軟弱地層中超大型深基坑支撐體系方案設計與研究

■ 巫裕斌??孟超

軟弱地層中超大型深基坑支撐體系方案設計與研究

■ 巫裕斌??孟超

介紹深圳地鐵10號線益田停車場主體圍護結(jié)構(gòu)設計，總結(jié)軟弱地層中長大基坑設計特點及難點。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方案，地下結(jié)構(gòu)布置緊湊、簡潔，取得了良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。對比邊桁架內(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用及效果，對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，遇到的大型基坑項目越來越多，在沿海地區(qū)修建地鐵往往遇到淤泥質(zhì)土等軟弱地層，其力學性質(zhì)較差，工程地質(zhì)條件十分復雜。并且在城市中開挖基坑場地條件和周圍環(huán)境的限制因素較多，特別是在地鐵工程中，基坑長度長，對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，因此有必要對基坑支撐體系進行分析和討論。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)場實際監(jiān)測值和有限元計算結(jié)果進行對比，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方案的影響因素和效果，建立了一套基坑支護方案的綜合評價體系。胡斌等[3]以南京地鐵某停車場為研究對象，分析軟土地區(qū)深基坑設計和施工方案，為軟土地區(qū)基坑圍護方案的選擇和設計提供參考。

以深圳地鐵10號線益田停車場為研究對象，對比邊桁架內(nèi)支撐體系和環(huán)形桁架內(nèi)支撐體系對基坑穩(wěn)定性的影響并分析其經(jīng)濟效益。

1 工程概況

深圳市地鐵10號線益田停車場位于深圳市福田區(qū)福榮路與廣深高速路基段之間，結(jié)構(gòu)走向為東西向，起點為福田保稅區(qū)3號隧道西側(cè)綠化帶，終點為福田保稅區(qū)2號隧道西側(cè)綠化帶，為全地下雙層停車場，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)系見圖1，工程現(xiàn)場周邊環(huán)境的衛(wèi)星照片見圖2。

圖1 停車場平面位置圖

圖2 工程場址周邊環(huán)境

停車場主體結(jié)構(gòu)全長約555．5 m，標準段寬度50．55 m，總建筑面積約為63 730 m2，占地面積為25 875 m2。共設有10個風井，10個消防疏散樓梯，14個采光、通風、排煙天井和2個消防車道出入口。

1.1 地質(zhì)概況

場地內(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）。地層物理力學設計參數(shù)見表1。

1.2 工程重難點

益田停車場基坑沿東西方向長度超過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：

（1）地勘資料揭露場址范圍淤泥質(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，施工風險大。

（2）益田停車場靠近廣深高速，場址周邊邊界條件復雜，基坑面積及開挖深度較大，并且周邊環(huán)境保護要求高，基坑沉降變形控制要求嚴格，必須采取安全可靠的支護方案。

（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，基坑開挖后變形大，易引起支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而產(chǎn)生滑塌。

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

（5）殘積土及全、強風化巖顆粒成分具有“兩頭大、中間小”的特點，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，遇水強度急劇降低，甚至會產(chǎn)生管涌、流土等滲透變形現(xiàn)象。

目前，國內(nèi)尚沒有竣工的大型地下地鐵停車場，可參考的工程經(jīng)驗較少；并且基坑主要位于軟弱土層中，要求支護有足夠的強度保證基坑不發(fā)生大變形。選擇邊桁架支撐和環(huán)形桁架支撐2種形式進行計算對比，分析其優(yōu)缺點并確定最終的設計方案。

表1 地層物理力學設計參數(shù)

2 基坑支護設計

2.1 支護形式比選

基坑長555．7 m，標準段寬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)土的抗剪強度很小，使得支護體系受力較大，因此需要強大的支護結(jié)構(gòu)。

為了使基坑開挖對附近道路和管線的影響降到最低，因此本主體基坑圍護結(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，通過借鑒類似工程的設計經(jīng)驗，考慮邊桁架支撐體系和環(huán)形桁架支撐體系2種方案，2種支護形式的優(yōu)缺點比較見表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圖3、圖4。

2.3 數(shù)值模擬計算

基坑計算采用《理正深基坑支護結(jié)構(gòu)設計軟件F-SPW7．0》，建立三維基坑模型，模擬基坑開挖及回筑全過程，按增量法原理進行計算[5]?；影踩燃墳橐患?，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。

不同方案計算得到的基坑整體最大位移見圖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表3—表5。

通過以上計算結(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，要求在整道支撐體系全部形成并且整體受力后方可進行其下的土方開挖；但基坑長度超過500 m，在實際施工中很難對所有環(huán)形支撐同步開挖，施工質(zhì)量難以保證。

表2 基坑支護形式方案比選[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立柱數(shù)量及混凝土用量（見表6）。經(jīng)過2種方案的多次論證和計算，邊桁架支撐體系更適合本工程（見表7）。

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

目前已施做第一道混凝土支撐，支撐軸力監(jiān)測變化值見圖7，近一周內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總見表8。根據(jù)目前收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，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 混凝土及臨時立柱工程量對比

表7 2種方案技術(shù)比選

圖6 基坑支護方案平面布置

圖7 第一道支撐軸力監(jiān)測值

3 結(jié)論

以深圳地鐵10號線益田停車場基坑圍護結(jié)構(gòu)為研究對象，計算了2種不同支撐體系方案下基坑結(jié)構(gòu)的受力，分析其力學效應和經(jīng)濟效益，得到如下結(jié)論：

（1）對于長大基坑，雖然環(huán)形桁架支撐體系能夠充分利用空間和大型設備，但是控制圍護結(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，要求土方開挖前所有上一道支撐必須施工完畢，對施工單位的技術(shù)能力和場地條件要求較高，不利于流水化作業(yè)。結(jié)合計算分析及既有工程實例，認為環(huán)形桁架支撐體系多適用于正方形、多邊形基坑，不適用于長條形基坑。

表8 監(jiān)測數(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，并且施工簡單，便于操作，經(jīng)過多次論證和分析，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用[J]． 地下空間與工程學報，2010(1)：179-183．

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

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

[4] 李輝． 大型基坑支護體系計算模型的分析與比較[D]． 上海：同濟大學，2007．

[5] 龔曉南． 深基坑工程設計手冊[M]． 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998．

[6] 朱艷，袁強． 深基坑工程支撐體系優(yōu)選設計[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挖圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[D]． 成都：西南交通大學，2005．

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

巫裕斌：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，助理工程師，?北京，100055

孟超：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，高級工程師，?北京，100055

責任編輯李葳

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