万浩俪城S1工程深基坑支护方案设计与分析

2013-03-18张立钊关英斌张巍李利飞许道军

河北工程大学学报(自然科学版) 2013年1期

张立钊，关英斌，张巍，李利飞，许道军

(河北工程大学资源学院，河北邯郸056038)

伴随城市建设空间不断缩小，临近既有建筑物的建筑基坑工程大量涌现。为保证支护工程的安全性和经济性，多年来科研人员进行了大量的研究和试验。郑刚等［1］采用三维模拟和实测数据对比分析，得出在间距大于1倍基坑开挖深度时，基坑开挖对临近桩基影响很小，达到2倍时施工可不考虑;高攀［2］通过工程实例得出严格控制场地勘察、设计、开挖、监测等过程的质量，能够保证临近基坑建筑物的安全;王浩然等［3］采用三维有限元法分析了基坑开挖对邻近建筑物的影响，模拟、预估、实测值曲线趋势基本吻合;孔令荣等［4］得出了基坑开挖对邻近地铁变形的间距在4 m以内隧道产生的水平、沉降位移最大;王强［5］运用ABAQUS较好地还原了围护结构的变形形态，对邻近地铁隧道的变形预测值与现场实测值较为一致;王君等［6］采用解析法计算分析了既有铁路旁城际铁路桥墩基坑钢板桩围堰支护工程，实测结果满足施工要求。借鉴已有对临近既有建筑物基坑的研究成果，本文以万浩俪城S1基坑工程为例，借助理正软件对支护方案进行计算与分析，并经施工验证，采用桩锚支护+放坡土钉墙支护结构能够有效地保证与基坑间距2 m的变电站以及其他周围环境的安全，以期为邻近建筑物基坑设计提供有益参考。

1 工程概况和周边环境

1.1 工程概况

万浩俪城S1工程场地位于邯郸市滏河大街与果园路交叉口东北角(图1)。设计标高±0.00 m，1#～4#楼基础埋深－10.50 m，地下车库基础埋深－8.00 m。基坑自然地坪标高为 53.00 m左右。

1.2 周边环境

基坑边坡东侧为宽广平地，南侧距果园路为15.0 m，西侧距滏河大街距离为16.0 m，北侧距场地内道路距离为5.0 m，东北角为国家电网河东110 kV变电站(图1)，基坑边缘距变电站外围墙距离为2.0 m。地下管线方面，北侧距离基坑边坡2.0 m处有地下高压电线电缆，埋深约为2.0 m，其它侧无地下管线影响。

2 地质条件

2.1 工程地质条件

根据岩土工程勘察报告，基坑开挖影响范围内主要由杂填土、粉土、粉质粘土、粉土等组成，勘探取样深度为18.50 m，各土层的厚度及力学性质见表1。

表1地基的土力学性质与土层特征Tab.1 Soil mechanical property and features of site soil layers of foundation

2.2 水文地质条件

场地地下水初见水位埋深为2.60～4.60 m，稳定地下水水位埋深为2.0～2.90 m，为上层滞水，主要含水层为第2层粉土、第4层粉土，以大气降水补给为主，水位波动幅度为1.00～2.00 m，近期年最高水位可按1.00 m考虑。

3 基坑支护方案的选择

经大量工程的经验，适合邯郸市区域地质条件和工程形式的支护结构形式主要有:土钉墙支护、复合土钉墙支护以及桩锚支护三种形式［7］。土钉墙支护形式，适用于周围条件简单，近距离无建筑物和重要管线埋设的深度不大于12 m基坑。复合土钉墙支护形式，可以在周围空间较密集的环境条件下选用，能够很好地控制基坑水平变形［8］，但要考虑其影响程度谨慎选择。而对于桩锚支护形式，在邻近环境放坡受限时可作为首选，一般能取得良好的围护效果。

考虑到基坑周围环境的复杂性及相临建筑物和管线，对基坑水平位移、地面沉降值的特殊要求，对基坑本工程采用分区分段设计的方法，即:A→B→C(Ⅰ)段，基坑边缘距变电站2 m，支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重;C→D→E→F→A(Ⅱ)段，施工对附近道路及场地影响不严重。按照《建筑基坑支护技术规程》［9］规定:Ⅰ段侧壁安全等级为一级，重要性系数γ0=1.10;Ⅱ段安全等级三级，重要性系数γ0=0.90。

基坑支护应保证岩土开挖、地下结构施工的安全，并使周围环境不受损害［10］。根据基坑安全可靠、经济合理、技术可行以及施工便利的设计技术要求［11］，本工程Ⅰ段，距变电站仅2 m，对变形敏感，空间狭窄无法放坡开挖，且土钉墙不能满足侧壁稳定要求，选用桩锚支护结构;Ⅱ段周边为道路及开阔空地，采用放坡土钉墙支护结构。

4 支护方案的计算

本基坑工程支护设计选用理正深基坑计算软件对划分的两段进行计算。

4.1 桩锚支护计算

本次基坑开挖工程分为5个工况(表2)，计算简图如图2，采用常规排桩的增量法对每个工况的开挖进行结构计算。

(1)内力及位移计算

作用在支护结构的土压力、桩水平位移、弯矩、剪力以及地表沉降量等计算结果见图3、表3。

(2)整体稳定性计算

整体稳定性计算简图如图4所示，计算方法采用Bishop法，条分法中的土条宽度0.50 m，圆弧半径R=23.780 m，圆心坐标x=0.807 m，圆心坐标y=14.779 m。应力状态:总应力法。整体稳定安全系数Ks=1.372 ＞1.2，满足规范要求［12］。

表2基坑开挖情况表Tab.2 The conditions of excavation

表3地表沉降量计算结果表Tab.3 The calculation of ground settlement

(3)抗倾覆安全系数

式中:Kq－抗倾覆安全系数;Mp－被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定，对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值;Ma－主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

由计算可知，抗倾覆安全系数最小的为工况5，Kq5=1.905 ＞1.4，满足规范要求［12］。

(4)抗隆起计算

基于Prandtl和Terzaghi公式计算，以支护结构底面所在的平面作为极限承载力的基准面，按下式计算，

式中:Kwz－抗隆起稳定性安全系，Kwz1≥1.1～1.2(Prandtl公式)，Kwz2≥1.15 ～1.25(Terzaghi公式);c、φ－土体黏聚力、内摩擦角;γ1－坑外地表至围护墙底，各土层天然重度的加权平均值，kN/m3;γ2－坑内开挖面以下至围护墙底，各土层天然重度的加权平均值，kN/m3;H－基坑开挖深度;D－支护墙体在基坑开挖面以下入土深度;q－坑外地面荷载，kPa;Nq、Nc－地基承载力系数。

当采用Prandtl公式时，式中Nq=tan2(45°+

经计算，抗隆起安全系数Kwz1=1.525＞1.1～1.2，Kwz2=1.678≥1.15 ～ 1.25，均满足规范要求［12］。

(5)锚杆自由段长度计算结果见表4。

4.2放坡土钉墙支护计算

基坑深度8.0m，坡线段数3，土钉荷载分项系数1.25。内部稳定验算条件:考虑地下水作用，采用总应力法，土钉拉力在滑面上产生的阻力的折减系数0.50，局部抗拉及内部稳定性计算结果见表5、表6。

表4锚杆自由段长度计算结果表Tab.4 The length calculation of anchor free segment

表5局部抗拉计算结果表Tab.5 The calculation of local resist tensile

表6内部稳定计算结果表Tab.6 The calculation of internal stability

外部稳定计算结果:重力940.9 kN，重心坐标(x=6.158，y=3.044)，超载 0.0 kN，超载作用点x=0.000 m，土压力 251.6 kN，土压力作用点y=2.720 m，基底平均压力设计值 97.2 kPa ＜100.0 kPa。基底边缘最大压力设计值 131.0 kPa＞120.0 kPa，抗倾覆安全系数Kq=8.982 ＞ 1.2，抗滑安全系数KH=1.362 ＞1.2，满足规范要求［12］。

5 支护方案的分析

基坑支护方案的选择，必须综合考虑工程本身以及周围环境的特点［13］。首先应该满足支护形式施工所需的空间要求，其次在保证施工方便、周围环境安全的基础上，最大程度做到经济合理。根据邯郸地区的工程实践以及本基坑特点，可选用放坡土钉墙、复合土钉墙、桩锚支护、排桩支护等形式。在条件允许的情况下，放坡土钉墙支护是最经济的，但本工程Ⅰ段，距变电站仅2 m，无空间放坡，且放坡土钉墙不能满足变电站对侧壁的安全要求，可选用桩锚支护结构，经计算地表沉降量最大值 6.0 mm ＜0.2%H(H=8.0 m，基坑开挖深度)，整体稳定性系数Ks=1.372 ＞1.2，最小抗倾覆安全系数Kq5=1.905＞1.4，抗隆起安全系数Kwz1=1.525 ＞1.2，Kwz2=1.678 ＞1.25;Ⅱ段为道路及开阔空地，首选放坡土钉墙支护结构，内部稳定系数最小值Ks5=1.214＞1.2，外部稳定抗倾覆安全系数Kq=8.982 ＞1.2，抗滑安全系数KH=1.362＞1.2，以上各参数计算结果均满足规范要求。因此，桩锚支护+放坡土钉墙支护设计方案能够保证变电站及其他周边环境安全，具有可行性，并且能够有效地节约成本。