谈地铁基坑围护结构的优化设计

李如飞

(济南轨道交通集团有限公司,山东 济南 250000)

1 概述

21世纪以来,随着城市建设的蓬勃发展,人口持续流向大城市,对城市轨道交通的需求日益迫切,而地铁作为大运力、快速公共交通工具,成为缓解城市拥堵的首选。地铁作为针对解决城区及城区近郊交通拥堵的纾困公共交通,也因此线站位大多位于市区,但为降低施工的风险及难度,车站通常采取明挖法施工。特别是对位于老城区内的车站、区间,周边环境复杂,同时安全性要求也高,使得地下连续墙支护形式成为首选并因此得到了广泛应用。

基坑的安全及沉降受施工过程、土层分布、支撑预加力施加、支撑布置及其结构刚度、冠梁刚度等诸多因素的影响。采用增量法能更好的反映以上诸多因素的影响,是较全面考虑这些因素且比较合理的方法[1]。本文仅针对竖向支护结构及水平内支撑构件的选取及布置,对地面沉降、支护内力等的影响做简要分析。

2 工程概况

2.1 地质概况

根据岩土的时代成因、地层岩性和工程特征,本标段内的地层可划分为10个工程地质层,地连墙支护范围内场地土层分布自上而下为:①杂填土,3.1 m;②黏性土,4.3 m;③卵石,12.9 m;③强风化岩,7.6 m;⑤中风化岩,30.0 m,未打透。地面超载取值为20 kPa。各土层的m值及主要参数取值,见表1。

表1 采用m法下的各参数取值

本车站区域地下水稳定水位埋深1.4 m～4.5 m,该站位区域地下水位较高。考虑地下水在丰水期的上升幅度及地铁今后100 a运营期内可能出现的最高水位,结合地铁基坑的安全等级,按地下水埋深3.0 m进行计算。

2.2 基坑概况

本地铁车站主体基坑长约190 m,标准段宽度19.70 m,最宽处为24.20 m;标准段基坑开挖19.31 m,盾构井最深处为20.66 m。

本工程位于地形较平坦的山前冲洪积平原,覆盖层由第四系冲洪积粉质黏土、黏土、卵石等构成,下伏燕山期侵入闪长岩,拟建线路不具备发生崩塌、滑坡、泥石流和地面沉降等地质灾害发生的地质环境条件,不存在粉土、砂土液化问题,除有人工填土、风化岩分布外,无其他特殊性岩土,从区域地质构造特征、新构造运动、历史地震背景、不良地质作用及特殊性岩土等,场地较好。

车站主体部分从基坑开挖到结构封顶,施工持续时间长,工程量大,因此必须要有合理的支护结构、合理的内支撑布置以确保基坑、管线、道路交通及周边环境的稳定和安全。

站位周边多为高层住宅小区及沿街商铺,同时交通流量较大。相对较为复杂的场地环境,对基坑的安全、变形提出了更高、更严格的要求[2-4]。

3 围护体系优化比选

3.1 竖向支护结构方案定性比选

勘探资料表明,本工程所处该区域地下水丰富且埋深较浅;基坑开挖较深,基坑底部位处在较厚的卵石层。施工期间降水幅度约17.0 m,工程降水会对地面产生较大影响。

因此对基坑支护结构的选型,既要有较大的刚度,又要能够承受较大的水土压力,并且还要有较理想的止水、防渗能力。初步分析比选见表2。

表2 围护结构初步分析比选表

通过表2的对比分析,并根据本区域的地质条件,采用地下连续墙深入中风化岩层,墙体有较好的止水效果;减少因降水引起土层有效自重应力增加而产生的地面沉降或差异沉降等。因此采用地下连续墙是比较理想的方案选择。

3.2 竖向支护结构方案的计算分析比选

对地下连续墙与钻孔灌注桩+搅拌桩止水帷幕之间的比选。

两种竖向支护结构方案均基于相同的内支撑方案为:第1道支撑为900 mm×800 mm混凝土撑,水平间距9.0 m,中心距地面深度2.2 m,工作面开挖至混凝土撑底面;第2道支撑为φ609 mm,t=16 mm钢支撑,中心距地面深度6.20 m,工作面超挖深度0.5 m,预加轴力400 kN/m;第3道支撑为φ800 mm,t=16 mm钢支撑,中心距地面深度10.7 m,工作面超挖深度0.7 m,预加轴力600 kN/m;第4道支撑为φ609 mm,t=16 mm钢支撑,中心距地面深度15.81 m,工作面超挖深度0.5 m,预加轴力400 kN/m。

地面满足相同的沉降限值(地面最大沉降量不大于0.1%H且不大于30 mm)时,主要参数的对比分析见表3。

表3 搅拌桩与地下连续墙优化前后对比分析

表3表明搅拌桩支护在满足地面沉降计算值的前提下,桩径特别大;同时,基坑内外的内力也比较大,在改为地连墙后,内力得到急剧下降,改善突出。综合表2，表3以及工期需求、场地条件、环境要求等的影响,地下连续墙方案具有明显优势,故选择地下连续墙的支护结构方案。

3.3 内支撑方案

基坑支护设计过程中,必须兼顾施工的便利性。内支撑的水平布置间距、竖向布置的位置及间距,对围护结构的承载能力、整个支护体系的安全性、地面的沉降量,产生很大的影响。

本站标准段设置四道支撑:第1道为混凝土支撑,其余为钢支撑。基于考虑水平支撑的稳定性,水平支撑中间增设临时立柱。

3.4 内支撑刚度的计算

水平内支撑的水平侧向刚度是一个比较重要的参数,对支护体系的内力和变形产生显著影响。

《建筑基坑支护技术规程》第4.1.10条,对水平支撑,当支撑腰梁或冠梁的挠度可忽略不计时,计算宽度内弹性支点刚度系数可按式(1)计算:

(1)

注:各参数含义见第4.1.10条。

式(1)的意义:单根围护桩或单幅地下连续墙的支撑刚度。

理正深基坑的内支撑刚度计算规则(对撑的水平刚度,忽略临时立柱对其影响):

(2)

式(2)的意义:支撑计算间距范围内,单根支撑的刚度。

软件根据交互的“水平间距”再乘以“桩间距”(如是地下连续墙乘以1),换算成作用在每根桩或者单位宽度墙上的刚度。

4 水平内支撑方案的优化比较分析

本案例基于地下连续墙+内支撑,地连墙的厚度采用0.8 m。

4.1 内支撑布置初步方案

第1道支撑为900 mm×800 mm混凝土撑,水平间距9.0 m,中心距地面深度1.2 m,工作面开挖至混凝土撑底面;其余为φ609 mm,t=16 mm钢支撑。

第2道支撑中心距地面深度5.7 m,工作面超挖深度0.5 m,预加轴力400 kN/m。

第3道支撑中心距地面深度10.7 m,工作面超挖深度0.5 m,预加轴力600 kN/m。

第4道支撑中心距地面深度16.31 m, 工作面超挖深度0.5 m,预加轴力400 kN/m。

4.2 内支撑布置优化方案

第1道支撑为900 mm×800 mm混凝土撑,水平间距9.0 m,中心距地面深度2.2 m,工作面开挖至混凝土撑底面。

第2道支撑为φ609 mm,t=16 mm钢支撑,中心距地面深度6.20 m,工作面超挖深度0.5 m,预加轴力400 kN/m。

第3道支撑为φ800 mm,t=16 mm钢支撑,中心距地面深度10.7 m,工作面超挖深度0.7 m,预加轴力600 kN/m。

第4道支撑为φ609 mm,t=16 mm钢支撑,中心距地面深度15.81 m,工作面超挖深度0.5 m,预加轴力400 kN/m。

4.3 优化前后数据对比

内支撑优化前后位移、内力对比分析见表4。

表4 内支撑优化前后计算数据对比

根据计算结果,通过表4数据对比分析表明调整支撑布置以及关键支撑的刚度可以显著降低位移,改善围护结构的内力[5]。

5 结论及建议

1)根据计算满足坑底抗隆起稳定性及整体稳定性,同时有效控制地面沉降及支护结构水平位移。

2)合理选择支撑构件,并且适当增大支撑的刚度,可以有效减少地面沉降及围护结构的水平位移。

3)增大第三道支撑的刚度及预加轴力,能够明显减少地面的沉降和改善地连墙内力。

4)本文仅基于水平对撑的分析,对水平斜撑及其他类型的支撑的刚度值应做适当折减。