基于事例分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘要：本文通過對四川某地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，黃土地區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及沿海富水地區(qū)鐵路地下隧道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)三個具體基坑圍護(hù)設(shè)計事例進(jìn)行分析，闡釋不同地理?xiàng)l件下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：基坑圍護(hù);結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)基礎(chǔ)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(xué)的各個領(lǐng)域：比如土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)以及監(jiān)理、監(jiān)測、施工方法等多個領(lǐng)域。進(jìn)入21"世紀(jì)，計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步、基坑測試技術(shù)的不斷提高，引領(lǐng)基坑工程進(jìn)入了一個快速發(fā)展的時期，各種創(chuàng)新的設(shè)計理念、完善的設(shè)計理論和先進(jìn)的測試技術(shù)不斷地被應(yīng)用于基坑工程中。基坑工程是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的基礎(chǔ)工程，幾乎涉及到巖土力學(xué)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(hù)周圍環(huán)境安全。實(shí)踐研究表明，設(shè)計不合理、施工措施不得當(dāng)，現(xiàn)場管理不完善等，都會造成土體失穩(wěn)現(xiàn)象，并可能導(dǎo)致基坑周圍建筑出現(xiàn)裂縫、發(fā)生傾斜、地下管線斷裂等，輕則影響居民生活質(zhì)量，重則破壞環(huán)境甚至造成人員傷亡。因此，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得尤為重要。

1基坑開挖與圍護(hù)狀況特點(diǎn)

近年來，基坑開挖及其圍護(hù)問題已經(jīng)成為建筑工程界的熱點(diǎn)問題之一。隨著基坑工程數(shù)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(yán)峻。在我國，基坑開挖與圍護(hù)狀況具有以下特點(diǎn)：

（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(xiàn)。因此，基坑深度多大于"10m。

（2）工程地質(zhì)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(shè)地質(zhì)條件復(fù)雜。大多發(fā)達(dá)城市位于湖濱、海濱、淤河、泥塘或沼澤地等特殊地質(zhì)條件。

（3）基坑的周邊有已經(jīng)建成或正在建設(shè)的建筑物。在工程的建設(shè)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(shè)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(nèi)建筑物的正常運(yùn)行必定會受到影響。

（4）基坑圍護(hù)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(wǎng)、人工挖孔樁、深層攪拌樁、地下連續(xù)墻等圍護(hù)法，以及各種墻、管、樁、板、撐同錨桿聯(lián)合圍護(hù)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(jīng)濟(jì)損失。

基于以上所述我國基坑開挖特點(diǎn)及圍護(hù)方法，基坑開挖與圍護(hù)依據(jù)不同地質(zhì)條件實(shí)施不同施工方案，以確保工程順利進(jìn)行，降低事故發(fā)生可能性，為人民安定生活及國家事務(wù)正常運(yùn)行提供有力保障。

2"基坑圍護(hù)體系簡介

基坑圍護(hù)體系，是由圍護(hù)結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成。圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要承受由于基坑開挖過程中側(cè)向土體卸載產(chǎn)生的側(cè)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(jié)構(gòu)以減少擋土結(jié)構(gòu)由于受到大的側(cè)向土壓力而發(fā)生大變形。基坑圍護(hù)體系，是由土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)，以確保周圍建筑物、管道的安全正常使用。

目前，主要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型有：內(nèi)撐式圍護(hù)結(jié)構(gòu);懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu);重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu);拉錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu);土釘式圍護(hù)結(jié)構(gòu)。隨著基坑工程的不斷發(fā)展，將在基坑建設(shè)中衍生出新的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)施工方法與施工工藝。

3"基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計事例分析

3.1四川某地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

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

由于本工程基坑四周下方埋設(shè)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(dǎo)致周圍土體產(chǎn)生側(cè)向位移和變形，從而使橋基發(fā)生不均勻沉降而產(chǎn)生傾斜，甚至影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全。

根據(jù)濕陷性黃土已有的基坑工程成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，類似的基坑工程中可供選擇的圍護(hù)體系地下連續(xù)墻、型鋼水泥土攪拌墻和有鉆孔灌注樁結(jié)合隔水帷幕。但是，由于該地區(qū)施工技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)相對比較貧乏，地下連續(xù)墻的造價較高，從經(jīng)濟(jì)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(yīng)用到對周圍環(huán)境保護(hù)要求高的基坑工程中。

鉆孔灌注樁結(jié)合隔水帷幕是一種比較成熟的工法，質(zhì)量易于控制，噪音小，具有良好的隔水效果，且造價經(jīng)濟(jì)。因?yàn)殂@孔灌注樁的剛度大，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形較小，適用于對變形控制要求高的基坑項(xiàng)目。隔水帷幕可以參照工程的地質(zhì)條件、周圍環(huán)境和經(jīng)濟(jì)因素來選取。

經(jīng)權(quán)衡，該地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用鉆孔灌注樁結(jié)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(hù)結(jié)構(gòu)

近年來黃土地區(qū)基坑圍護(hù)研究、理論與技術(shù)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(hù)結(jié)構(gòu)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(xiàn)場監(jiān)測和有限元數(shù)值分析相結(jié)合的方法對基坑開挖過程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律開展研究，并結(jié)合工程實(shí)際情況設(shè)計基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

研究的地鐵車站基坑長225.7m，基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬度為24.9m深14.7～15.6m，節(jié)點(diǎn)部分深"21.7m。采用明挖順作法施工，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，基坑內(nèi)設(shè)鋼管支撐。鋼支撐采用內(nèi)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(zhì)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(hù)層，擋土板保護(hù)層，冠梁混凝土保護(hù)層分別為70mm，25mm，50mm。根據(jù)本地鐵站結(jié)構(gòu)形式，以及場地地質(zhì)及周圍環(huán)境特征，再結(jié)合深基坑施工設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，計算采用φ=1"000+1500鉆孔灌注樁+鋼管作為主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)支撐，樁間土用掛網(wǎng)噴射混凝土，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，截面b×h=1.0m×0.8m"和b×h=1.2m×0.8m。標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度豎向設(shè)置兩道支撐，水平距4m，局部區(qū)域水平間距"3～5m，圍護(hù)樁在計算主體結(jié)構(gòu)時作為永久結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算。

如圖為截面處基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置：

圖1"基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)截面布置圖

3.3沿海富水地區(qū)鐵路地下隧道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

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(nèi)大范圍進(jìn)行應(yīng)用的以旋噴樁+鉆孔樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)和鋼支撐+預(yù)應(yīng)力錨索作為支撐體系。這種圍護(hù)支撐體系在國內(nèi)沿海富水地區(qū)是首次大范圍的應(yīng)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(jìn)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(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)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(hù)體系的設(shè)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(shè)計大大地縮短了工期，因?yàn)楣?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(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)橫斷面：

圖2"基坑混合支護(hù)結(jié)構(gòu)典型橫斷面（單位：mm）

4"結(jié)束語

日前，我國許多城市地下軌道交通建設(shè)的進(jìn)程逐步加快，但是由于基坑開挖風(fēng)險大，影響其穩(wěn)定性因素較多，圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、特點(diǎn)的不同，其適用范圍也各不相同，設(shè)計和施工單位都在尋求更加適用、優(yōu)良的圍護(hù)方案。基坑的設(shè)計和施工，已成為地下工程領(lǐng)域的日益升溫的研究熱點(diǎn)和必須克服的技術(shù)難點(diǎn)，合理的基坑圍護(hù)的設(shè)計和施工方案，達(dá)到既經(jīng)濟(jì)合理又安全可靠的目標(biāo)，已然成為目前巖土工程界的重要研究課題之一。

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