基坑裝配式組合支護結構設計

欒先彬 王少帥

（青島市地鐵規劃設計院有限公司，山東 青島 266000）

隨著城市人口的逐漸增多，城市空間的有效使用面臨越來越大的壓力[1]。在這樣的情況下，城市交通向地下尋求空間已經成為一種必然趨勢，地鐵就在這樣的背景下獲得了快速發展。從我國的實際情況來看，北上廣深等一線城市的地鐵系統已經相當完備，且仍在進一步的擴建中。國內二線和有條件的三線城市，也都在陸續開展地鐵建設，減少地面交通的壓力、盡可能地提升城市空間的利用率[2]。從城市地鐵系統的建設來看，逐漸完善城市地鐵系統，進一步向深層次地下開發，獲得更大的建設空間發展是必然選擇[3]。為了滿足地鐵建設的深度和復雜化的需求，基坑深度也要隨之增加，基坑形式更加多樣，這就給基坑整體安全性帶來了更大的挑戰。尤其是隨著挖掘深度增加，基坑建設可能會面臨更加復雜和多樣性的土層地質條件，這就給基坑的安全性造成了更大的隱患。為此，該文提出一種裝配式組合支護結構，以期更好地滿足基坑的安全性。

1 基坑支護結構的變形分析

基坑支護結構的合理設計，依賴于對基坑挖掘環境及地質條件的準確性，更依賴于支護結構建成后可能出現的變形分析的合理性，尤其是可能出現的變形分析，直接決定了支護結構如何選擇設計方案，如何對可能產生變形進行最大的抵抗。因此，對于支護結構在基坑防護中使用的變形分析，具有非常重要的意義。對于基坑支護結構的變形分析，常見的有三類方法，包括基于極限平衡的支護結構變形分析、基于彈性基梁的支護結構變形分析和基于數值分析的支護結構變形分析。

1.1 基于極限平衡的支護結構變形分析

基于極限平衡的支護結構變形分析，從原理上看是假定基坑兩個側向的土質壓力保持穩定，即不發生動態變化，相當于考慮靜態土質壓力對于支護結構變形產生的影響，去分析基坑支護結構合理的固定深度和實際使用時的內應力大小。在實際過程中，基于極限平衡的支護結構變形分析又可以分成3種類型：基于自由端的極限平衡分析，基于彈性曲線的極限平衡分析，基于等值梁的極限平衡分析。這里重點對第三種類型的極限平衡分析進行闡述。

這種方法的基本思路是將靜態平衡下的基坑支護結構，看作是承受載荷的等值梁。支護結構的嵌入部分較深，支護結構支撐組件相當于起到了簡支作用，也成為整個支護結構的固定約束。此時，整個支護結構對應一個等效的連續梁體，整個支護結構受到均勻分布的載荷的影響。

在采用等值梁法的過程中，為了計算的可實現性，一般對整個支護結構執行分段處理，從而形成了一個等效的分段簡支梁。為了對支護結構的變形和合理嵌固深度進行計算，首先要計算土層給支護結構提供的主動壓力和被動壓力，對測量點到地表的距離進行計算，如公式（1）所示。

式中：ea代表支護結構在測量點所受的彎矩；γ代表支護結構受力調縮系數；Kp代表土層土質結構給基坑支護結構提供的被動壓力；Ka代表土層土質結構給基坑支護結構提供的主動壓力；h代表基坑支護結構測量點到地表的距離。

進一步可以計算支護結構支撐部分嵌固深度的最小合理值，如公式（2）所示。

式中：t代表支護結構支撐部分嵌固深度的最小值；h代表基坑支護結構測量點到地表的距離；γ代表支護結構受力調縮系數；Kp代表土層土質結構給基坑支護結構提供的被動壓力；Ka代表土層土質結構給基坑支護結構提供的主動壓力；Pd代表基坑支護結構測量點處所受的剪切力的數值大小。

1.2 基于彈性基梁的支護結構變形分析

基于彈性基梁的支護結構變形分析，其基本原理是將基坑支護結構看作只承受土層提供的側向力的情況，這樣支護結構整體上相當于一個豎直埋藏在土層中的彈性基梁，其所產生的撓度變形方程，如公式（3）所示。

式中：E代表支護結構整體的彈性模量的大小；I代表支護結構的截面慣性矩的大小；z代表基坑實際挖掘深度的大小；p（z）代表支護結構所承受的集中載荷的大小；q（z）代表支護結構的抗力集度；y代表支護結構產生的撓度變形大小。

2 裝配式組合支護結構設計

目前，基坑支護結構有很多種常見的類型，包括基于錨噴聯合的支護結構、基于復合土釘墻的支護結構、基于樁撐的支護結構、基于樁撐錨的支護結構以及基于吊腳樁的支護結構等。該文中研究的基坑是裝配式地鐵車站下的基坑，受車站長度和分段設計思路的影響，采用分段不同支護結構的方案。在車站兩端的基坑，采用樁撐支護結構；在車站主體的基坑部分，采用樁撐錨組合支護結構。

2.1 車站兩端基坑的樁撐支護結構設計

由于車站兩端的情況相對簡單，因此基坑支護結構中比較常見的是樁撐支護結構，這種支護結構的形式如圖1所示。

圖1 車站兩端基坑的樁撐支護結構設計效果

從圖1中可以看出，基坑的樁撐支護結構形式上比較簡單，主要包括垂直向支撐組件和水平向支撐組件。其中，水平向支撐組件主要是橫撐支撐構件，這種橫撐構件可以采用鋼材料或混凝土材料制成。垂直向支撐組件，主要包括圍護樁構件和立樁構件，它們可以選擇鋼板樁結構、地連墻結構、鋼筋混凝土結構。根據基坑長度的延伸，樁撐支護結構要按照一定規律完成圍護樁和立樁的嵌固。基坑長度越大，圍護樁和立樁的嵌固數量就越多。圍護樁和立樁嵌固之后，再完成橫撐構件的連接和固定，從而達到整體有效支撐的效果。如果基坑深度較深，可以采用多層樁撐支護結構。

2.2 車站主體基坑的樁撐錨支護結構設計

地鐵車站主體基坑的安全性有更高的要求，因此對相應的支護結構也有相應的要求。該文中，考慮到地鐵站主體基坑所在位置，既有較硬的巖石結構，又有軟土土質，只采用一種形式的支護結構無法滿足要求。為此，設計樁撐錨支護結構，如圖2所示。

圖2 車站主體基坑的樁撐錨支護結構設計效果

從圖2中可以看出，基坑主體部分中既含有巖石區，又含有軟土區。在軟土區，仍然采用樁撐支護結構的形式，通過垂直向的圍護樁插入，再通過水平向的樁撐完成連接。其中，垂直向支的圍護樁構件，仍然可以選擇地連墻結構、鋼筋混凝土結構等支擋結構。水平向的橫撐，采用鋼材料或混凝土材料制成。在巖石區，由于巖體堅固，為了充分利用地質條件，采用錨固定，增加支護結構整體的安全性。在具體的施工階段，樁撐錨的組合支護結構，要根據實際地質條件的變化，靈活地選擇組合點位和組合方式。如果軟土土質較長，那么樁撐結構就會被更多地采用，通過多嵌固圍護樁實現。如果巖石區較長，就多采用錨固定形式。

3 裝配式組合支護效果試驗

在前面的工作中，對地鐵基坑支護結構的變形，分別采用了極限平衡和彈性基梁的支護方法進行分析，為支護結構的設計奠定理論基礎。其次，針對試驗地地鐵基坑的實際情況，采用分段針對性設計，在基坑主體部分采取了樁撐錨的組合支護結構設計方案。在這一部分的工作中，將采用試驗對支護結構的性能加以驗證。首先，來考察在該文設計的組合支護結構下，軟土區內基坑所受的應力，如圖3所示。

圖3 軟土區基坑支護結構所受的應力變化曲線

軟土區支護結構中承受應力的主要構件是圍護樁，因此圖3中主要測定支護結構中圍護樁所受的應力變化，其單位是kN，大小從200kN開始，逐漸增大。測量周期以天為單位，按一天內平均應力大小作為當日應力的測量結果。在測量過程中，設置2個測量點位，分別是第一測量點位和第二測量點位。因為測量位置的不同，2個測量點位上的應力變化處于不同變化范圍。圖中，粗實線代表了第一測量點位的圍護樁應力變化，粗虛線代表了第二測量點位的圍護樁應力變化。從2條曲線的對比結果可以看出，第二測量點位上，圍護樁承受了更大的應力，基本維持在260kN，第一測量點位上圍護樁承受的應力大于40kN。無論是哪個測量點位的測量結果，都證實了該文所設計的支護結構是安全的，可以保證基坑的穩定。

進一步分析在該文設計的組合支護結構中巖石區內基坑所受的應力，如圖4所示。

圖4 巖石區基坑支護結構所受的應力變化曲線

巖石區支護結構中承受應力的主要構件是錨，因此圖4中主要測定支護結構中圍護樁所受的應力變化，其單位是kN，從200kN開始，逐漸增大。測量周期以天為單位，按一天內平均應力大小作為當日應力的測量結果。測量過程中，設置兩個測量點位，分別是第一測量點位和第二測量點位。因為測量位置的不同，兩個測量點位上的應力變化處于不同變化范圍。圖中，粗實線代表了第一測量點位的錨應力變化，粗虛線代表了第二測量點位的錨應力變化。從2條曲線的對比結果可以看出，第二測量點位上，錨承受了更大的應力，基本維持在290kN，第一測量點位上錨承受的應力高出30kN。無論是哪個測量點位的測量結果，都證實了該文所設計的支護結構是安全的，可以保證基坑的穩定。

進一步比較支護前后基坑側向位移的變化，如圖5所示。

圖5 支護前后基坑側向位移的變化

從圖5中2條曲線的對比可以看出：在支護前，隨著基坑深度不斷增加，側向位移呈現不斷增加的趨勢，側向位移的幅度越來越大，從地表處的 15mm，一直增至地下 12m處的 27m；采用該文設計的支護結構進行支護后，基坑穩定性明顯加強，隨著基坑深度不斷增加，側向位移在5mm～9mm波動。這充分表明了該文所設計的支護結構對提高基坑的穩定性有非常理想的效果。

4 結論

針對地鐵基坑支護結構的變形，分別采用了極限平衡和彈性基梁的支護方法進行分析，為支護結構的設計奠定理論基礎。針對試驗地地鐵基坑的實際情況，采用分段針對性設計，在基坑主體部分采取了樁撐錨的組合支護結構設計方案。試驗結果顯示，無論是軟土區的圍護樁，還是巖石區的錨，其承受的應力變化都在安全范圍內變化，可以保障基坑安全、穩定地工作。