花崗巖地層深基坑支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

危俊鑫，吳能森，施靜怡，鄭建榮，陳兆輝

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

基坑工程具有不確定性、突發(fā)性和延續(xù)性[1-4]，城市地鐵深基坑施工條件復(fù)雜，具有“深、大、緊、近”的特點(diǎn)，受設(shè)計(jì)、施工與場(chǎng)地環(huán)境等多方面內(nèi)外因素的影響，因此針對(duì)不同條件的基坑工程，應(yīng)因地制宜地采用不同的設(shè)計(jì)方案、施工方法和監(jiān)測(cè)措施，確保其施工的安全性、經(jīng)濟(jì)性和適用性[5-10]。

廈門地區(qū)花崗巖地層分布廣泛[11]，加上土地資源極為有限，城市建設(shè)的建筑密度高，地下各種管線星羅棋布、錯(cuò)綜復(fù)雜，因此在廈門市進(jìn)行地鐵建設(shè)，其車站深基坑工程會(huì)遇到與其他城市不同的工程地質(zhì)和環(huán)境巖土問(wèn)題。本文以廈門市某地鐵深基坑工程設(shè)計(jì)為例，在分析原設(shè)計(jì)方案存在問(wèn)題與不足的基礎(chǔ)上，提出針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并利用Midas XD有限元軟件和修正Mohr-Coulomb模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)內(nèi)力位移計(jì)算及結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)，表明優(yōu)化方案不僅技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，而且能夠很好地滿足建筑紅線條件，有效地降低施工安全和工程質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，縮短施工工期。同時(shí)，通過(guò)該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案研究，以期為廈門市及其他花崗巖地區(qū)類似基坑工程的設(shè)計(jì)與施工提供有益借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

場(chǎng)地屬低山丘陵區(qū)，地形較平坦，地面高程19.1～39.2 m。場(chǎng)地范圍內(nèi)覆蓋層主要為第四系人工填土層(Qs)、第四系殘積土層(Qel)；下伏基巖主要為燕山晚期侵入巖—中粗?；◢弾r(γ)，其中不均勻穿插輝綠巖脈(γδ)，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和風(fēng)化作用，巖石風(fēng)化不均勻，中等～微風(fēng)化基巖面起伏較大，場(chǎng)地內(nèi)各主要巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)值見表1。地下水較豐富，按賦存介質(zhì)可分為三類：賦存于第四系填土層中的松散巖類孔隙水，賦存于殘積層及全、強(qiáng)風(fēng)化帶中的風(fēng)化殘積孔隙裂隙水，賦存于基巖強(qiáng)風(fēng)化帶以下的基巖裂隙水。擬建地鐵車站底板主要位于微風(fēng)化花崗巖中，局部位于碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中。

表1 主要巖土層物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)值

1.2 原設(shè)計(jì)方案

該地鐵車站位于廈門市湖里區(qū)，主體結(jié)構(gòu)為三層雙柱三跨框架結(jié)構(gòu)，呈南北走向，基坑開挖深度21.9 m，開挖寬度21.3～30.3 m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用排樁(吊腳樁)+局部?jī)?nèi)支撐+鎖腳錨索或巖石錨桿的圍護(hù)支撐體系，基坑中間設(shè)置臨時(shí)立柱，臨時(shí)立柱為500 mm×500 mm鋼格構(gòu)柱，基礎(chǔ)采用?1 000的鉆孔灌注樁?；觾?nèi)部支撐系統(tǒng)由冠梁、鋼支撐、砼撐、鋼腰梁或混凝土腰梁等組成。由于巖面起伏較大，北端內(nèi)支撐體系采用三道混凝土支撐，其他地段采用一道混凝土支撐+一道或者兩道鋼管支撐，局部?jī)?nèi)支撐體系僅采用一道混凝土支撐，斜撐采用鋼筋混凝土支撐。第一道支撐支頂在冠梁上，其余均支頂在鋼腰梁或混凝土腰梁上。冠梁尺寸為1.4 m×2 m、1.4 m×1.6 m、1.0 m×1.2 m、0.8 m×1.0 m；第一、二道混凝土撐尺寸為0.8 m×1.0 m、0.7 m×1.4 m，第三道混凝土撐尺寸為1.0 m×1.0 m，混凝土腰梁為1.0 m×1.0 m，中間混凝土連系梁均為0.6 m×0.6 m；鋼管支撐為Φ609 mm鋼管，縱向水平間距為3 m、2.5 m；鋼圍檁采用雙拼45c工字鋼。

該車站處于城市繁華地段，周邊緊鄰建筑物，且地下管線密布，原設(shè)計(jì)方案采用錨索(桿)作為外支撐，存在以下問(wèn)題與不足：其一是導(dǎo)致施工范圍必然超出建筑紅線；其二是錨索(桿)施工時(shí)可能會(huì)觸碰管線，增加了施工過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)；其三是錨索(桿)的施工質(zhì)量較難控制，增加了施工過(guò)程中的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，且往往需要較長(zhǎng)的工期。

圖1 基坑支護(hù)剖面示意圖

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

針對(duì)原設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題與不足，綜合考慮場(chǎng)地條件制約和施工的安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工工期等因素，提出如下優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：(1)將?1 000排樁改為800 mm厚地下連續(xù)墻，同時(shí)在基坑的東西兩端增設(shè)地連墻，保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體剛度；(2)將鎖腳錨索(桿)外支撐改為三道滿布鋼管預(yù)應(yīng)力內(nèi)支撐。其余構(gòu)件尺寸及布置形式均與原方案相同。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案為：地下連續(xù)墻(800 mm)+滿布內(nèi)支撐(第一道混凝土支撐，第二、三、四道采用Φ609 mm鋼管支撐，預(yù)應(yīng)力1 200 kN)體系，地連墻嵌固深度為6.2 m。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的基坑支護(hù)剖面、平面示意圖分別見圖1、圖2。

(a)第一道混凝土支撐平面布置圖

(b)第二道鋼支撐平面布置圖

2 優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 內(nèi)力位移計(jì)算

本工程基坑安全等級(jí)一級(jí)，基坑重要性系數(shù)為1.1，依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程[12]采用彈性支點(diǎn)法進(jìn)行分析計(jì)算，建立基坑三維有限元模型(圖3)，采用Midas XD軟件對(duì)基坑開挖全過(guò)程按以下施工工況進(jìn)行模擬分析：①開挖至1.9 m，②在1.4 m處生成第一道混凝土支撐，③開挖至8.9 m，④在8.4 m處生成第二道鋼支撐，⑤開挖至14.8 m，⑥在14.3 m處生成第三道鋼支撐，⑦開挖至21.5 m，⑧在21 m處生成第四道鋼支撐，⑨開挖至21.9m，⑩在21.4 m處回筑1.2 m厚第三層底板，拆21 m處第四道鋼支撐，在16.65 m處回筑0.4 m厚第二層樓板，拆14.3m處第三道鋼支撐，在10.27 m回筑0.4 m厚第一層樓板，拆8.4 m處第二道鋼支撐，在3.28 m處回筑0.9 m厚頂板。初始地下水位設(shè)置在天然地面以下3.6 m處。其中基坑外側(cè)地表附加荷載取20 kN/m2?；炷羶?nèi)支撐的材料抗力為10 010 kN，鋼支撐的材料抗力為3 806.7 kN。

圖3 基坑主體結(jié)構(gòu)三維模型

經(jīng)計(jì)算分析，得到各工況下圍護(hù)墻體和內(nèi)支撐的內(nèi)力、位移以及土壓力，其中具有代表性的主要施工工況的計(jì)算結(jié)果見圖4、圖5和表2。

圖4 工況3(開挖至8.9 m)內(nèi)力及位移圖

圖5 工況9(開挖至21.9 m)內(nèi)力及位移圖

表2 主要施工工況的內(nèi)力與位移值

2.2 構(gòu)件設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

根據(jù)內(nèi)支撐計(jì)算內(nèi)力，經(jīng)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗(yàn)算，均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，圍護(hù)墻體的最大位移在20 mm以內(nèi)，滿足一級(jí)基坑設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)地下連續(xù)墻內(nèi)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，采用均勻配筋方式，混凝土保護(hù)層厚度為50 mm，墻體豎向鋼筋配置結(jié)果見表3。

表3 地下連續(xù)墻豎向鋼筋配置

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的主要材料用量對(duì)比情況見表4。由表4可知優(yōu)化方案的混凝土、鋼材和鋼筋的用量都高于原方案，但比原方案節(jié)省了大量的錨索和錨桿，經(jīng)設(shè)計(jì)預(yù)算，兩個(gè)方案的總造價(jià)相當(dāng)，也就是說(shuō)，在不增加工程造價(jià)的前提下，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，不僅滿足了建筑紅線的限制要求，而且可以降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)和工程質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，有利于縮短施工工期。

表4 主要材料用量對(duì)比

2.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算

按規(guī)范[12]要求對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了抗滑動(dòng)穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、坑底抗隆起穩(wěn)定及隆起量、承壓地下水的抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算。抗滑動(dòng)穩(wěn)定性采用瑞典條分法，取受力最不利的北側(cè)中間C斷面進(jìn)行分析，取最不利工況(拆第二道鋼支撐)和工況(施作頂板)進(jìn)行驗(yàn)算，得到的最小抗滑動(dòng)安全系數(shù)Ks=4.64>[Ks]=1.35；抗傾覆穩(wěn)定性取最不利工況⑦進(jìn)行驗(yàn)算，得到抗傾覆安全系數(shù)Kt=44.61>[Kt]=1.25，滿足設(shè)計(jì)要求；坑底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)為Kb=14.96>[Kb]=1.8，坑底隆起量的計(jì)算值為9.31 mm；承壓地下水的抗突涌穩(wěn)定安全系數(shù)為Kh=1.75>[Kh]=1.1。可見優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的各項(xiàng)穩(wěn)定性指標(biāo)均能很好地滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

廈門地區(qū)花崗巖地層分布廣泛，城市土地資源緊缺，市區(qū)的建筑密度高，建筑紅線限制嚴(yán)格，因此廈門地鐵車站深基坑工程設(shè)計(jì)施工具有自身的工程地質(zhì)特點(diǎn)，且環(huán)境的限制條件更嚴(yán)格。對(duì)限制嚴(yán)格的建筑紅線條件，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)宜采用內(nèi)支撐來(lái)維持穩(wěn)定；對(duì)臨近高層建筑多的環(huán)境條件，宜采用剛度大、控制變形能力強(qiáng)的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，且地下連續(xù)墻在花崗巖地層中施工簡(jiǎn)便易行。結(jié)果表明：地連墻+組合內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系具有良好的合理性、經(jīng)濟(jì)性和適用性，能很好地解決建筑紅線問(wèn)題，有效地降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)和工程質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，有利于縮短施工工期，適用于廈門地區(qū)及其他花崗巖分布廣泛的區(qū)域，可為花崗巖地區(qū)深基坑設(shè)計(jì)與施工提供有益的借鑒。