深基坑圍護結構選型與設計分析

劉 志

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

隨著國內地鐵建設的快速發(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]。在進行明挖基坑設計時，首要的任務就是根據工程場地的地質水文、建筑物分布及周邊管線等工程環(huán)境，進行圍護結構選型和支護結構的設計[2]。本文以某地鐵車站主體基坑的圍護結構設計為背景，對深基坑設計過程中的圍護結構選型和設計進行分析和研究，為以后類似的基坑工程設計提供參考。

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 層結構，采用通道換乘形式與遠期線路交叉，車站兩側共設置3 個出入口和2 個風亭。車站基坑總長度為212.6 m，寬20.2 m（盾構井段寬24.5 m），結構頂板覆土厚度約為3.0 m，底板埋深為17.1～18.7 m，采用明挖順作法施工。

設計主體基坑位于規(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。主體基坑西北側為待建住宅小區(qū)，西南側為空地，東北側空地有幾處待拆遷廢棄溫室大棚，東南側為待建商業(yè)中心地塊。基坑平面布置見圖1。

2 基坑圍護形式設計

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，國內進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，對于場地環(huán)境較為復雜的車站還會進行分段采用蓋挖和明挖組合的方法進行開挖。本基坑周邊建筑物較少，且遠離市區(qū)，周邊交通壓力小，地下管線具備一定的遷移條件，從安全、經濟、快速的角度，車站優(yōu)先采用明挖順作法施工。

2.2 圍護結構材料

根據地質勘察報告，場地水土腐蝕性評價結論主要為：地下水主要通過SO42-離子對混凝土產生微腐蝕性，通過Cl-離子對鋼筋產生中腐蝕性；場地土主要通過SO42-離子對混凝土產生微腐蝕性，通過Cl-離子對鋼筋產生微腐蝕性。

通過技術經濟比選并參照勘察報告結論，圍護鉆孔灌注樁采用的混凝土等級為C35，抗?jié)B等級采用P8，鉆孔樁鋼筋保護層厚度為70 mm，鋼筋等級采用HRB400 級（后期有截斷時采用玻璃纖維筋替代），鋼支撐、鋼板、型鋼采用Q235-B 級鋼。

2.3 圍護形式選擇

基坑西南和東北象限均有待施工項目，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?？紤]到基坑周邊無重要建筑物，對開挖變形要求可適當降低，本站圍護采用排樁支護，并隨基坑開挖采取適當的降水措施。

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

3 基坑內支撐系統(tǒng)設計

3.1 內支撐形式選擇

基坑開挖影響范圍內的土層主要為砂土或黏土，場地地下水位高，圍護側壓力大，經過計算并結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支撐比較合理。車站盾構井部分受力情況復雜，計算過程中第一道支撐可能出現(xiàn)受拉情況，結合施工經驗和受力計算，盾構井部分基坑支護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樁聯(lián)結以形成整體，其他支撐通過腰梁與圍護結構聯(lián)結。

3.2 內支撐平面布置

支撐結構平面布置要根據內力計算、柱子等其他結構位置、施工機具尺寸、施工組織安排等綜合考慮，本次設計鋼管支撐在平面方向一般按照3 m 一道進行布置（第一道支撐橫向間距為6 m），支撐布置時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構。圍護樁及支撐布置情況見圖2。

圖2 圍護結構平面布置圖

3.3 內支撐豎向布置

3.3.1 基坑安全等級及計算主要標準

對基坑開挖變形及相關穩(wěn)定性的要求等均按照一級基坑標準進行設計，地表最大沉降量小于等于0.15%H，支護結構最大水平位移小于等于0.2%H，且小于等于30 mm；結構重要性系數為1.1；荷載分項系數為1.25。

3.3.2 支撐系統(tǒng)豎向布置

根據工程經驗類比及設計計算結果，為保證基坑結構的穩(wěn)定和安全，本次設計采用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算結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 圍護結構內力計算

基坑開挖范圍內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（含粉質黏土、黏質粉土、粉細砂和中砂等）。地下水類型主要為松散層淺層孔隙潛水，地下水埋深淺，受降水和人類活動影響較大。采用地面高程作為設計水位。

基坑外側土壓力采用朗肯土壓力理論計算，土層參數根據地質勘察結果綜合確定，開挖面以下用彈簧模擬地層水平抗力。圍護結構計算根據先開挖后支撐的實際情況，分各個階段進行計算。典型斷面的圍護樁內力變形計算結果見圖5。

圖5 典型斷面的圍護樁內力圖

4 基坑抗浮及抗突涌穩(wěn)定性分析

4.1 設計概況

根據相鄰車站降水試驗結果及相關工程經驗，基坑降水采用坑內降水，圍護結構采用三軸攪拌樁作為止水形式。結合結構抗浮計算分析結果，設計對圍護結構布置進行了調整，并對降水過程中的抗突涌穩(wěn)定性進行了分析。

4.2 基坑抗浮設計

4.2.1 抗浮設計

結構抗浮計算主要分自重計算、浮力計算、抗浮樁抗力計算3 個部分。其中，自重部分應綜合考慮車站結構各層板自重、梁柱及側墻自重、頂板上覆土自重和圍護樁自重等，當計入圍護樁摩阻力時，安全系數由1.05 增加至1.1。當計算安全系數不滿足要求時，采取增加抗浮措施的方法，直至計算安全系數滿足為止。

4.2.2 抗浮措施

本次基坑設計過程中，除盾構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樁參與抗浮計算的措施；圍護樁和主體結構的聯(lián)結設計采用壓底梁或壓頂梁的形式；通道換乘部分考慮遠期下穿造成樁截斷影響，綜合采用壓底梁和趾板外擴部分回填土的措施。

4.3 抗突涌穩(wěn)定性分析

4.3.1 抗突涌設計

當基坑底部土層具有承壓性時，應考慮對基坑進行抗突涌穩(wěn)定性分析，基坑開挖至主體結構施作完成的每一個工況均應進行抗突涌穩(wěn)定性計算，抗突涌穩(wěn)定條件為承壓水層頂面以上土層及結構物的自重壓力大于承壓水頭對承壓水層頂面造成的頂托力，并具有一定的安全儲備，安全系數Fs一般取1.1。

4.3.2 抗突涌設計計算

根據抽水試驗結果，坑底下粉細砂層有承壓性。取底板施工完成時為例進行簡要分析，主要計算參數有：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，計算示意圖見圖6。

上浮土及結構物自重力：

圖6 抗突涌穩(wěn)定性驗算示意圖

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：

Fs=Ps/Pw=245.3/241.4=1.02＜1.1.

通過計算分析，基坑抗突涌尚不滿足要求，經綜合分析論證，該工況應繼續(xù)施作部分結構后調整基坑降水措施。

5 結語

a）基坑設計應以地質勘察資料為主要依據，立足工程地質和場地環(huán)境條件，具體問題具體分析，進行精心設計。

b）基坑圍護設計后續(xù)應密切關注施工實際，根據現(xiàn)場施工情況、開挖顯示地質情況、監(jiān)測數據等反饋結果進行設計調整。

c）基坑開挖影響范圍內有建筑物、地下管線、地下構筑物等時，變形測量控制值應按不影響其正常使用要求確定，并應符合相關規(guī)范及標準的要求。