深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬計算與分析

文/賀鵬飛　中交第一公路工程局有限公司　北京　100024

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬計算與分析

文/賀鵬飛中交第一公路工程局有限公司北京100024

以武漢市地鐵6號線某標(biāo)段區(qū)間風(fēng)井為例，采用理正深基坑軟件計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，通過兩種方案計算結(jié)果的對比表明，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。

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)計尺寸1.6m*1.2m?；娱L19.2m（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)計原則

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計算采用荷載結(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)力計算?；影踩燃壓椭匾缘燃壘鶠橐患?，并按此等級對基坑穩(wěn)定性及變形進(jìn)行驗算。在進(jìn)行穩(wěn)定性驗算時，各荷載分項系數(shù)均取1.0?；幼冃慰刂票Ｗo(hù)等級為一級，地面最大沉降量≤40mm，最大水平位移≤40mm。

3.2荷載及計算

本工程采用理正深基坑支護(hù)設(shè)計軟件（6.0）進(jìn)行計算分析。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土壓力計算，對強(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?？勺兒奢d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級混凝土、抗?jié)B等級P6。冠梁、支撐：C30級混凝土。鋼筋：HPB300級及HRB400級熱軋鋼筋。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)驗算

本次驗算分別對地連墻的短邊（19.2m）、長邊（29.8m）兩個單元進(jìn)行了受力變形和穩(wěn)定性驗算。下面以短邊為例對計算過程和結(jié)果進(jìn)行簡要說明。

4.1信息錄入

軟件需錄入的工程信息分為3個方面：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算后錄入，計算公式詳見《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程附錄》。

4.2結(jié)構(gòu)計算

經(jīng)過信息錄入得到地連墻支護(hù)布置簡圖，如下：

圖1 地連墻支護(hù)布置簡圖

最大地表沉降圖，如下：

圖2最大地表沉降圖

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

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

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

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

根據(jù)內(nèi)力情況，對地連墻和冠梁進(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)井的整個施工過程中，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)計要求的。

5、排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計及驗算

經(jīng)過對地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬計算，得到了按照設(shè)計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)，下面就對排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計并模擬驗算其施工的安全性。

5.1排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)計保持一致。

5.2排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)驗算

對排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，同樣分別在短邊、長邊兩個方向，進(jìn)行了受力變形和穩(wěn)定性驗算。

具體方法和計算過程同地連墻結(jié)構(gòu)的計算過程。下面列舉短邊方向幾個主要的驗算結(jié)果圖表：

5.3結(jié)果

通過對排樁結(jié)構(gòu)的短邊、長邊兩個方向的單元進(jìn)行受力變形和穩(wěn)定性驗算，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)計要求的。

6、對比和分析

圖3排樁支護(hù)布置簡圖

圖4排樁最大地表沉降圖

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短邊（19.2m）、長邊（29.8m）進(jìn)行了單元計算，所以就有地連墻結(jié)構(gòu)短邊單元、地連墻結(jié)構(gòu)長邊單元、排樁結(jié)構(gòu)短邊單元、排樁結(jié)構(gòu)長邊單元，這4種單元計算結(jié)果。通過對4種單元結(jié)果對比，同時結(jié)合施工中實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得到如下幾條結(jié)論：

6.1側(cè)向位移對比分析

對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。同時將實際監(jiān)測數(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)行對比匯總。

可以看出開挖施工中有兩個危險點(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。這兩個危險點(diǎn)在整個開挖過程中，一直是最大的側(cè)向位移點(diǎn)，所以在施工到這兩個支撐位置時，要特別關(guān)注，重點(diǎn)控制，及時架設(shè)支撐，及時對鋼支撐施加軸力，時刻注意這兩個危險點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)和軸力數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)報警值，及時果斷的采取相應(yīng)應(yīng)急措施。

6.2地表沉降對比分析

對4種單元情況和實際數(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

排樁長邊：基坑邊緣地表最大沉降28mm

實際監(jiān)測：基坑邊緣地表最大沉降9.8mm

通過對比可以看出，無論是地連墻結(jié)構(gòu)還是排樁結(jié)構(gòu)，長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，在長邊方向要注意施工質(zhì)量，及時架設(shè)支撐，尤其注意基坑長邊周邊范圍的機(jī)械停放、材料堆放等會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)，時刻注意沉降量數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)報警值，及時果斷的采取相應(yīng)應(yīng)急措施。

6.3兩種方案的對比分析

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。而且排樁長邊的最大位移和沉降都達(dá)到或超過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，在進(jìn)行長邊方向排樁結(jié)構(gòu)計算分析時，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)計時占了一定的比重。

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)，對土體位移比較敏感，而計算出的側(cè)向位移又很大，很容易因為土體的位移而脆裂，難以保持整體穩(wěn)定性，所以綜合考慮各項條件，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:

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)多作為臨時使用，若設(shè)計時只追求穩(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、造價等情況來進(jìn)行設(shè)計和施工。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。

［1］《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）.

［2］《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）.

［3］武漢市軌道交通6號線一期工程施工設(shè)計圖.

［4］閆繼龍.《大連地鐵一號線港灣廣場站深基坑支護(hù)設(shè)計》.

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