淺析石家莊地鐵車站基坑支護(hù)方案的優(yōu)化選型

張會(huì)遠(yuǎn)，尤培波

(河南城建學(xué)院)

?

淺析石家莊地鐵車站基坑支護(hù)方案的優(yōu)化選型

張會(huì)遠(yuǎn)，尤培波

(河南城建學(xué)院)

摘要：城市地鐵施工多采用明挖法，但城市建筑密集、地質(zhì)條件差，所以基坑支護(hù)是施工安全和質(zhì)量控制最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)?；又ёo(hù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化是一項(xiàng)重要而又復(fù)雜的工作，文章采用價(jià)值工程理論，通過層次分析及模糊評(píng)價(jià)原則，分別對(duì)石家莊地鐵市區(qū)車站和市郊車站擬采用的各種支護(hù)形式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，確定基坑支護(hù)方案，并根據(jù)工程實(shí)際情況對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和計(jì)算分析進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后，通過對(duì)比分析總結(jié)參數(shù)與變形及造價(jià)的變化規(guī)律，并提出安全、經(jīng)濟(jì)、合理的支護(hù)形式。

關(guān)鍵詞：基坑工程；支護(hù)；參數(shù)選擇；綜合評(píng)價(jià)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0引言

深基坑工程是一個(gè)涉及多專業(yè)多學(xué)科的系統(tǒng)工程，其中基坑支護(hù)方案是基坑工程中最為重要的組成部分，一個(gè)合理的支護(hù)方案，不僅能加快工程進(jìn)度、保證工程安全，而且可以極大的降低工程成本。由于基坑支護(hù)方案，受多種因素影響，而且具有層次性和模糊性，因而，其評(píng)價(jià)權(quán)重的選取具有模糊性或階段性，因此，針對(duì)基坑工程支護(hù)方案所具有特殊條件選擇最優(yōu)支護(hù)方案成為基坑工程經(jīng)濟(jì)、安全實(shí)施的重點(diǎn)。本文參考相似地層城市車站深基坑支護(hù)、變形規(guī)律，基坑事故分析及控制對(duì)策，以及相關(guān)城市深基坑支護(hù)選型經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)程規(guī)范，結(jié)合對(duì)石家莊軌道交通1號(hào)線的水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，運(yùn)用模糊學(xué)理論對(duì)擬采用的基坑支護(hù)型式進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得出最優(yōu)的支護(hù)型式。

1本地區(qū)基坑工程支護(hù)類型

通過對(duì)本地區(qū)基坑工程支護(hù)類型的調(diào)查，基坑支護(hù)主要分為三類。鉆孔灌注樁的基坑支護(hù)型式在石家莊地區(qū)使用較為普遍，具有一定施工經(jīng)驗(yàn)；當(dāng)基坑寬度較大或較不規(guī)則時(shí)可采用預(yù)應(yīng)力錨索作為內(nèi)部支撐體系使用；當(dāng)?shù)孛嬗羞m當(dāng)放坡條件時(shí)可采用上部放坡下部排樁的支護(hù)型式。

2地鐵基坑支護(hù)方案選擇

2.1　初步確定支護(hù)方案

市區(qū)車站初步選擇三個(gè)方案:混凝土鉆孔灌注樁(方案Ⅰ)、“H”型鋼板樁(方案Ⅱ)、SMW工法(勁性水泥土攪拌樁法)(方案Ⅲ);

市郊車站初步選擇三個(gè)方案：上部土釘+下部鉆孔灌注(方案Ⅰ)、分級(jí)放坡復(fù)合式土釘墻(方案Ⅱ)、分級(jí)H型鋼板樁(方案Ⅲ)

2.2　支護(hù)方案的功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表1　支護(hù)方案功能評(píng)價(jià)表

2.3　功能評(píng)價(jià)權(quán)重的確定

在多條件多因素綜合分析計(jì)算中，經(jīng)常涉及各種條件的影響系數(shù)(加權(quán)系數(shù))W的權(quán)重分配問題，影響系數(shù)需系統(tǒng)分析各項(xiàng)影響因素，綜合確定數(shù)值，系數(shù)選擇的合理與否對(duì)方案評(píng)價(jià)和優(yōu)選存在較大影響。評(píng)價(jià)指標(biāo)影響系數(shù)的確定方法很多，例如統(tǒng)計(jì)法、專家打分法、層次分析法、超標(biāo)加權(quán)法、模糊逆方程法等。專家打分法及層次分析法是常用的分析方法。專家打分法，操作簡(jiǎn)單，但受個(gè)人認(rèn)知程度影響，主觀影響較重，在很大程度上，對(duì)評(píng)價(jià)的結(jié)果影響較大，容易導(dǎo)致誤判，在復(fù)雜重大基坑工程中較少采用這類方法。然而層次分析法不但思路清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)，而且能夠避免主觀任意性等特點(diǎn)，被大量引用在該領(lǐng)域。本文章主要運(yùn)用層次分析法來計(jì)算各指標(biāo)的影響系數(shù)。

2.4　基坑支護(hù)方案功能的模糊評(píng)價(jià)

根據(jù)加權(quán)距優(yōu)距離(S+)平方與加權(quán)距劣距離(S-)平方之和為最小的優(yōu)化原則，建立目標(biāo)函數(shù)

(1)

通過對(duì)目標(biāo)函數(shù)求導(dǎo)數(shù)，并令導(dǎo)數(shù)為0解得

(2)

具體計(jì)算公式為

(3)

2.5　基坑支護(hù)方案成本評(píng)價(jià)

方案成本系數(shù)計(jì)算公式:方案成本系數(shù)(CI)=方案成本/全部方案成本之和。

方案成本系數(shù)代表著某一方案成本在全部方案成本總和中所占的比重，數(shù)值越大，成本耗費(fèi)越多，方案成本就越差。

2.6　價(jià)值系數(shù)系數(shù)計(jì)算及方案排序

方案價(jià)值系數(shù)計(jì)算公式:方案價(jià)值系數(shù)(Vi)=方案功能系數(shù)(Fi)/方案成本系數(shù)(Ci)

方案價(jià)值系數(shù)代表著某一方案功能在全部方案成本中的比重，根據(jù)價(jià)值系數(shù)的大小對(duì)方案排序，價(jià)值數(shù)值越高方案越優(yōu)。

2.7　車站方案優(yōu)選計(jì)算結(jié)果

(1)市區(qū)車站

通過計(jì)算方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的功能評(píng)價(jià)系數(shù)分別為：FⅠ=0.352，F(xiàn)Ⅱ=0.336，F(xiàn)Ⅲ=0.323

方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的成本評(píng)價(jià)系數(shù)分別為：FⅠ=0.343，F(xiàn)Ⅱ=0.333，F(xiàn)Ⅲ=0.324

通過計(jì)算得出基坑支護(hù)方案價(jià)值系數(shù)如下

方案Ⅰ為：VⅠ=0.352/0.343=1.026

方案Ⅱ?yàn)椋篤Ⅱ=0.336/0.333=1.009

方案Ⅲ為：VⅢ=0.323/0.324=0.997

排序?yàn)閂Ⅰ>VⅡ>VⅢ，依據(jù)價(jià)值工程理論評(píng)判準(zhǔn)則，方案Ⅰ(鉆孔灌注樁)是最優(yōu)的方案。

(2)市郊車站

同理計(jì)算的最優(yōu)方案為上部放坡+下部鉆孔樁方案。

3對(duì)地鐵基坑支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化

3.1　計(jì)算參數(shù)的選取

(1)巖土物理力學(xué)參數(shù)

軌道交通1號(hào)線線路較長，市郊類車站主要分布在車站大里程端部，其余車站均位于城市主干道下方，周邊建構(gòu)筑物較密集，屬市區(qū)車站類，本次研究結(jié)合車站分布位置，在市郊車站、市區(qū)車站范圍分別選取各一個(gè)地質(zhì)鉆孔進(jìn)行分析計(jì)算。

表2　市區(qū)車站巖土物理力學(xué)參數(shù)

表3　市郊車站巖土物理力學(xué)參數(shù)

(2)基坑規(guī)格選取

本線除兩座同期實(shí)施的換乘車站局部采用三層的結(jié)構(gòu)型式外，其余均為二層車站，因此本研究基于二層標(biāo)準(zhǔn)車站進(jìn)行分析研究具體結(jié)構(gòu)尺寸如表4。

表4　基坑參數(shù)表

(3)基坑變形控制保護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表5

表5　基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)

3.2　市區(qū)車站基坑主要支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

結(jié)合車站基坑支護(hù)中水平支撐的型式，分為鋼支撐、預(yù)應(yīng)力錨索兩種情況進(jìn)行分析，鉆孔灌注樁+鋼支撐的支護(hù)型式中選擇取鉆孔灌注樁直徑、灌注樁間距、樁嵌固長度為主要變量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；鉆孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)型式中選取鉆孔灌注樁直徑、灌注樁間距、錨索入射角度做為主要變量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算分析；最后針對(duì)鋼支撐與預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終確定優(yōu)化后的支護(hù)方案。

3.2.1鉆孔灌注樁+鋼支撐支護(hù)型式分析

(1)力學(xué)結(jié)算結(jié)果

地層參數(shù)按表2選取，采用同濟(jì)啟明星支護(hù)軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型見圖1。

圖1　計(jì)算模型

插入比鉆孔灌注樁/mm整體穩(wěn)定性系數(shù)坑底抗隆起系數(shù)水平位移/mm設(shè)計(jì)彎矩/(kN·m)鋼筋/mm配筋率0.25Φ800@14001.21.8914.6741.623Φ252.12%Φ1000@18001.211.8910.41053.824Φ251.45%0.3Φ800@14001.291.9514.4735.722Φ252.10%Φ1000@18001.291.9510.31043.624Φ251.43%0.35Φ800@14001.372.0214.3732.122Φ252.09%Φ1000@18001.372.0210.21036.224Φ251.42%0.4Φ800@14001.452.0914.1730.721Φ252.05%Φ1000@18001.452.0910.11031.522Φ251.38%

(2)經(jīng)濟(jì)分析

表7圍護(hù)結(jié)構(gòu)縱向單延米造價(jià)對(duì)比表(單位：mm)

序號(hào)樁插入比圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式價(jià)格 元/mΦ800mm@1400mmΦ1000mm@1600mmΦ1000mm@1800mm10.2546630.6947578.2846317.9020.347080.2448068.8146753.9230.3547473.6048498.0247135.4440.447923.1548988.5547571.47

通過表6分析，樁長是影響造價(jià)的主要因素，其次是樁的直徑及間距，在滿足基坑整體穩(wěn)定性的條件下，Φ800mm@1 400mm的鉆孔灌注樁支護(hù)型式與Φ1 000mm@1 800mm的鉆孔灌注樁支護(hù)型式，造價(jià)基本相仿，而Φ1 000mm@1 600mm，造價(jià)相對(duì)偏高，考慮到本線部分車站主體穿越粉細(xì)砂層，樁間距較小時(shí)可防止沙土流失，暫推薦采用Φ800mm@1 400mm的鉆孔灌注樁。

3.2.2鉆孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)型式分析

(1)力學(xué)結(jié)算結(jié)果

地層及采用軟件情況與4.1節(jié)完全相同，計(jì)算結(jié)果見表8。

表8　樁+錨索型式計(jì)算成果表

續(xù)表8

(2)經(jīng)濟(jì)分析

表9　圍護(hù)結(jié)構(gòu)縱向單延米造價(jià)對(duì)比表

針對(duì)上表分析，Φ800mm@1 400mm的鉆孔灌注樁，豎向設(shè)置四道預(yù)應(yīng)力錨索，下插角度為20 °時(shí)較為經(jīng)濟(jì)。

3.2.3鋼管支撐與預(yù)應(yīng)力錨索經(jīng)濟(jì)分析

本節(jié)針對(duì)同樣深度的基坑在不考慮格構(gòu)柱的施工干擾及后期處理情況下，對(duì)樁加預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)型式的單延米造價(jià)與樁加內(nèi)支撐支護(hù)型式的單延米造價(jià)進(jìn)行對(duì)比(錨索采用一次性錨索，考慮到鋼支撐重復(fù)利用，租賃時(shí)間按半年計(jì))，當(dāng)基坑寬度達(dá)到35m時(shí)，兩種支護(hù)型式造價(jià)才基本相當(dāng)，因此，在不考慮其他相關(guān)施工因素，當(dāng)基坑寬度較小時(shí)，鋼支撐的支護(hù)型式是較為經(jīng)濟(jì)的。

表10　內(nèi)支撐與錨索造價(jià)對(duì)比表

3.3　市郊車站基坑主要支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

針對(duì)上部土釘支護(hù)+鉆孔灌注樁的支護(hù)型式，鉆孔灌注樁的內(nèi)支撐體系可以采用鋼支撐或預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)型式，通過以上計(jì)算可知，預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)在基坑寬度不大的情況下，造價(jià)偏高，本節(jié)只正對(duì)上部土釘支護(hù)+下部鉆孔灌注樁+鋼支撐的支護(hù)型式進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，結(jié)合基坑的施工工序，將上部土釘放坡角度、土釘支護(hù)與樁支護(hù)高度分界作為主要變量進(jìn)行分析。

表11　上部放坡開挖計(jì)算結(jié)果

表12　下部鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐計(jì)算結(jié)果

由上表可以看出，隨著土釘放坡高度加高及放坡角度加大，工程造價(jià)逐漸降低，然而考慮到規(guī)范中對(duì)土釘放坡高度的限制，以及對(duì)周邊環(huán)境的影響，推薦采用上部土釘放坡角度為0.4，放坡高度為12m，既為市區(qū)車站基坑支護(hù)的第三道支撐位置上部，下部采用鉆孔灌注樁樁加鋼支撐的支護(hù)型式。

4結(jié)論與討論

本文利用價(jià)值工程原理建立優(yōu)選模型，系統(tǒng)描述了優(yōu)選分析的計(jì)算過程，并取得較為滿意的效果，計(jì)算分析過程，可為類似基坑支護(hù)工程選型優(yōu)化提供參考；在深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方面，國內(nèi)外學(xué)者提出了眾多基坑優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，但仍存有缺陷，例如層次性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)指標(biāo)、屬性值及其權(quán)重值的取值標(biāo)準(zhǔn)問題，如果沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，則推理計(jì)算的數(shù)值就不具有可比性。

國內(nèi)對(duì)基坑支護(hù)相關(guān)方面研究較多，由于深基坑支護(hù)在時(shí)間和空間上是不斷變化的，具有很強(qiáng)的地域局限性，開挖地層和時(shí)間上也存在很大不確定性和不連續(xù)性，因此，深基坑工程是一個(gè)復(fù)雜的巖土工程，其不僅是基坑結(jié)構(gòu)支護(hù)，還包括基坑降水及防排水措施、基坑開挖工法和工序的選擇、對(duì)地表和地層變形的控制、緊急救援預(yù)案等一系列復(fù)雜的工程問題，很難通過現(xiàn)行各種規(guī)范中的簡(jiǎn)單而有限的解析公式安全準(zhǔn)確地給出適合特定地域和地層圍巖條件的最優(yōu)支護(hù)方案。這就需要在具體實(shí)踐工程中通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變及各部位變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)行信息化施工，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)基坑穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行判斷和預(yù)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)分析進(jìn)行信息反饋，隨時(shí)對(duì)地層圍巖的工程特性進(jìn)行修正和變更，指導(dǎo)施工和優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘力，劉小平，馮熊輝． 采用模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行深基坑優(yōu)化選型時(shí)權(quán)重的選定[J]．公路工程，2012， 37(5)：49-51.

[2]徐洪泉，羅海亮，李春生，等．基于遺傳算法的深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與MATLAB實(shí)現(xiàn)[J]．公路工程，2012， 37(3)：158-161.

[3]鄧武．長沙錦泰廣場(chǎng)地鐵車站基坑支撐設(shè)計(jì)優(yōu)化[J]．公路工程，2011， 36(3)：95-97.

[4]王成華, 王卓雄, 陳海明. 基坑擋土結(jié)構(gòu)的粒子群優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 38(6): 547-551..

Optimization and Selection of Rataining and Protection Scheme

of Shijiangzhuang Metro Station Foundation Excavation

ZHANG Hui-yuan， YOU Pei-bo

(Henan University of Urban Construction)

Abstract:Cut and cover method is commonly used in the construction of city metro station, the supporting of foundation pits is the most critical step in construction security and equality control because of the dense buildings and unfavorable geological conditions in cities. The design and optimization of the supporting of foundation pits is essential and complex, in this paper, all the supporting forms of subway stations in urban and suburban areas of Shijiazhuang are comprehensively analyzed and assessed with value engineering according to Analytic Hierarchy Process (AHP) and Fuzzy Evaluation principals. Afterwards, the supporting program was determined, the supporting parameters were adjusted and the calculation and analysis was optimized based on the practical situation of the project. Finally, the change rule of construction cost and parameters were summarized by contrastive analysis and a secure, economical, and reasonable supporting form was put forward.

Key words:foundation pit engineering;support;parameter selection;comprehensive assessment;design optimization

作者簡(jiǎn)介：張會(huì)遠(yuǎn)(1979-)，男，平頂山郟縣人， 講師，研究方向：公路隧道。

收稿日期：2014-10-30

中圖分類號(hào)：TU94+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C

文章編號(hào)：1008-3383(2015)08-0005-03