深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬計(jì)算與分析

賀鵬飛

【摘要】以武漢市地鐵6號(hào)線某標(biāo)段區(qū)間風(fēng)井為例，采用理正深基坑軟件計(jì)算了相同條件下的地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)和排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑位移和穩(wěn)定性，通過(guò)兩種方案計(jì)算結(jié)果的對(duì)比表明，深基坑地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)在水文地質(zhì)條件較差的情況下，以其良好的工作性能，值得在相應(yīng)條件的基坑中廣泛應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】基坑支護(hù)地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

1、工程概況

6號(hào)線江城大道站至老關(guān)村站區(qū)間風(fēng)井位于武漢市漢陽(yáng)區(qū)太子湖路與規(guī)劃道路交叉口東南側(cè)。主體結(jié)構(gòu)為四層三跨箱型結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2m厚地連墻，第一道支撐采用鋼筋砼支撐（B*H=1.0*1.0m），四、五道支撐采用鋼筋砼支撐（B*H=1.1*1.1m），第二、三、六道支撐采用鋼管支撐（Ф=800mm，t=16mm）。圍護(hù)結(jié)構(gòu)上冠梁設(shè)計(jì)尺寸1.6m*1.2m?；娱L(zhǎng)19.2m（沿線路方向），寬度29.8m，開挖深度28.7m，地連墻最深41.4m。

2、工程地質(zhì)和水文

2.1工程地質(zhì)

本風(fēng)井場(chǎng)區(qū)地貌為河流侵蝕堆積平原，地形較為平緩，地表高程21.2-21.7m。地層情況主要為全新統(tǒng)河流沖擊黏性土及剝蝕堆積中更新統(tǒng)黏性土、角礫。。

2.2水文地質(zhì)

場(chǎng)區(qū)地下水主要為上層滯水、孔隙承壓水。上層滯水主要賦存與填土中，穩(wěn)定水位埋深1-2m；承壓水主要賦存于覆蓋層下部角礫、碎石層中，承壓水頭高程19m。

3、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式

3.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算采用荷載結(jié)構(gòu)模式，按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012），采用荷載增量法原理進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算?；影踩燃?jí)和重要性等級(jí)均為一級(jí)，并按此等級(jí)對(duì)基坑穩(wěn)定性及變形進(jìn)行驗(yàn)算。在進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，各荷載分項(xiàng)系數(shù)均取1.0?；幼冃慰刂票Ｗo(hù)等級(jí)為一級(jí)，地面最大沉降量≤40mm，最大水平位移≤40mm。

3.2荷載及計(jì)算

本工程采用理正深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件（6.0）進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)自重：鋼筋混凝土容重25kN/m3。水土側(cè)壓力：施工階段按朗金主動(dòng)土壓力計(jì)算，對(duì)強(qiáng)、中透水層按水土分算，弱、微透水層按水土合算。靜水壓力：水容重取10kN/m3。可變荷載取用最不利情況：基坑邊地面超載等效均布荷載取用20kPa，第一道鋼砼支撐施工荷載4kN/m。地連墻嵌固深度12.7m。

3.3工程材料

地連墻：C30級(jí)混凝土、抗?jié)B等級(jí)P6。冠梁、支撐：C30級(jí)混凝土。鋼筋：HPB300級(jí)及HRB400級(jí)熱軋鋼筋。鋼支撐：外徑Ф800mm鋼管，壁厚16mm，Q235B鋼。保護(hù)層50mm。

3.4主要施工步驟

場(chǎng)地三通一平——施工地連墻及冠梁——施工止水旋噴樁——開挖土方，依次架設(shè)支撐——清理基底、鋪設(shè)墊層——自下而上依次澆筑砼結(jié)構(gòu)、依次拆除支撐——回填土方——回復(fù)路面。

開挖階段保持地下水位在開挖面以下1m，開挖至基坑底后，保持地下水位在坑底1m。在土方挖到鋼支撐中心線下0.5m后及時(shí)架設(shè)鋼支撐并施加預(yù)應(yīng)力。

4、地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

本次驗(yàn)算分別對(duì)地連墻的短邊（19.2m）、長(zhǎng)邊（29.8m）兩個(gè)單元進(jìn)行了受力變形和穩(wěn)定性驗(yàn)算。下面以短邊為例對(duì)計(jì)算過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

4.1信息錄入

軟件需錄入的工程信息分為3個(gè)方面：基本信息、土層信息、支錨信息。其中大部分信息可依據(jù)規(guī)范及圖紙錄入，而支錨信息中的支錨剛度和材料抗力需計(jì)算后錄入，計(jì)算公式詳見(jiàn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程附錄》。

4.2結(jié)構(gòu)計(jì)算

通過(guò)上面的結(jié)構(gòu)計(jì)算，可以得到不同工況下的位移、沉降和內(nèi)力情況，經(jīng)過(guò)分析，得到進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)的內(nèi)力取值，如下：

1.基坑內(nèi)側(cè)最大彎矩（kN.m），彈性法計(jì)算值2902.12，經(jīng)典法計(jì)算值2251.20，內(nèi)力設(shè)計(jì)值2713.48，內(nèi)力實(shí)用值2713.48。

2.基坑內(nèi)側(cè)最大彎矩（kN.m），彈性法計(jì)算值4414.14，經(jīng)典法計(jì)算值2755.43，內(nèi)力設(shè)計(jì)值4127.22，內(nèi)力實(shí)用值4127.22。

3.基坑內(nèi)側(cè)最大彎矩（kN.m），彈性法計(jì)算值2740.86，經(jīng)典法計(jì)算值739.67，內(nèi)力設(shè)計(jì)值2740.86，內(nèi)力實(shí)用值3014.94。

根據(jù)內(nèi)力情況，對(duì)地連墻和冠梁進(jìn)行合理配筋。

4.3結(jié)果

在最不利荷載的情況下，中間風(fēng)井的整個(gè)施工過(guò)程中，側(cè)向位移量、沉降量、整體穩(wěn)定性等方面都是滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的。

5、排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

經(jīng)過(guò)對(duì)地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬計(jì)算，得到了按照設(shè)計(jì)圖紙方案施工是滿足基坑整體穩(wěn)定性要求的結(jié)論，然而我們還需要考慮比地連墻結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)的施工方案的可行性，比如排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，下面就對(duì)排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并模擬驗(yàn)算其施工的安全性。

5.1排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁和內(nèi)支撐的型式。鉆孔灌注樁樁徑1.0m，樁間距1.3m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，嵌固深度6m。其他數(shù)據(jù)，如冠梁、荷載、土層、支撐、工況等皆與地連墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保持一致。

5.2排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

對(duì)排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，同樣分別在短邊、長(zhǎng)邊兩個(gè)方向，進(jìn)行了受力變形和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

具體方法和計(jì)算過(guò)程同地連墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算過(guò)程。下面列舉短邊方向幾個(gè)主要的驗(yàn)算結(jié)果圖表：

5.3結(jié)果

通過(guò)對(duì)排樁結(jié)構(gòu)的短邊、長(zhǎng)邊兩個(gè)方向的單元進(jìn)行受力變形和穩(wěn)定性驗(yàn)算，得到的結(jié)果是，在相同條件下，采用排樁結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，側(cè)向位移量、沉降量、整體穩(wěn)定性等方面同樣是滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的。

6、對(duì)比和分析

兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工方案分別為地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)和排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，兩種方案下又分別對(duì)短邊（19.2m）、長(zhǎng)邊（29.8m）進(jìn)行了單元計(jì)算，所以就有地連墻結(jié)構(gòu)短邊單元、地連墻結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊單元、排樁結(jié)構(gòu)短邊單元、排樁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊單元，這4種單元計(jì)算結(jié)果。通過(guò)對(duì)4種單元結(jié)果對(duì)比，同時(shí)結(jié)合施工中實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得到如下幾條結(jié)論：

6.1側(cè)向位移對(duì)比分析

對(duì)4種單元情況下不同工況深度的向基坑內(nèi)側(cè)側(cè)向位移最大值進(jìn)行匯總。同時(shí)將實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的向基坑內(nèi)側(cè)側(cè)向位移與地連墻短邊位移進(jìn)行對(duì)比匯總。

可以看出開挖施工中有兩個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)，距地面深度分別是3.6m和9m，也即是第一道和第二道支撐附近的位置。這兩個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)在整個(gè)開挖過(guò)程中，一直是最大的側(cè)向位移點(diǎn)，所以在施工到這兩個(gè)支撐位置時(shí)，要特別關(guān)注，重點(diǎn)控制，及時(shí)架設(shè)支撐，及時(shí)對(duì)鋼支撐施加軸力，時(shí)刻注意這兩個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)和軸力數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)報(bào)警值，及時(shí)果斷的采取相應(yīng)應(yīng)急措施。

6.2地表沉降對(duì)比分析

對(duì)4種單元情況和實(shí)際數(shù)據(jù)的基坑邊緣地表沉降最大值進(jìn)行匯總：

地連墻短邊：基坑邊緣地表最大沉降14mm

地連墻長(zhǎng)邊：基坑邊緣地表最大沉降19mm

排樁短邊：基坑邊緣地表最大沉降19mm

排樁長(zhǎng)邊：基坑邊緣地表最大沉降28mm

實(shí)際監(jiān)測(cè)：基坑邊緣地表最大沉降9.8mm

通過(guò)對(duì)比可以看出，無(wú)論是地連墻結(jié)構(gòu)還是排樁結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)邊的沉降量總是大于短邊方向的沉降量，所以在風(fēng)井結(jié)構(gòu)的施工中，在長(zhǎng)邊方向要注意施工質(zhì)量，及時(shí)架設(shè)支撐，尤其注意基坑長(zhǎng)邊周邊范圍的機(jī)械停放、材料堆放等會(huì)增大荷載的偶然情況，將基坑周邊荷載控制在允許范圍內(nèi)，時(shí)刻注意沉降量數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)報(bào)警值，及時(shí)果斷的采取相應(yīng)應(yīng)急措施。

6.3兩種方案的對(duì)比分析

在相同條件下，兩種方案的側(cè)向位移量、沉降量、整體穩(wěn)定性等方面都滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的。但是排樁結(jié)構(gòu)的位移值、沉降量、穩(wěn)定性都普遍的比地連墻結(jié)構(gòu)數(shù)值要大，也就是排樁結(jié)構(gòu)更不穩(wěn)定。而且排樁長(zhǎng)邊的最大位移和沉降都達(dá)到或超過(guò)了基坑變形控制的預(yù)警容許值28mm，即最大值40mm的70%。這就降低了選用排樁方案的可行性。

同時(shí)，在進(jìn)行長(zhǎng)邊方向排樁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)，出現(xiàn)了需要將樁基保護(hù)層厚度設(shè)置為35mm，軟件才能進(jìn)行合理配筋的情況，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》要求：灌注樁主筋的混凝土保護(hù)層厚度不應(yīng)小于35mm，這個(gè)保護(hù)層厚度已經(jīng)達(dá)到了極限最小值。這進(jìn)一步降低了選用排樁方案的可行性。

同標(biāo)段的江城大道站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用的是排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)施工，兩者對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)中間風(fēng)井的地質(zhì)水文情況要比江城大道站差且復(fù)雜，所以中間風(fēng)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水功能在設(shè)計(jì)時(shí)占了一定的比重。

而一般的排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)多搭配旋噴樁或攪拌樁進(jìn)行止水施工，由于排樁為彈性結(jié)構(gòu)，旋噴樁為脆性結(jié)構(gòu)，對(duì)土體位移比較敏感，而計(jì)算出的側(cè)向位移又很大，很容易因?yàn)橥馏w的位移而脆裂，難以保持整體穩(wěn)定性，所以綜合考慮各項(xiàng)條件，中間風(fēng)井的圍護(hù)結(jié)構(gòu)不是很適合采用排樁結(jié)構(gòu)。

所以，根據(jù)地連墻的止水功能強(qiáng)，且施工速度快，施工精度高，比較適用于厚的淤泥、砂層、粘性土層等軟地基等特點(diǎn)，中間風(fēng)井的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地連墻結(jié)構(gòu)比較合理。

結(jié)語(yǔ)：

大多地鐵車站都是興建在市區(qū)繁華地段，因此基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)必須保證足夠的穩(wěn)定性。基于圍護(hù)結(jié)構(gòu)多作為臨時(shí)使用，若設(shè)計(jì)時(shí)只追求穩(wěn)定性，而選擇保守的安全系數(shù)，有造成較大浪費(fèi)。相反，如果由于特定原因?qū)е禄邮Х€(wěn)破壞，則后果同樣非常嚴(yán)重。所以地鐵的圍護(hù)結(jié)構(gòu)要綜合考慮地質(zhì)水文、止水功能、穩(wěn)定性、造價(jià)等情況來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。而地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)在地質(zhì)較差的條件下，是一種止水功能強(qiáng)，安全性高的支護(hù)手段，值得在相應(yīng)條件下大力推廣。

參考文獻(xiàn)：

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[3]武漢市軌道交通6號(hào)線一期工程施工設(shè)計(jì)圖.

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[5]王佳音.《地鐵車站深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬研究》.