基坑結構穩定性產生較大影響。

3.2 有限土體土壓力對于圍護結構內力的影響。通過對本工程施工方案進行分析，基坑開挖深度要求為25m，在開挖達到最大深度值時，有限土體臨界寬度可達13.86m，根據計算分析，相應有限土體臨界土壓力Ecr=1673kN，而經典土壓力Ea=2024kN。

為提升基坑結構穩定性，需采用圍護樁施工方案，通過對工程設計方案進行分析，圍護樁之間的距離為1200mm，樁體結構直徑為800mm，在圍護結構施工中，需應用4 道內支撐結構，在圍護樁施工完成后，有限土體結構寬度為5m，對于圍護結構內力以及配筋，在計算分析中，可采用支撐荷載1/2 分擔法。

在圍護樁施工完成后，會形成彎矩，同時，正截面也會受到承載力影響，可根據以下公式進行計算分析：

在本工程施工中，在不同開挖深度范圍內，圍護樁結構均需受到側向土體壓力的影響。

通過分析，如果基坑圍護結構與鄰近構筑物之間的有限土體結構寬度為5m，則可根據有限土體土壓力對圍護樁配筋面積進行計算，計算結果為3482mm2，能夠有效節約工程造價。

結束語

綜上所述，本文主要結合實例，對地鐵基坑施工中砂質底層深基坑土壓力進行了深入研究，首先對有限土壓力的形成機理進行分析，同時創建土壓力計算模型進行分析，根據本次研究分析，在開挖施工過程中，有限土體臨界寬高比不會產生較大變化。另外，根據本次研究發現，隨著開挖過程的不斷推進，有限土體的寬度會顯著增加，要求結合施工現場實際情況采取有效的安全防護措施。