基坑裝配式組合支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

欒先彬 王少帥

（青島市地鐵規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山東 青島 266000）

隨著城市人口的逐漸增多，城市空間的有效使用面臨越來越大的壓力[1]。在這樣的情況下，城市交通向地下尋求空間已經(jīng)成為一種必然趨勢，地鐵就在這樣的背景下獲得了快速發(fā)展。從我國的實際情況來看，北上廣深等一線城市的地鐵系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)完備，且仍在進(jìn)一步的擴(kuò)建中。國內(nèi)二線和有條件的三線城市，也都在陸續(xù)開展地鐵建設(shè)，減少地面交通的壓力、盡可能地提升城市空間的利用率[2]。從城市地鐵系統(tǒng)的建設(shè)來看，逐漸完善城市地鐵系統(tǒng)，進(jìn)一步向深層次地下開發(fā)，獲得更大的建設(shè)空間發(fā)展是必然選擇[3]。為了滿足地鐵建設(shè)的深度和復(fù)雜化的需求，基坑深度也要隨之增加，基坑形式更加多樣，這就給基坑整體安全性帶來了更大的挑戰(zhàn)。尤其是隨著挖掘深度增加，基坑建設(shè)可能會面臨更加復(fù)雜和多樣性的土層地質(zhì)條件，這就給基坑的安全性造成了更大的隱患。為此，該文提出一種裝配式組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，以期更好地滿足基坑的安全性。

1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形分析

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，依賴于對基坑挖掘環(huán)境及地質(zhì)條件的準(zhǔn)確性，更依賴于支護(hù)結(jié)構(gòu)建成后可能出現(xiàn)的變形分析的合理性，尤其是可能出現(xiàn)的變形分析，直接決定了支護(hù)結(jié)構(gòu)如何選擇設(shè)計方案，如何對可能產(chǎn)生變形進(jìn)行最大的抵抗。因此，對于支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑防護(hù)中使用的變形分析，具有非常重要的意義。對于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形分析，常見的有三類方法，包括基于極限平衡的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析、基于彈性基梁的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析和基于數(shù)值分析的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析。

1.1 基于極限平衡的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

基于極限平衡的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析，從原理上看是假定基坑兩個側(cè)向的土質(zhì)壓力保持穩(wěn)定，即不發(fā)生動態(tài)變化，相當(dāng)于考慮靜態(tài)土質(zhì)壓力對于支護(hù)結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的影響，去分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)合理的固定深度和實際使用時的內(nèi)應(yīng)力大小。在實際過程中，基于極限平衡的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析又可以分成3種類型：基于自由端的極限平衡分析，基于彈性曲線的極限平衡分析，基于等值梁的極限平衡分析。這里重點對第三種類型的極限平衡分析進(jìn)行闡述。

這種方法的基本思路是將靜態(tài)平衡下的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，看作是承受載荷的等值梁。支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌入部分較深，支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐組件相當(dāng)于起到了簡支作用，也成為整個支護(hù)結(jié)構(gòu)的固定約束。此時，整個支護(hù)結(jié)構(gòu)對應(yīng)一個等效的連續(xù)梁體，整個支護(hù)結(jié)構(gòu)受到均勻分布的載荷的影響。

在采用等值梁法的過程中，為了計算的可實現(xiàn)性，一般對整個支護(hù)結(jié)構(gòu)執(zhí)行分段處理，從而形成了一個等效的分段簡支梁。為了對支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和合理嵌固深度進(jìn)行計算，首先要計算土層給支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的主動壓力和被動壓力，對測量點到地表的距離進(jìn)行計算，如公式（1）所示。

式中：ea代表支護(hù)結(jié)構(gòu)在測量點所受的彎矩；γ代表支護(hù)結(jié)構(gòu)受力調(diào)縮系數(shù)；Kp代表土層土質(zhì)結(jié)構(gòu)給基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的被動壓力；Ka代表土層土質(zhì)結(jié)構(gòu)給基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的主動壓力；h代表基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)測量點到地表的距離。

進(jìn)一步可以計算支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐部分嵌固深度的最小合理值，如公式（2）所示。

式中：t代表支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐部分嵌固深度的最小值；h代表基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)測量點到地表的距離；γ代表支護(hù)結(jié)構(gòu)受力調(diào)縮系數(shù)；Kp代表土層土質(zhì)結(jié)構(gòu)給基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的被動壓力；Ka代表土層土質(zhì)結(jié)構(gòu)給基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的主動壓力；Pd代表基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)測量點處所受的剪切力的數(shù)值大小。

1.2 基于彈性基梁的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

基于彈性基梁的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析，其基本原理是將基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)看作只承受土層提供的側(cè)向力的情況，這樣支護(hù)結(jié)構(gòu)整體上相當(dāng)于一個豎直埋藏在土層中的彈性基梁，其所產(chǎn)生的撓度變形方程，如公式（3）所示。

式中：E代表支護(hù)結(jié)構(gòu)整體的彈性模量的大小；I代表支護(hù)結(jié)構(gòu)的截面慣性矩的大??；z代表基坑實際挖掘深度的大?。籶（z）代表支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的集中載荷的大??；q（z）代表支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗力集度；y代表支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的撓度變形大小。

2 裝配式組合支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有很多種常見的類型，包括基于錨噴聯(lián)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)、基于復(fù)合土釘墻的支護(hù)結(jié)構(gòu)、基于樁撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)、基于樁撐錨的支護(hù)結(jié)構(gòu)以及基于吊腳樁的支護(hù)結(jié)構(gòu)等。該文中研究的基坑是裝配式地鐵車站下的基坑，受車站長度和分段設(shè)計思路的影響，采用分段不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的方案。在車站兩端的基坑，采用樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)；在車站主體的基坑部分，采用樁撐錨組合支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.1 車站兩端基坑的樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于車站兩端的情況相對簡單，因此基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中比較常見的是樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，這種支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式如圖1所示。

圖1 車站兩端基坑的樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計效果

從圖1中可以看出，基坑的樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)形式上比較簡單，主要包括垂直向支撐組件和水平向支撐組件。其中，水平向支撐組件主要是橫撐支撐構(gòu)件，這種橫撐構(gòu)件可以采用鋼材料或混凝土材料制成。垂直向支撐組件，主要包括圍護(hù)樁構(gòu)件和立樁構(gòu)件，它們可以選擇鋼板樁結(jié)構(gòu)、地連墻結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)基坑長度的延伸，樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)要按照一定規(guī)律完成圍護(hù)樁和立樁的嵌固?；娱L度越大，圍護(hù)樁和立樁的嵌固數(shù)量就越多。圍護(hù)樁和立樁嵌固之后，再完成橫撐構(gòu)件的連接和固定，從而達(dá)到整體有效支撐的效果。如果基坑深度較深，可以采用多層樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.2 車站主體基坑的樁撐錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

地鐵車站主體基坑的安全性有更高的要求，因此對相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)也有相應(yīng)的要求。該文中，考慮到地鐵站主體基坑所在位置，既有較硬的巖石結(jié)構(gòu)，又有軟土土質(zhì)，只采用一種形式的支護(hù)結(jié)構(gòu)無法滿足要求。為此，設(shè)計樁撐錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 車站主體基坑的樁撐錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計效果

從圖2中可以看出，基坑主體部分中既含有巖石區(qū)，又含有軟土區(qū)。在軟土區(qū)，仍然采用樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式，通過垂直向的圍護(hù)樁插入，再通過水平向的樁撐完成連接。其中，垂直向支的圍護(hù)樁構(gòu)件，仍然可以選擇地連墻結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等支擋結(jié)構(gòu)。水平向的橫撐，采用鋼材料或混凝土材料制成。在巖石區(qū)，由于巖體堅固，為了充分利用地質(zhì)條件，采用錨固定，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)整體的安全性。在具體的施工階段，樁撐錨的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，要根據(jù)實際地質(zhì)條件的變化，靈活地選擇組合點位和組合方式。如果軟土土質(zhì)較長，那么樁撐結(jié)構(gòu)就會被更多地采用，通過多嵌固圍護(hù)樁實現(xiàn)。如果巖石區(qū)較長，就多采用錨固定形式。

3 裝配式組合支護(hù)效果試驗

在前面的工作中，對地鐵基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，分別采用了極限平衡和彈性基梁的支護(hù)方法進(jìn)行分析，為支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。其次，針對試驗地地鐵基坑的實際情況，采用分段針對性設(shè)計，在基坑主體部分采取了樁撐錨的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。在這一部分的工作中，將采用試驗對支護(hù)結(jié)構(gòu)的性能加以驗證。首先，來考察在該文設(shè)計的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)下，軟土區(qū)內(nèi)基坑所受的應(yīng)力，如圖3所示。

圖3 軟土區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力變化曲線

軟土區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)中承受應(yīng)力的主要構(gòu)件是圍護(hù)樁，因此圖3中主要測定支護(hù)結(jié)構(gòu)中圍護(hù)樁所受的應(yīng)力變化，其單位是kN，大小從200kN開始，逐漸增大。測量周期以天為單位，按一天內(nèi)平均應(yīng)力大小作為當(dāng)日應(yīng)力的測量結(jié)果。在測量過程中，設(shè)置2個測量點位，分別是第一測量點位和第二測量點位。因為測量位置的不同，2個測量點位上的應(yīng)力變化處于不同變化范圍。圖中，粗實線代表了第一測量點位的圍護(hù)樁應(yīng)力變化，粗虛線代表了第二測量點位的圍護(hù)樁應(yīng)力變化。從2條曲線的對比結(jié)果可以看出，第二測量點位上，圍護(hù)樁承受了更大的應(yīng)力，基本維持在260kN，第一測量點位上圍護(hù)樁承受的應(yīng)力大于40kN。無論是哪個測量點位的測量結(jié)果，都證實了該文所設(shè)計的支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的，可以保證基坑的穩(wěn)定。

進(jìn)一步分析在該文設(shè)計的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中巖石區(qū)內(nèi)基坑所受的應(yīng)力，如圖4所示。

圖4 巖石區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力變化曲線

巖石區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)中承受應(yīng)力的主要構(gòu)件是錨，因此圖4中主要測定支護(hù)結(jié)構(gòu)中圍護(hù)樁所受的應(yīng)力變化，其單位是kN，從200kN開始，逐漸增大。測量周期以天為單位，按一天內(nèi)平均應(yīng)力大小作為當(dāng)日應(yīng)力的測量結(jié)果。測量過程中，設(shè)置兩個測量點位，分別是第一測量點位和第二測量點位。因為測量位置的不同，兩個測量點位上的應(yīng)力變化處于不同變化范圍。圖中，粗實線代表了第一測量點位的錨應(yīng)力變化，粗虛線代表了第二測量點位的錨應(yīng)力變化。從2條曲線的對比結(jié)果可以看出，第二測量點位上，錨承受了更大的應(yīng)力，基本維持在290kN，第一測量點位上錨承受的應(yīng)力高出30kN。無論是哪個測量點位的測量結(jié)果，都證實了該文所設(shè)計的支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的，可以保證基坑的穩(wěn)定。

進(jìn)一步比較支護(hù)前后基坑側(cè)向位移的變化，如圖5所示。

圖5 支護(hù)前后基坑側(cè)向位移的變化

從圖5中2條曲線的對比可以看出：在支護(hù)前，隨著基坑深度不斷增加，側(cè)向位移呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，側(cè)向位移的幅度越來越大，從地表處的 15mm，一直增至地下 12m處的 27m；采用該文設(shè)計的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)后，基坑穩(wěn)定性明顯加強，隨著基坑深度不斷增加，側(cè)向位移在5mm～9mm波動。這充分表明了該文所設(shè)計的支護(hù)結(jié)構(gòu)對提高基坑的穩(wěn)定性有非常理想的效果。

4 結(jié)論

針對地鐵基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，分別采用了極限平衡和彈性基梁的支護(hù)方法進(jìn)行分析，為支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。針對試驗地地鐵基坑的實際情況，采用分段針對性設(shè)計，在基坑主體部分采取了樁撐錨的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。試驗結(jié)果顯示，無論是軟土區(qū)的圍護(hù)樁，還是巖石區(qū)的錨，其承受的應(yīng)力變化都在安全范圍內(nèi)變化，可以保障基坑安全、穩(wěn)定地工作。