■ 巫裕斌??孟超

軟弱地層中超大型深基坑支撐體系方案設(shè)計(jì)與研究

■ 巫裕斌??孟超

介紹深圳地鐵10號(hào)線益田停車場(chǎng)主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總結(jié)軟弱地層中長(zhǎng)大基坑設(shè)計(jì)特點(diǎn)及難點(diǎn)。在周邊環(huán)境要求較高的情況下，工程選用合理深基坑支護(hù)方案，地下結(jié)構(gòu)布置緊湊、簡(jiǎn)潔，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。對(duì)比邊桁架內(nèi)支撐體系和環(huán)形桁架內(nèi)支撐體系在軟弱地層超大型基坑中的應(yīng)用及效果，對(duì)其他類似工程提供參考。

深圳地鐵；城市軌道交通；超大型；深基坑；地下結(jié)構(gòu)；支撐體系

0 引言

在興建城市地鐵時(shí)，遇到的大型基坑項(xiàng)目越來(lái)越多，在沿海地區(qū)修建地鐵往往遇到淤泥質(zhì)土等軟弱地層，其力學(xué)性質(zhì)較差，工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜。并且在城市中開(kāi)挖基坑場(chǎng)地條件和周圍環(huán)境的限制因素較多，特別是在地鐵工程中，基坑長(zhǎng)度長(zhǎng)，對(duì)地表和基坑的變形要求較高，選擇合理的支撐形式尤為重要，因此有必要對(duì)基坑支撐體系進(jìn)行分析和討論。龔昕等[1]研究了某高層建筑大型基坑的雙圓環(huán)支撐體系，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)值和有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析總結(jié)了圓環(huán)形支撐體系的工程適用性。馮慶高[2]深入研究了基坑支護(hù)方案的影響因素和效果，建立了一套基坑支護(hù)方案的綜合評(píng)價(jià)體系。胡斌等[3]以南京地鐵某停車場(chǎng)為研究對(duì)象，分析軟土地區(qū)深基坑設(shè)計(jì)和施工方案，為軟土地區(qū)基坑圍護(hù)方案的選擇和設(shè)計(jì)提供參考。

以深圳地鐵10號(hào)線益田停車場(chǎng)為研究對(duì)象，對(duì)比邊桁架內(nèi)支撐體系和環(huán)形桁架內(nèi)支撐體系對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響并分析其經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

深圳市地鐵10號(hào)線益田停車場(chǎng)位于深圳市福田區(qū)福榮路與廣深高速路基段之間，結(jié)構(gòu)走向?yàn)闁|西向，起點(diǎn)為福田保稅區(qū)3號(hào)隧道西側(cè)綠化帶，終點(diǎn)為福田保稅區(qū)2號(hào)隧道西側(cè)綠化帶，為全地下雙層停車場(chǎng)，主體結(jié)構(gòu)距離廣深高速最近僅為5．6 m。其平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1，工程現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境的衛(wèi)星照片見(jiàn)圖2。

圖1 停車場(chǎng)平面位置圖

圖2 工程場(chǎng)址周邊環(huán)境

停車場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)約555．5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度50．55 m，總建筑面積約為63 730 m2，占地面積為25 875 m2。共設(shè)有10個(gè)風(fēng)井，10個(gè)消防疏散樓梯，14個(gè)采光、通風(fēng)、排煙天井和2個(gè)消防車道出入口。

1.1 地質(zhì)概況

場(chǎng)地內(nèi)地層主要有第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層（Q4mc）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）、第四系殘積層（Qel）、燕山期花崗巖（γ35）。地層物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 工程重難點(diǎn)

益田停車場(chǎng)基坑沿東西方向長(zhǎng)度超過(guò)500 m，周圍道路及環(huán)境條件多變，地質(zhì)條件惡劣，有如下特點(diǎn)：

（1）地勘資料揭露場(chǎng)址范圍淤泥質(zhì)黏性土層厚度為5．8～17．2 m，且下部有3 m左右礫砂層，地質(zhì)條件差，地下水位高，施工風(fēng)險(xiǎn)大。

（2）益田停車場(chǎng)靠近廣深高速，場(chǎng)址周邊邊界條件復(fù)雜，基坑面積及開(kāi)挖深度較大，并且周邊環(huán)境保護(hù)要求高，基坑沉降變形控制要求嚴(yán)格，必須采取安全可靠的支護(hù)方案。

（3）工程規(guī)模大，基坑范圍流塑狀淤泥質(zhì)黏性土自承載能力、抗變形能力極低，基坑開(kāi)挖后變形大，易引起支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而產(chǎn)生滑塌。

（4）淤泥質(zhì)黏性土具有強(qiáng)度低、壓縮性高、滲透性小、自穩(wěn)能力差等特點(diǎn)，在樁基或地連墻成孔成槽過(guò)程中容易縮孔或坍塌。

（5）殘積土及全、強(qiáng)風(fēng)化巖顆粒成分具有“兩頭大、中間小”的特點(diǎn)，即顆粒成分中，粗顆粒（＞0．5 mm）的組分及顆粒小的組分（＜0．075 mm）含量較多，而介于其中的顆粒成分則較少，遇水強(qiáng)度急劇降低，甚至?xí)a(chǎn)生管涌、流土等滲透變形現(xiàn)象。

目前，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有竣工的大型地下地鐵停車場(chǎng)，可參考的工程經(jīng)驗(yàn)較少；并且基坑主要位于軟弱土層中，要求支護(hù)有足夠的強(qiáng)度保證基坑不發(fā)生大變形。選擇邊桁架支撐和環(huán)形桁架支撐2種形式進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，分析其優(yōu)缺點(diǎn)并確定最終的設(shè)計(jì)方案。

表1 地層物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 支護(hù)形式比選

基坑長(zhǎng)555．7 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬50．75 m，深22．8 m，主體結(jié)構(gòu)為地下兩層，基坑平面長(zhǎng)度、寬度、深度較大，屬于超大面積深基坑。所處位置淤泥層較厚，由于淤泥質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度很小，使得支護(hù)體系受力較大，因此需要強(qiáng)大的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

為了使基坑開(kāi)挖對(duì)附近道路和管線的影響降到最低，因此本主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式擬采用整體性和止水性更好的地下連續(xù)墻。結(jié)合主體結(jié)構(gòu)施工，基坑豎向采用三道鋼筋混凝土支撐[4-9]。如前所述，通過(guò)借鑒類似工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，考慮邊桁架支撐體系和環(huán)形桁架支撐體系2種方案，2種支護(hù)形式的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表2。

2.2 支撐布置形式

邊桁架支撐體系、環(huán)形桁架支撐體系布置見(jiàn)圖3、圖4。

2.3 數(shù)值模擬計(jì)算

基坑計(jì)算采用《理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件F-SPW7．0》，建立三維基坑模型，模擬基坑開(kāi)挖及回筑全過(guò)程，按增量法原理進(jìn)行計(jì)算[5]?；影踩燃?jí)為一級(jí)，地下連續(xù)墻厚度為1．2 m，采用C45鋼筋混凝土。第一道支撐與第二道支撐豎向間距為7．5 m，第二道支撐與第三道支撐豎向間距為6．5 m，基坑水平位移的控制值為30 mm。

不同方案計(jì)算得到的基坑整體最大位移見(jiàn)圖5。邊桁架支撐基坑的最大位移為23．43 mm，環(huán)形桁架支撐基坑的最大位移為24．71 mm。

圖3 邊桁架支撐體系

圖4 環(huán)形桁架支撐體系

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移

2種方案得到的支撐軸力、地連墻彎矩和位移見(jiàn)表3—表5。

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可以看出，環(huán)形桁架支撐體系基坑的水平位移較大，說(shuō)明環(huán)形支撐控制基坑整體變形的能力較差；由表3可知，環(huán)形桁架支撐的軸力值很大，最大值達(dá)到44 265 kN，初步擬定環(huán)形支撐斷面尺寸為1 300 mm×1 000 mm。由于環(huán)形支撐體系整體性較強(qiáng)，要求在整道支撐體系全部形成并且整體受力后方可進(jìn)行其下的土方開(kāi)挖；但基坑長(zhǎng)度超過(guò)500 m，在實(shí)際施工中很難對(duì)所有環(huán)形支撐同步開(kāi)挖，施工質(zhì)量難以保證。

表2 基坑支護(hù)形式方案比選[4]

表3 支撐最大軸力 kN

表4 控制工況地下連續(xù)墻最大彎矩kN·m

表5 控制工況圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平最大位移mm

邊桁架支撐體系的基坑變形小于環(huán)形桁架支撐體系，支撐軸力最大為13 735 kN，初步擬定支撐斷面尺寸為1 000 mm×1 000 mm。而邊桁架支撐施工技術(shù)較為成熟，施工難度小于環(huán)形桁架支撐。

根據(jù)計(jì)算所得支撐的受力情況及初步擬定支撐斷面尺寸，估算不同方案的臨時(shí)立柱數(shù)量及混凝土用量（見(jiàn)表6）。經(jīng)過(guò)2種方案的多次論證和計(jì)算，邊桁架支撐體系更適合本工程（見(jiàn)表7）。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為方便實(shí)際施工，在冠梁層設(shè)置5道臨時(shí)路面板，寬15 m，以便開(kāi)挖土方時(shí)車輛行駛；停車場(chǎng)西側(cè)位于保稅區(qū)3號(hào)隧道下方，施工期間需拆除部分隧道結(jié)構(gòu)，為保證3號(hào)隧道在施工期間正常使用，需局部降低停車場(chǎng)第一道支撐及冠梁，并施做鋼筋混凝土路面，由于基坑底大部分位于淤泥層中，需要采取措施對(duì)基底進(jìn)行加固，本文不再贅述?；又ёo(hù)平面布置見(jiàn)圖6。

目前已施做第一道混凝土支撐，支撐軸力監(jiān)測(cè)變化值見(jiàn)圖7，近一周內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表8。根據(jù)目前收集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，地面沉降為16．2 mm，第一道混凝土支撐軸力為4 135 kN，基坑的受力和變形均處在安全可控的范圍內(nèi)。

表6 混凝土及臨時(shí)立柱工程量對(duì)比

表7 2種方案技術(shù)比選

圖6 基坑支護(hù)方案平面布置

圖7 第一道支撐軸力監(jiān)測(cè)值

3 結(jié)論

以深圳地鐵10號(hào)線益田停車場(chǎng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，計(jì)算了2種不同支撐體系方案下基坑結(jié)構(gòu)的受力，分析其力學(xué)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益，得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于長(zhǎng)大基坑，雖然環(huán)形桁架支撐體系能夠充分利用空間和大型設(shè)備，但是控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力的效果不理想；考慮到環(huán)形桁架支撐受力均勻及基坑整體性，要求土方開(kāi)挖前所有上一道支撐必須施工完畢，對(duì)施工單位的技術(shù)能力和場(chǎng)地條件要求較高，不利于流水化作業(yè)。結(jié)合計(jì)算分析及既有工程實(shí)例，認(rèn)為環(huán)形桁架支撐體系多適用于正方形、多邊形基坑，不適用于長(zhǎng)條形基坑。

表8 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總

（2）邊桁架支撐體系可以有效控制基坑的變形和受力，并且施工簡(jiǎn)單，便于操作，經(jīng)過(guò)多次論證和分析，邊桁架支撐為本工程最終選擇的方案。

[1] 龔昕，丁文其，賴允瑾，等． 雙圓環(huán)形支撐體系在基坑工程中的應(yīng)用[J]． 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010(1)：179-183．

[2] 馮慶高． 地鐵深基坑支護(hù)方案優(yōu)選決策研究[D]． 武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2010．

[3] 胡斌，石?。?軟土大型基坑圍護(hù)方案設(shè)計(jì)及圍護(hù)變形分析[J]． 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，51(S1)：314-320．

[4] 李輝． 大型基坑支護(hù)體系計(jì)算模型的分析與比較[D]． 上海：同濟(jì)大學(xué)，2007．

[5] 龔曉南． 深基坑工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]． 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998．

[6] 朱艷，袁強(qiáng)． 深基坑工程支撐體系優(yōu)選設(shè)計(jì)[J]． 低溫建筑技術(shù)，2010(8)：98-100．

[7] 周志鵬． 深圳地鐵僑香站異型深基坑施工[J]． 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49(2)：160-163．

[8] 胡偉． 軟土地層地鐵車站深基坑開(kāi)挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[D]． 成都：西南交通大學(xué)，2005．

[9] 陳雨蒙． 大型基坑環(huán)梁支護(hù)體系有限元數(shù)值模擬分析[D]． 成都：西南交通大學(xué)，2010．

巫裕斌：中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，助理工程師，?北京，100055

孟超：中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師，?北京，100055

責(zé)任編輯李葳

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