软弱地层中超大型深基坑支撑体系方案设计与研究

2016-02-13巫裕斌孟超

铁路技术创新 2016年6期

■ 巫裕斌孟超

■ 巫裕斌孟超

介绍深圳地铁10号线益田停车场主体围护结构设计，总结软弱地层中长大基坑设计特点及难点。在周边环境要求较高的情况下，工程选用合理深基坑支护方案，地下结构布置紧凑、简洁，取得了良好的经济效益、社会效益和环境效益。对比边桁架内支撑体系和环形桁架内支撑体系在软弱地层超大型基坑中的应用及效果，对其他类似工程提供参考。

深圳地铁；城市轨道交通；超大型；深基坑；地下结构；支撑体系

0 引言

在兴建城市地铁时，遇到的大型基坑项目越来越多，在沿海地区修建地铁往往遇到淤泥质土等软弱地层，其力学性质较差，工程地质条件十分复杂。并且在城市中开挖基坑场地条件和周围环境的限制因素较多，特别是在地铁工程中，基坑长度长，对地表和基坑的变形要求较高，选择合理的支撑形式尤为重要，因此有必要对基坑支撑体系进行分析和讨论。龚昕等[1]研究了某高层建筑大型基坑的双圆环支撑体系，将现场实际监测值和有限元计算结果进行对比，分析总结了圆环形支撑体系的工程适用性。冯庆高[2]深入研究了基坑支护方案的影响因素和效果，建立了一套基坑支护方案的综合评价体系。胡斌等[3]以南京地铁某停车场为研究对象，分析软土地区深基坑设计和施工方案，为软土地区基坑围护方案的选择和设计提供参考。

以深圳地铁10号线益田停车场为研究对象，对比边桁架内支撑体系和环形桁架内支撑体系对基坑稳定性的影响并分析其经济效益。

1 工程概况

深圳市地铁10号线益田停车场位于深圳市福田区福荣路与广深高速路基段之间，结构走向为东西向，起点为福田保税区3号隧道西侧绿化带，终点为福田保税区2号隧道西侧绿化带，为全地下双层停车场，主体结构距离广深高速最近仅为5．6 m。其平面位置关系见图1，工程现场周边环境的卫星照片见图2。

图1 停车场平面位置图

图2 工程场址周边环境

停车场主体结构全长约555．5 m，标准段宽度50．55 m，总建筑面积约为63 730 m2，占地面积为25 875 m2。共设有10个风井，10个消防疏散楼梯，14个采光、通风、排烟天井和2个消防车道出入口。

1.1 地质概况

场地内地层主要有第四系全新统人工堆积层（Q4ml）、第四系全新统海陆交互相沉积层（Q4mc）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、第四系残积层（Qel）、燕山期花岗岩（γ35）。地层物理力学设计参数见表1。

1.2 工程重难点

益田停车场基坑沿东西方向长度超过500 m，周围道路及环境条件多变，地质条件恶劣，有如下特点：

（1）地勘资料揭露场址范围淤泥质黏性土层厚度为5．8～17．2 m，且下部有3 m左右砾砂层，地质条件差，地下水位高，施工风险大。

（2）益田停车场靠近广深高速，场址周边边界条件复杂，基坑面积及开挖深度较大，并且周边环境保护要求高，基坑沉降变形控制要求严格，必须采取安全可靠的支护方案。

（3）工程规模大，基坑范围流塑状淤泥质黏性土自承载能力、抗变形能力极低，基坑开挖后变形大，易引起支护结构失稳而产生滑塌。

（4）淤泥质黏性土具有强度低、压缩性高、渗透性小、自稳能力差等特点，在桩基或地连墙成孔成槽过程中容易缩孔或坍塌。

（5）残积土及全、强风化岩颗粒成分具有“两头大、中间小”的特点，即颗粒成分中，粗颗粒（＞0．5 mm）的组分及颗粒小的组分（＜0．075 mm）含量较多，而介于其中的颗粒成分则较少，遇水强度急剧降低，甚至会产生管涌、流土等渗透变形现象。

目前，国内尚没有竣工的大型地下地铁停车场，可参考的工程经验较少；并且基坑主要位于软弱土层中，要求支护有足够的强度保证基坑不发生大变形。选择边桁架支撑和环形桁架支撑2种形式进行计算对比，分析其优缺点并确定最终的设计方案。

表1 地层物理力学设计参数

2 基坑支护设计

2.1 支护形式比选

基坑长555．7 m，标准段宽50．75 m，深22．8 m，主体结构为地下两层，基坑平面长度、宽度、深度较大，属于超大面积深基坑。所处位置淤泥层较厚，由于淤泥质土的抗剪强度很小，使得支护体系受力较大，因此需要强大的支护结构。

为了使基坑开挖对附近道路和管线的影响降到最低，因此本主体基坑围护结构形式拟采用整体性和止水性更好的地下连续墙。结合主体结构施工，基坑竖向采用三道钢筋混凝土支撑[4-9]。如前所述，通过借鉴类似工程的设计经验，考虑边桁架支撑体系和环形桁架支撑体系2种方案，2种支护形式的优缺点比较见表2。

2.2 支撑布置形式

边桁架支撑体系、环形桁架支撑体系布置见图3、图4。

2.3 数值模拟计算

基坑计算采用《理正深基坑支护结构设计软件F-SPW7．0》，建立三维基坑模型，模拟基坑开挖及回筑全过程，按增量法原理进行计算[5]。基坑安全等级为一级，地下连续墙厚度为1．2 m，采用C45钢筋混凝土。第一道支撑与第二道支撑竖向间距为7．5 m，第二道支撑与第三道支撑竖向间距为6．5 m，基坑水平位移的控制值为30 mm。

不同方案计算得到的基坑整体最大位移见图5。边桁架支撑基坑的最大位移为23．43 mm，环形桁架支撑基坑的最大位移为24．71 mm。

图3 边桁架支撑体系

图4 环形桁架支撑体系

图5 围护结构位移

2种方案得到的支撑轴力、地连墙弯矩和位移见表3—表5。

通过以上计算结果可以看出，环形桁架支撑体系基坑的水平位移较大，说明环形支撑控制基坑整体变形的能力较差；由表3可知，环形桁架支撑的轴力值很大，最大值达到44 265 kN，初步拟定环形支撑断面尺寸为1 300 mm×1 000 mm。由于环形支撑体系整体性较强，要求在整道支撑体系全部形成并且整体受力后方可进行其下的土方开挖；但基坑长度超过500 m，在实际施工中很难对所有环形支撑同步开挖，施工质量难以保证。

表2 基坑支护形式方案比选[4]

表3 支撑最大轴力 kN

表4 控制工况地下连续墙最大弯矩kN·m

表5 控制工况围护结构水平最大位移mm

边桁架支撑体系的基坑变形小于环形桁架支撑体系，支撑轴力最大为13 735 kN，初步拟定支撑断面尺寸为1 000 mm×1 000 mm。而边桁架支撑施工技术较为成熟，施工难度小于环形桁架支撑。

根据计算所得支撑的受力情况及初步拟定支撑断面尺寸，估算不同方案的临时立柱数量及混凝土用量（见表6）。经过2种方案的多次论证和计算，边桁架支撑体系更适合本工程（见表7）。

根据现场实际情况，为方便实际施工，在冠梁层设置5道临时路面板，宽15 m，以便开挖土方时车辆行驶；停车场西侧位于保税区3号隧道下方，施工期间需拆除部分隧道结构，为保证3号隧道在施工期间正常使用，需局部降低停车场第一道支撑及冠梁，并施做钢筋混凝土路面，由于基坑底大部分位于淤泥层中，需要采取措施对基底进行加固，本文不再赘述。基坑支护平面布置见图6。

目前已施做第一道混凝土支撑，支撑轴力监测变化值见图7，近一周内的监测数据汇总见表8。根据目前收集到的监测数据来看，地面沉降为16．2 mm，第一道混凝土支撑轴力为4 135 kN，基坑的受力和变形均处在安全可控的范围内。

表6 混凝土及临时立柱工程量对比

表7 2种方案技术比选

图6 基坑支护方案平面布置

图7 第一道支撑轴力监测值

3 结论

以深圳地铁10号线益田停车场基坑围护结构为研究对象，计算了2种不同支撑体系方案下基坑结构的受力，分析其力学效应和经济效益，得到如下结论：

（1）对于长大基坑，虽然环形桁架支撑体系能够充分利用空间和大型设备，但是控制围护结构的变形和受力的效果不理想；考虑到环形桁架支撑受力均匀及基坑整体性，要求土方开挖前所有上一道支撑必须施工完毕，对施工单位的技术能力和场地条件要求较高，不利于流水化作业。结合计算分析及既有工程实例，认为环形桁架支撑体系多适用于正方形、多边形基坑，不适用于长条形基坑。