鋼筋混凝土曲形支撐體系在地鐵復(fù)雜深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城建院，陜西 西安 710043)

近些年來，城市軌道交通工程的大量興建,產(chǎn)生了大量的深基坑工程。由于受到眾多邊界條件和控制因素的影響,現(xiàn)在地鐵基坑的形式也大大超出了標(biāo)準(zhǔn)的模式,基坑的深度不斷變深，從而基坑圍護(hù)工程的風(fēng)險(xiǎn)也在不斷增大。在一些軌道交通線路逐漸形成網(wǎng)絡(luò)的城市，在后續(xù)地鐵建設(shè)過程中會(huì)有更多體量龐大的換乘車站，換乘站因?yàn)榫€路平面交叉形成復(fù)雜的多邊形深基坑，如何選擇科學(xué)合理的支護(hù)方案，進(jìn)行可靠的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)在施工中的安全及鄰近建筑物和地下管線的安全，成為眾多從事基坑工程的技術(shù)人員所關(guān)心的問題。

基坑安全的問題涉及的方面很多。例如：工程地質(zhì)、圍護(hù)選型、嵌固深度、地下水位、降水方案、內(nèi)支撐體系、冠梁圍檁構(gòu)造等多項(xiàng)參數(shù)的合理選擇與確定[1]。而樁身水平位移，特別是樁頂水平位移反映基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，能直接反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性，是圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全狀況的重要指標(biāo)，過大的樁身位移往往是圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的前兆，威脅著基坑的安全[2]。肖武權(quán)等對(duì)深基坑支護(hù)方案和所選支護(hù)類型細(xì)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算兩個(gè)方面的優(yōu)化進(jìn)行了探討[3]。王曉偉等提出了考慮深基坑坑角效應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算方法，并通過工程實(shí)例驗(yàn)證了此計(jì)算方法及所得系數(shù)的合理性[4]。文獻(xiàn)[5]～文獻(xiàn)[8]從室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和模擬計(jì)算方面對(duì)深基坑的變形和內(nèi)力方面做了有效的研究。上述研究均是建立在常規(guī)矩形平面深基坑工程的基礎(chǔ)上所取得的成果，但對(duì)于基坑平面不規(guī)則、空間效應(yīng)明顯的復(fù)雜深基坑，相關(guān)的研究成果未見詳細(xì)報(bào)道。

1 工程概況

圖1 車站總體布置

1.1 工程簡介

在建工程車站是西安市線網(wǎng)中第二輪建設(shè)的兩線換乘站，位于既有道路與規(guī)劃路十字路口的北側(cè)，沿南北向敷設(shè)于道路下方。車站全長189.7 m，本期車站為地下三層島式站臺(tái)車站，標(biāo)準(zhǔn)段寬度23.7 m，遠(yuǎn)期線車站為地下二層島式站臺(tái)形式，本站土建工程預(yù)留節(jié)點(diǎn)換乘條件，換乘節(jié)點(diǎn)處基坑最大跨度約55 m(見圖1)。

車站采用明挖順做法施工，三層站主體基坑深度約為24.8 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式采用直徑1 200 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁(換乘節(jié)點(diǎn)二層基坑采用樁徑1 000 mm@1 400 mm)+ 內(nèi)支撐。站位所在道路為雙向6車道+2非機(jī)動(dòng)車道，現(xiàn)狀道路總寬40 m，規(guī)劃道路寬60 m。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

1.2.1 工程地質(zhì)

站位所在主要地貌單元為河流二級(jí)沖洪積階地，擬建場(chǎng)地經(jīng)人工改造后地勢(shì)較平坦，地形略有起伏，地面高程介于410.61～411.78 m，最大相對(duì)高差約1.17 m。

工程場(chǎng)地在勘探深度50.0 m范圍內(nèi)的地層主要為第四系堆積物，即由全新統(tǒng)雜填土(Q4 ml)、素填土(Q4 ml)、沖積(Q4al)黃土狀土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂和中砂組成。地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各土層物理參數(shù)表

1.2.2 水文地質(zhì)

地下水位埋深介于14.7～15.6 m之間，地下水高程介于395.82～396.41 m之間。地下水位具有由南向北緩慢降低的趨勢(shì)。地下水主要賦存于砂類土及粉質(zhì)黏土中，屬孔隙性潛水。

地下水補(bǔ)給主要來自大氣降水、綠化灌溉、側(cè)向徑流等，排泄方式主要為徑流排泄、人工開采、潛水越流排泄等。地下水的徑流方向與區(qū)域總體地形趨勢(shì)一致，由南向北。

圖2 換乘節(jié)點(diǎn)處常規(guī)基坑圍護(hù)布置示意圖

2 基坑特點(diǎn)及支護(hù)方案的比選

本站遇到線路平面交匯形成夾角問題、基坑深度高低錯(cuò)落問題、施工期大面積圍擋造成的交通導(dǎo)改和管線遷移困難、且需考慮在建車站為遠(yuǎn)期車站預(yù)留合理的結(jié)構(gòu)接口條件，避免接駁誤差造成廢棄等工程難題，故本站遇到的換乘站深基坑邊界條件矛盾突出，需設(shè)計(jì)出一個(gè)科學(xué)合理的深基坑支護(hù)體系解決工程實(shí)際，同時(shí)給類似換乘車站深基坑設(shè)計(jì)提供一個(gè)解決思路和優(yōu)化方案。

基坑內(nèi)支撐體系，由于換乘節(jié)點(diǎn)處基坑呈現(xiàn)多邊形，且長、短邊均超過 40 m，如果采用常規(guī)的桿系內(nèi)支撐，難以布置出每個(gè)臨空邊均形成支點(diǎn)的受力體系(如圖2所示)。

為此，研究中擬定2個(gè)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案：

方案一：換乘節(jié)點(diǎn)處地下二層、三層基坑不能同期施工，先開挖三層基坑、施工主體結(jié)構(gòu)，再開挖外掛的二層基坑、打開換乘節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)。采用常規(guī)平面計(jì)算模型(見圖3)。優(yōu)點(diǎn)：支護(hù)結(jié)構(gòu)受力簡單、施工方便。缺點(diǎn)：工序轉(zhuǎn)換多、開挖空間局促、工期延長、施工效率低。

方案二：換乘節(jié)點(diǎn)處地下二層、三層基坑同期施工；采用平面“半圓形”或“曲形”的鋼筋混凝土支撐布置(以下簡稱“環(huán)撐”)，利用“水平拱圈結(jié)構(gòu)”解決深基坑支護(hù)的整體穩(wěn)定性。采用三維整體計(jì)算模型(見圖4)。優(yōu)點(diǎn)：施工效率高、有效利用空間、支護(hù)結(jié)構(gòu)新穎、節(jié)省工期、節(jié)約造價(jià)。缺點(diǎn)：支護(hù)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、對(duì)施工工藝要求較高。

圖3 方案一基坑支護(hù)布置圖

圖4 方案二基坑支護(hù)布置圖

經(jīng)過綜合比選最終推薦方案二作為基坑設(shè)計(jì)方案。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

(1)三層站主體基坑深度約為24.8 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式采用直徑1 200 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁(換乘節(jié)點(diǎn)二層基坑采用樁徑1 000 mm@1 400 mm)+ 內(nèi)支撐。針對(duì)本站重點(diǎn)的換乘節(jié)點(diǎn)處設(shè)置4道鋼筋混凝土支撐，另外增加一道換撐，支撐豎向間距從上到下分別為：1.9 m、6.0 m、5.5 m、4.0 m及換撐2.0 m。

(2)實(shí)際支撐布置：兩層基坑深度(17 m)設(shè)置三道砼支撐(截面尺寸分別為1 200 mm×1 000 mm、1 600 mm×1 100 mm、1 600 mm×1 100 mm)；第四道為混凝土支撐(截面尺寸為1 600 mm×1 100 mm)，位置在負(fù)二層底板標(biāo)高以下，形成一道內(nèi)基坑的冠梁+支撐體系；剩余約8.0 m的內(nèi)基坑一次開挖至基底。

(3)在負(fù)三層底板澆筑完成后，繼續(xù)澆筑一段結(jié)構(gòu)側(cè)墻再架設(shè)第五道換撐，待主體結(jié)構(gòu)砼強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后拆除第四道支撐(該工況基坑由第三道環(huán)撐和第五道環(huán)撐受力)，有效防止負(fù)三層側(cè)墻(高約7.5 m)產(chǎn)生較大懸臂狀態(tài)導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形過大。

(4)多邊形基坑多處應(yīng)力集中造成冠梁、圍檁在角部內(nèi)力徒增，需按照彎剪扭構(gòu)件核算并增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)配筋，另外增加轉(zhuǎn)角處板撐截面以提高整體剛度。

(5)本基坑設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)和難點(diǎn)在于形成了平面半圓形或環(huán)形的支撐形式(以下簡稱“環(huán)撐”)，環(huán)撐再與桿系內(nèi)支撐組合形成“放射狀”的超靜定結(jié)構(gòu)，其空間效應(yīng)明顯、構(gòu)件受力狀態(tài)復(fù)雜，且環(huán)撐下方需設(shè)置中立柱(共11根直徑1 200 mm鋼筋混凝土樁)以減小跨度，形成平面環(huán)形支撐體系的類似桁架結(jié)構(gòu)，提高基坑整體穩(wěn)定性。支撐體系布置完成后施工吊裝作業(yè)、出土空間仍然較大。

3 模擬計(jì)算分析

3.1 計(jì)算工況及控制條件

研究中采用理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析軟件(FSPW7.0)作為分析軟件，利用增量法原理模擬基坑施工全過程，計(jì)算內(nèi)容包括抗滑、抗傾覆，并根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形情況檢算設(shè)計(jì)參數(shù)?；颖Ｗo(hù)等級(jí)和變形控制標(biāo)準(zhǔn)為一級(jí)，基坑最大水平位移不大于0.1%H，且不大于30 mm，地面最大沉降量不大于0.1%H(H為基坑深度，單位：m)。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基坑變形及環(huán)撐內(nèi)力最不利工況為基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，最大變形發(fā)生在換乘節(jié)點(diǎn)端頭基坑中部，最大水平變形值為21.83 mm，小于30 mm及0.1%H要求，如圖5所示?；娱_挖至基底標(biāo)高時(shí)，各層環(huán)撐內(nèi)力計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示，平面桿系支撐內(nèi)力如表3所示，第三道環(huán)撐水平面各構(gòu)件彎矩如圖6所示。

圖5 開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)基坑水平位移(單位：mm)

圖6 第三道內(nèi)支撐平面各構(gòu)件彎矩(單位：kN·m)

表2 基坑開挖結(jié)束后各層環(huán)撐內(nèi)力匯總

表3 基坑開挖結(jié)束后各層平面內(nèi)撐內(nèi)力匯總

圍護(hù)樁內(nèi)力最不利工況發(fā)生在拆除第四道支撐時(shí)，圍護(hù)樁最大彎矩 3 609 kN·m，最大剪力 1 854 kN。分析三維模型計(jì)算結(jié)果，中立柱開挖至基底工況，共11根直徑1 200 mm砼中立柱(兼做樁基礎(chǔ)，基底以下樁長18 m)，取其中柱底部軸力最大值2 473 kN。依據(jù)詳勘報(bào)告按照摩擦端承樁計(jì)算立柱樁的承載力特征值2 526.45 kN>2 473 kN，滿足規(guī)范要求。

3.3 圍護(hù)體系各構(gòu)件組成配筋設(shè)計(jì)

圍護(hù)體系中，冠梁、圍檁、圍護(hù)樁、環(huán)撐、內(nèi)撐以及中立柱等均可根據(jù)計(jì)算所得內(nèi)力按常規(guī)壓彎構(gòu)件進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法均為常規(guī)方法，此處不再累述。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及施工效果

為驗(yàn)證施工設(shè)計(jì)方案的可靠性，施工過程中開展了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)工作。工作內(nèi)容包括：周邊地表沉降、圍護(hù)樁水平位移、環(huán)撐內(nèi)力及中立柱的變形等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

4.1 地表沉降及圍護(hù)樁水平位移

施工過程中，地表最大沉降出現(xiàn)在開挖至基坑底部時(shí)，發(fā)生位置對(duì)應(yīng)247#圍護(hù)樁(具體位置見圖4)基坑的外側(cè)地表。最大沉降值13.56 mm，該測(cè)點(diǎn)地表沉降的時(shí)間歷程曲線如圖7所示。地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)滿足相關(guān)要求?；又苓吔?構(gòu))筑物監(jiān)測(cè)無異常，施工期間沒有出現(xiàn)基坑預(yù)警情況。

施工期247#圍護(hù)樁的樁身水平位移最大，最大值為15.32 mm，出現(xiàn)在開挖至基坑底部時(shí)，位置發(fā)生在距樁頂面下18.93 m(總樁長34.35 m)，該處樁身水平位移時(shí)間歷程曲線如圖8所示。基坑穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 地表沉降時(shí)間歷程曲線

圖8 樁身水平位移時(shí)間歷程曲線

圖9 環(huán)撐內(nèi)力測(cè)點(diǎn)布置示意

4.2 環(huán)撐內(nèi)力

環(huán)撐內(nèi)力采用混凝土表面應(yīng)變計(jì)首先測(cè)出該處4個(gè)側(cè)面混凝土的表面應(yīng)力，再換算出該截面的軸力，通過軸力的結(jié)果反饋施工。文中僅選取最不利工況的第三道環(huán)撐整理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，組合環(huán)撐共布設(shè)6個(gè)內(nèi)力測(cè)點(diǎn)，如圖9所示，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果如表4所示。監(jiān)測(cè)結(jié)果均小于設(shè)計(jì)最大軸力9 329 kN，結(jié)構(gòu)配筋滿足受力要求。

表4 環(huán)撐最大軸力

4.3 中立柱變形

圖10 中立柱水平位移監(jiān)測(cè)曲線

選取最不利的8號(hào)立柱(即環(huán)撐內(nèi)力測(cè)點(diǎn)3、4之間的立柱，如圖9)，其最大水平位移20.85 mm，最大變位發(fā)生在靠近基底。針對(duì)立柱根部一個(gè)測(cè)點(diǎn)分析，基坑在未開挖前因澆筑混凝土構(gòu)件時(shí)溫度應(yīng)力、施工誤差等因素，立柱向基坑外側(cè)發(fā)生較小變位；待基坑逐漸開挖過程立柱向基坑內(nèi)側(cè)位移，與環(huán)撐受力體系發(fā)揮作用的變形趨勢(shì)基本一致(見圖10),但總體位移不大。

5 結(jié)論

(1)創(chuàng)新性提出了一種適用于不規(guī)則多邊形深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，并在實(shí)際工程得以應(yīng)用，應(yīng)用效果良好，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)效益的高度統(tǒng)一。

(2)采用專業(yè)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)依托工程“曲形支撐體系”內(nèi)力及變形進(jìn)行了模擬分析，印證了所提方案的可行性，為工程設(shè)計(jì)實(shí)踐提供了技術(shù)支持。

(3)對(duì)于類似基坑平面不規(guī)則、空間效應(yīng)明顯、斜撐布設(shè)角度大、支座處易滑移等難點(diǎn)的地鐵深基坑，推薦采用環(huán)撐與桿系內(nèi)支撐組合形成“放射狀”的超靜定結(jié)構(gòu)，即利用環(huán)撐發(fā)揮“拱”受壓承載能力優(yōu)勢(shì)解決多條臨空邊支護(hù)難題，為今后類似規(guī)模的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案提供了創(chuàng)新的思路和解決方法。

參 考 文 獻(xiàn)

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