深基坑支护结构的模拟计算与分析

文/贺鹏飞 中交第一公路工程局有限公司 北京 100024

深基坑支护结构的模拟计算与分析

文/贺鹏飞 中交第一公路工程局有限公司 北京 100024

以武汉市地铁6号线某标段区间风井为例，采用理正深基坑软件计算了相同条件下的地连墙支护结构和排桩支护结构的基坑位移和稳定性，通过两种方案计算结果的对比表明，深基坑地连墙支护结构在水文地质条件较差的情况下，以其良好的工作性能，值得在相应条件的基坑中广泛应用。

基坑支护地连墙围护结构稳定性

1、工程概况

6号线江城大道站至老关村站区间风井位于武汉市汉阳区太子湖路与规划道路交叉口东南侧。主体结构为四层三跨箱型结构。结构采用明挖法施工，基坑围护结构采用1.2m厚地连墙，第一道支撑采用钢筋砼支撑（B*H=1.0*1.0m），四、五道支撑采用钢筋砼支撑（B*H=1.1*1.1m），第二、三、六道支撑采用钢管支撑（Ф=800mm，t=16mm）。围护结构上冠梁设计尺寸1.6m*1.2m。基坑长19.2m（沿线路方向），宽度29.8m，开挖深度28.7m，地连墙最深41.4m。

2、工程地质和水文

2.1工程地质

本风井场区地貌为河流侵蚀堆积平原，地形较为平缓，地表高程21.2-21.7m。地层情况主要为全新统河流冲击黏性土及剥蚀堆积中更新统黏性土、角砾。。

2.2水文地质

场区地下水主要为上层滞水、孔隙承压水。上层滞水主要赋存与填土中，稳定水位埋深1-2m；承压水主要赋存于覆盖层下部角砾、碎石层中，承压水头高程19m。

3、基坑围护结构型式

3.1围护结构设计原则

围护结构的计算采用荷载结构模式，按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012），采用荷载增量法原理进行内力计算。基坑安全等级和重要性等级均为一级，并按此等级对基坑稳定性及变形进行验算。在进行稳定性验算时，各荷载分项系数均取1.0。基坑变形控制保护等级为一级，地面最大沉降量≤40mm，最大水平位移≤40mm。

3.2荷载及计算

本工程采用理正深基坑支护设计软件（6.0）进行计算分析。结构自重：钢筋混凝土容重25kN/m3。水土侧压力：施工阶段按朗金主动土压力计算，对强、中透水层按水土分算，弱、微透水层按水土合算。静水压力：水容重取10kN/m3。可变荷载取用最不利情况：基坑边地面超载等效均布荷载取用20kPa，第一道钢砼支撑施工荷载4kN/m。地连墙嵌固深度12.7m。

3.3工程材料

地连墙：C30级混凝土、抗渗等级P6。冠梁、支撑：C30级混凝土。钢筋：HPB300级及HRB400级热轧钢筋。钢支撑：外径Ф800mm钢管，壁厚16mm，Q235B钢。保护层50mm。

3.4主要施工步骤

场地三通一平——施工地连墙及冠梁——施工止水旋喷桩——开挖土方，依次架设支撑——清理基底、铺设垫层——自下而上依次浇筑砼结构、依次拆除支撑——回填土方——回复路面。

开挖阶段保持地下水位在开挖面以下1m，开挖至基坑底后，保持地下水位在坑底1m。在土方挖到钢支撑中心线下0.5m后及时架设钢支撑并施加预应力。

4、地连墙支护结构验算

本次验算分别对地连墙的短边（19.2m）、长边（29.8m）两个单元进行了受力变形和稳定性验算。下面以短边为例对计算过程和结果进行简要说明。

4.1信息录入

软件需录入的工程信息分为3个方面：基本信息、土层信息、支锚信息。其中大部分信息可依据规范及图纸录入，而支锚信息中的支锚刚度和材料抗力需计算后录入，计算公式详见《建筑基坑支护技术规程附录》。

4.2结构计算

图1 地连墙支护布置简图

最大地表沉降图，如下：

图2 最大地表沉降图

通过上面的结构计算，可以得到不同工况下的位移、沉降和内力情况，经过分析，得到进行稳定性分析时的内力取值，如下：

1.基坑内侧最大弯矩(kN.m)，弹性法计算值2902.12，经典法计算值2251.20，内力设计值2713.48，内力实用值2713.48。

2.基坑内侧最大弯矩(kN.m)，弹性法计算值4414.14，经典法计算值2755.43，内力设计值4127.22，内力实用值4127.22。

3.基坑内侧最大弯矩(kN.m)，弹性法计算值2740.86，经典法计算值739.67，内力设计值2740.86，内力实用值3014.94。

根据内力情况，对地连墙和冠梁进行合理配筋。

4.3结果

在最不利荷载的情况下，中间风井的整个施工过程中，侧向位移量、沉降量、整体稳定性等方面都是满足规范和设计要求的。

5、排桩支护结构设计及验算

经过对地连墙支护结构的模拟计算，得到了按照设计图纸方案施工是满足基坑整体稳定性要求的结论，然而我们还需要考虑比地连墙结构更经济的施工方案的可行性，比如排桩支护结构，下面就对排桩支护结构进行设计并模拟验算其施工的安全性。

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5.1排桩支护结构设计

排桩支护结构采用钻孔灌注桩和内支撑的型式。钻孔灌注桩桩径1.0m，桩间距1.3m，混凝土强度等级C30，嵌固深度6m。其他数据，如冠梁、荷载、土层、支撑、工况等皆与地连墙结构设计保持一致。

5.2排桩支护结构验算

对排桩支护结构，同样分别在短边、长边两个方向，进行了受力变形和稳定性验算。

具体方法和计算过程同地连墙结构的计算过程。下面列举短边方向几个主要的验算结果图表：

图3 排桩支护布置简图

图4 排桩最大地表沉降图

5.3结果

通过对排桩结构的短边、长边两个方向的单元进行受力变形和稳定性验算，得到的结果是，在相同条件下，采用排桩结构施工过程中，侧向位移量、沉降量、整体稳定性等方面同样是满足规范和设计要求的。

6、对比和分析

两种围护结构施工方案分别为地连墙支护结构和排桩支护结构，两种方案下又分别对短边（19.2m）、长边（29.8m）进行了单元计算，所以就有地连墙结构短边单元、地连墙结构长边单元、排桩结构短边单元、排桩结构长边单元，这4种单元计算结果。通过对4种单元结果对比，同时结合施工中实际监测数据，可以得到如下几条结论：

6.1侧向位移对比分析

对4种单元情况下不同工况深度的向基坑內侧侧向位移最大值进行汇总。同时将实际监测数据的向基坑內侧侧向位移与地连墙短边位移进行对比汇总。

可以看出开挖施工中有两个危险点，距地面深度分别是3.6m和9m，也即是第一道和第二道支撑附近的位置。这两个危险点在整个开挖过程中，一直是最大的侧向位移点，所以在施工到这两个支撑位置时，要特别关注，重点控制，及时架设支撑，及时对钢支撑施加轴力，时刻注意这两个危险点的位移数据和轴力数据，若出现报警值，及时果断的采取相应应急措施。

6.2地表沉降对比分析

对4种单元情况和实际数据的基坑边缘地表沉降最大值进行汇总：

地连墙短边：基坑边缘地表最大沉降14mm

地连墙长边：基坑边缘地表最大沉降19mm

排桩短边：基坑边缘地表最大沉降19mm

排桩长边：基坑边缘地表最大沉降28mm

实际监测：基坑边缘地表最大沉降9.8mm

通过对比可以看出，无论是地连墙结构还是排桩结构，长边的沉降量总是大于短边方向的沉降量，所以在风井结构的施工中，在长边方向要注意施工质量，及时架设支撑，尤其注意基坑长边周边范围的机械停放、材料堆放等会增大荷载的偶然情况，将基坑周边荷载控制在允许范围内，时刻注意沉降量数据，若出现报警值，及时果断的采取相应应急措施。

6.3两种方案的对比分析

在相同条件下，两种方案的侧向位移量、沉降量、整体稳定性等方面都满足规范和设计要求的。但是排桩结构的位移值、沉降量、稳定性都普遍的比地连墙结构数值要大，也就是排桩结构更不稳定。而且排桩长边的最大位移和沉降都达到或超过了基坑变形控制的预警容许值28mm，即最大值40mm的70%。这就降低了选用排桩方案的可行性。

同时，在进行长边方向排桩结构计算分析时，出现了需要将桩基保护层厚度设置为35mm，软件才能进行合理配筋的情况，根据《建筑桩基技术规范》要求：灌注桩主筋的混凝土保护层厚度不应小于35mm，这个保护层厚度已经达到了极限最小值。这进一步降低了选用排桩方案的可行性。

同标段的江城大道站围护结构采用的是排桩支护结构施工，两者对比，可以发现中间风井的地质水文情况要比江城大道站差且复杂，所以中间风井围护结构的止水功能在设计时占了一定的比重。

而一般的排桩支护结构多搭配旋喷桩或搅拌桩进行止水施工，由于排桩为弹性结构，旋喷桩为脆性结构，对土体位移比较敏感，而计算出的侧向位移又很大，很容易因为土体的位移而脆裂，难以保持整体稳定性，所以综合考虑各项条件，中间风井的围护结构不是很适合采用排桩结构。

所以，根据地连墙的止水功能强，且施工速度快，施工精度高，比较适用于厚的淤泥、砂层、粘性土层等软地基等特点，中间风井的围护结构采用地连墙结构比较合理。

结语:

大多地铁车站都是兴建在市区繁华地段，因此基坑围护结构必须保证足够的稳定性。基于围护结构多作为临时使用，若设计时只追求稳定性，而选择保守的安全系数，有造成较大浪费。相反，如果由于特定原因导致基坑失稳破坏，则后果同样非常严重。所以地铁的围护结构要综合考虑地质水文、止水功能、稳定性、造价等情况来进行设计和施工。而地连墙支护结构在地质较差的条件下，是一种止水功能强，安全性高的支护手段，值得在相应条件下大力推广。

[1]《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）.

[2]《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008).

[3]武汉市轨道交通6号线一期工程施工设计图.

[4]闫继龙.《大连地铁一号线港湾广场站深基坑支护设计》.

[5]王佳音.《地铁车站深基坑支护设计的数值模拟研究》.