地鐵車站基坑支護結構設計優(yōu)化

朱 誠，李 睿，劉夏臨

(1.昆明理工大學土木工程學院，云南 昆明，650500；2.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院,湖北 武漢，430081)

1 工程概況

本文設計優(yōu)化對象為珠江三角洲城際快速軌道交通廣佛線西朗站基坑支護結構。該地鐵車站位于廣州市荔灣區(qū)花地大道和鶴洞路的交叉部位，呈西南至東北走向布置，橫跨花地大道，與I號線西朗站通過換乘通道相接，車站全長386.3 m，標準段寬20.7 m，基坑深度15.84 m，為地下兩層結構。圖1為西朗站平面示意圖。工程地質巖土性狀及物理力學指標見表1。

圖1 西朗站平面示意圖

()/m/g·cm-3/m·d-1()/kPa/(°) ()/kPa/(°) /MPa·m-1〈1〉2.151.80 1.000 12.0 10.016.0 13.0 1210Ⅰ〈2-1A〉1.20～5.301.56 <0.0017.9 4.711.9 9.1 65Ⅰ〈2-4〉0.30～6.202.01 <0.00124.5 11.427.7 12.1 1615Ⅱ〈6〉1.30～3.501.95 0.090 27.9 16.035.0 22.0 8580Ⅱ〈7〉0.70～12.701.94 0.500 30.0 24.555.0 28.0 125120Ⅲ〈8〉1.30～29.502.67 0.670 800.0 38.0--500400Ⅳ〈9〉1.00～34.202.72 0.150 1800.0 41.0--900850Ⅴ

該車站場地穩(wěn)定水位埋深為0.85～1.50 m，地下水類型主要是賦存于基巖風化層中的裂隙水。基巖風化裂隙水含水層主要賦存于強、中、微風化巖內(nèi)的風化裂隙之中。通過抽水試驗測得風化巖層的滲透系數(shù)k=0.15～0.70 m/d，為富水性較弱的弱透水地層。

圖2 原招標設計支護結構圖

2 基坑支護結構優(yōu)化

2.1 設計優(yōu)化目的與內(nèi)容

西朗站是廣佛線首通段的關鍵樞紐站，車站規(guī)模大，疏解復雜，工期緊張。在征地拆遷致使工期滯后的情況下，為了加快進度、節(jié)約項目成本、確保廣佛線首通段在廣州亞運會前通車運營，決定在保證工程質量和安全的前提下對基坑支護結構進行設計優(yōu)化。

車站基坑支護是為了保證開挖時不發(fā)生失穩(wěn)破壞?；邮Х€(wěn)破壞的主要形式有整體失穩(wěn)、傾覆失穩(wěn)、踢腳失穩(wěn)、底部隆起等，所以在設計時要驗算各項穩(wěn)定性條件[1]。支護樁的入土深度是影響基坑穩(wěn)定性的重要參數(shù)，在相關結構設計時須進行穩(wěn)定性驗算。由于樁身最大彎矩值是設計樁幾何參數(shù)的主要依據(jù)，其值決定了樁的幾何尺寸大小，也直接影響著支護結構的強度和造價，因而選擇適合的樁徑是樁身最大彎矩值優(yōu)化設計需要重點考慮的。另外，為了保護基坑周圍建筑物和地下管線等，基坑開挖時不允許支護側向位移過大而引起太大的地面沉降，因此設計優(yōu)化還必須考慮支護結構的變形[2-4]。

在綜合分析西朗站基坑的深度、地質水文條件和周邊環(huán)境因素的基礎上，擬定設計優(yōu)化調(diào)整的主要內(nèi)容如下：

(1)支護結構優(yōu)化方案比選。該車站基坑安全等級為一級，基坑支護結構替換方案可采用地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁+旋噴樁、套管咬合樁等，通過技術經(jīng)濟比選，設計優(yōu)化方案采用鉆孔灌注樁+旋噴樁結構形式。在此基礎上初步確定灌注樁直徑為1000 mm，并對支護結構樁基間距進行調(diào)整。

(2)支撐體系的優(yōu)化調(diào)整。原設計中鋼支撐使用較多，間距較密，存在鋼支撐使用數(shù)量大、時間長以及土石方開挖和主體結構施工不便等問題，影響作業(yè)效率，故需要對支撐體系的間距進行調(diào)整。

2.2 優(yōu)化后的支護結構設計方案

圖3 優(yōu)化后的支護結構圖

2.3 支護結構驗算

2.3.1 計算原理

支護結構計算基于增量法原理，即采用彈性支點法和極限平衡法模擬基坑開挖和回筑施工過程中各種基本因素對支護結構受力的影響，在分步計算中考慮結構體系受力的連續(xù)性，跟蹤施工全過程逐階段計算。開挖面以下用一組彈簧模擬地層水平抗力，土的水平抗力系數(shù)按K法確定，采用彈性支點法計算。支護結構計算采用“理正深基坑支護結構設計軟件”(F-SPW 5.41)。支護結構計算模型見圖4。

圖4 支護結構計算模型

2.3.2 主要荷載

(1)結構自重：鋼筋混凝土結構自重按25 kN/m3計。

(2)水土側壓力：施工階段按朗金主動土壓力進行計算，使用階段按靜止土壓力進行計算。

(3)地面超載：標準段按20 kN/m2計，盾構吊出端按70 kN/m2計，A4建筑物位置按60 kN/m2計。

2.3.3 巖層、土層設計計算基本參數(shù)

巖層、土層力學指標參數(shù)見表1。該車站基坑標準段深度為15.84 m，按一級基坑考慮。根據(jù)勘察資料和設計規(guī)范要求，基坑以下支護樁嵌固深度確定為：中風化層不少于2.5 m，微風化層不少于1.5 m。

2.3.4 計算結果

設計方案優(yōu)化后，該車站以24個地質鉆孔進行基坑支護結構驗算，計算結果均滿足規(guī)范要求，現(xiàn)將車站端頭和標準段中各一個點(MGF3-JX-B67、MGF3-XL-028)的支護結構計算結果列于表2。端頭及標準段對應的開挖架設支撐、回筑拆除支撐時的位移、彎矩、剪力包絡圖分別如圖5和圖6所示。經(jīng)過驗算，基坑全部樁身的最大水平位移、承載力與穩(wěn)定性均滿足設計規(guī)范要求。

2.3.5 現(xiàn)場施工過程監(jiān)測情況

西朗站自基坑土石方開挖施工開始，到主體結構全部完工以及土石方回筑后的整個期間內(nèi)，按照設計要求對車站支護結構進行了相關監(jiān)測。車站基坑支護結構的監(jiān)測內(nèi)容及報警值見表3。

在車站施工過程中對基坑支護結構相關監(jiān)測內(nèi)容進行了258次監(jiān)測，其中支護樁位移最大值為13.95mm，土體側向位移最大值為14.32mm,冠梁水平位移為11.65 mm，基坑周圍地表沉降最大值為9.11 mm，鋼管支撐軸力最大值為1114 kN。監(jiān)測結果均小于報警值，滿足設計及規(guī)范要求，表明支護結構優(yōu)化方案是切實可行的。

表2 支護結構計算結果

圖5 端頭位移、彎矩、剪力包絡圖

Fig.5Envelopediagramofdisplacement,bendingmomentandshearforceattheend

圖6 標準段位移、彎矩、剪力包絡圖

Fig.6Envelopediagramofdisplacement,bendingmomentandshearforceatthestandardsection

表3 監(jiān)測內(nèi)容及報警值

2.3.6 設計優(yōu)化效果

西朗站支護結構設計優(yōu)化后，樁基直徑從1200 mm調(diào)整為1000 mm，總數(shù)從837根變?yōu)?57根，減少了280根，優(yōu)化前后主要工程數(shù)量情況見表4。

從表4可以看出，車站支護結構設計優(yōu)化后減少的主要工程量有：樁基成孔12 602.8 m3,鋼筋籠制安916.2 t(5618.6 m3)，樁基噴射混凝土和支撐體系工程數(shù)量減少約30%。依據(jù)承發(fā)包合同文件，西朗站支護結構采用合價包干形式，在保持合同收入不變的情況下創(chuàng)造項目經(jīng)濟效益1000多萬元。另外，由于實際工程量的減少以及支撐體系優(yōu)化帶來的便利施工條件，為西朗站搶回工期3個多月。

3 結語

車站基坑支護結構以疏排鉆孔灌注樁替代密排人工挖孔樁，大幅減少了樁基成孔、鋼筋制安、混凝土澆筑等工程數(shù)量，節(jié)約了工期，經(jīng)濟效益顯著。對支護結構的支撐體系進行立面、平面上的調(diào)整優(yōu)化，為基坑土石方開挖和主體結構施工創(chuàng)造了較為便利的施工條件。將人工挖孔樁改為機械鉆孔樁，避免了大規(guī)模的人工挖孔爆破作業(yè)，降低了施工安全風險。本次基坑支護結構方案優(yōu)化的成功實施對于類似地質水文條件下的深基坑工程具有較高的參考價值。

[1] 龔曉南,高有潮.深基坑工程設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[2] 秦四清.深基坑工程優(yōu)化設計[M].北京：地震出版社,1998.

[3] 黃貴珍,楊予,藍日彥.深基坑支護的系統(tǒng)分析及優(yōu)化設計[J].廣西科學,2000,7(3)：169-174.

[4] 武亞軍,盧文閣,欒茂田，等.深基坑支護結構優(yōu)化設計探討[J].建筑結構,2000,30(11)：37-40.