珠海机场改扩建工程深基坑支护设计优化

文／林师慧、韩庆、敖翔、桓忠雄、张乐乐 中国建筑第二工程局有限公司华南分公司 广东珠海 519000

引言：

基坑支护形式有悬臂式、水泥土重力式、内撑式、锚拉式围护结构及土钉墙等。目前，最常用的基坑形式为内撑式、锚拉式围护结构[1]。内撑式围护结构适用于各种地质条件及各种开挖深度的基坑工程，但存在施工周期长等缺点[1]。锚拉式围护结构便于基坑土方开挖和地下室施工，但锚拉式围护结构拉锚受地层条件和地下空间的限制。本文依托工程实例对原基坑支护形式进行优化，并对优化前后的基坑支护形式进行了工期及经济分析，总结出优化后取得的相关效益。

1、工程概况

珠海机场改扩建工程T2 航站楼工程位于广东省珠海市金湾区，总建筑面积18.7 万m2，由东西南三指廊及主楼四部分组成，分为地下2 层地上4 层。该工程基坑安全等级为一级，重要系数为1.10，基坑占地面积约10.3 万m2，周长约2200m，深度约6.00～19.10m，其中AC 区、N 区支护形式采用灌注桩+大直径搅拌桩止水+钢筋砼内支撑+上部放坡，基坑设计总平面如下：

图1 基坑支护平面布置图

2、工程地质与水文地质条件

拟建场地属滨海平原地貌，地面标高5.98～7.50m，土层分布为①1 素填土、①2 杂填土、①3 块石素填土、②1 粉细砂、②2 淤泥质黏土、②3 粉质黏土、②4 细砂、②5 中粗砂、③1 粉质黏土、③2 砾砂、③3 中粗砂、③4淤泥质黏土、④砾质黏性土、⑤全风化花岗岩、⑥强风化花岗岩、⑦中风化花岗岩、⑧微风化花岗岩。

场地地下水主要赋存在填土层、粉细砂②1 层、细砂②4 层、中粗砂②5 层、③2 砾砂层、③3 中粗砂层和花岗岩风化带风化裂隙中以及基岩节理裂隙中。

3、原设计方案及优化分析

AC 区原基坑支护设计为灌注桩+大直径搅拌桩止水+2道钢筋砼内支撑及6 根钢格构柱支撑+上部放坡，N 区为灌注桩+大直径搅拌桩止水+1 道钢筋砼内支撑及4 根钢格构柱支撑+上部放坡，具体见图2。

图2 AC 区、N 区原基坑支护设计剖面图

AC 区、N 区基坑支护设计参数为：

①灌注桩φ1.2m 间距1.4m（桩间挂网φ8@200×200 喷射C20 细石砼厚度80），嵌固深度进入基底以下不小于11.0m 且累计入可塑性粉质粘土层不小于9.0m，砼强度等级C30（水下）。

②大直径搅拌桩φ0.8m 间距0.6m，桩长暂定15.0m且穿过淤泥及砂层进入不透水层不小于1.0m。

③钢筋砼内支撑，尺寸分别为主撑（SC1）0.8m×0.8m，联系撑（SC2）0.6m×0.6m，砼强度等级C30。

④冠梁、腰梁尺寸为1.2m×0.8m，砼强度等级C30。

⑤钢格构柱支撑，尺寸0.65m×0.65m，采用L160×16 角钢焊接组装而成，锚入灌注桩内3m，其中灌注桩φ1.2m，嵌入基坑底不少于20m 且入强风化岩不少于2.0m，砼强度等级C30（水下）。

⑥放坡开挖（表面挂网φ8@200×200 喷射C20 细石砼厚度80），开挖高度2.5m，放坡比例1:1.80。

根据工程实际施工情况，钢筋砼内支撑及钢格构柱施工、拆除等涉及到多道工序，施工周期漫长，易对工期造成很大影响。通过对周边环境进行分析AC 区北面为机场客运大巴停车场，西面为在建国际楼，N 区南面为T1 航站楼飞行区，西面为在建国际楼。结合地勘资料及建设单位提供的周边管线布置图，AC 区、N 区南北面及西面自地面2m 以下无任何管线布置。在充分考虑AC 区底层内支撑两侧压力不平衡对基坑稳定性的影响后，认为此区域可取消一道钢筋砼内支撑，采用2 道预应力锚索代替。

4、优化后设计方案

结合工程实际情况对西指廊AC 区、N 区基坑支护方案进行优化，AC 区优化为灌注桩+三轴搅拌桩止水+1 道钢筋砼内支撑+2 道预应力锚索+上部放坡；N 区优化为灌注桩+三轴搅拌桩止水+2 道预应力锚索+上部放坡，具体见图3。

图3 AC 区、N 区优化后基坑支护剖面图

AC 区、N 区基坑支护优化后，原方案中 ①④⑥项设计内容维持不变，仅对②③⑤项设计内容做了如下改进：

②三轴搅拌桩φ0.85m 间距0.6m，桩长暂定20.0m且穿过淤泥及砂层进入不透水层不小于1.0m。

③保留第二道钢筋砼内支撑，尺寸为主撑（SC1）0.8m×0.8m，砼强度等级C30。

⑤取消了第一道钢筋砼内支撑和格构柱，新增预应力锚索。第一道锚索（YM1）4＊7φ5，L=32m 间距1.5m且入可塑粉质粘土层或粉细砂层不少于12.0m，自由段L=9mφ500 锁定值YF=400kN，轴向设计抗拔力650kN。第二道锚索（YM2）4＊7φ5，L=26m 间距1.4m.且入可塑粉质粘土层或粉细砂层不少于12.0m，自由段L=7mφ500锁定值YF=370kN，轴向设计抗拔力640kN。

5、设计验算

本次设计验算主要根据地质勘察报告内土层、水文等相关信息，结合理正深基坑支护计算软件辅助运算，主要验算深基坑支护整体稳定性、抗倾覆稳定性、嵌固段基坑内侧土反力。

5.1 整体稳定性验算

根据规范[2]采用圆弧滑动条分法进行锚拉式支挡结构的整体稳定性验算：

式中Ks—圆弧滑动整体稳定安全系数；Ks,i—第i 个滑动圆弧的抗滑力矩与滑动力矩的比值。

一级安全等级锚拉式支挡结构，其圆弧整体稳定性系数考虑Ks＞1.35。

土条宽度采用0.4m，综合设计数据求出滑裂面数据圆弧半径R=28.022m，圆心坐标（x,y）=（2.816 m，16.733m），整体稳定安全系数 Ks=1.897>1.35，满足规范要求。

5.2 抗倾覆稳定性验算

（1）抗倾覆(对支护底取矩)稳定性验算

抗倾覆(对支护底取矩)稳定性验算公式如下：

式中Mp—被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩；Ma—主动土压力对桩底的倾覆弯矩；Kov—抗倾覆稳定性安全系数，取Kov≥1.25。

综合设计数据求出各工况抗倾覆（对支护底取矩）稳定性安全系数，其计算结果如下表所示。

表1 抗倾覆（对支护底取矩）稳定性安全系数计算表

由表可知，安全系数最小工况为工况5，最小安全Kov=1.511＞1.250，满足规范抗倾覆要求，故所有工况均满足稳定性要求。

（2）抗倾覆(踢脚破坏)稳定性验算:

分别根据《建筑地基基础设计规范》[2]和《建筑基坑支护技术规程》[3]对多支点和单支点的最下道支撑或锚拉点进行抗倾覆稳定性验算，计算公式如下：

综合设计数据求出各工况抗倾覆(踢脚破坏)稳定性安全系数，见表2。表中安全系数最小工况为工况7，最小安全Kt=1.351＞1.250，满足规范抗倾覆要求。

5.3 嵌固段基坑内侧土反力验算

根据规范[2]要求，作用在挡土构件上的分布土反力按以下公式计算：

式中，Ps—分布土反力；Ks—土的水平反力系数；v—挡土构件在分布土反力计算点的水平位移值；Ps0—初始土反力强度。综合相关计算得出各工况Ps、Ep见图4。图中所有工况下；挡土构件嵌固段上的基坑内侧分布土反力Ps均不大于被动土压力合力Ep，土反力满足要求。

图4 嵌固段基坑内侧土反力验算

6、效益分析

6.1 工期效益

优化前，钢筋砼内支撑涉及到内支撑施工及养护、旋挖灌注桩施工、钢格构柱加工安装、换撑板施工及养护、拆撑等多道工序，其中第一道内支撑施工用时约15 天，10 根旋挖灌注桩及钢格构柱施工用时约10 天，内支撑养护28 天，砼换撑板施工用时约3 天，砼换撑板养护28 天，内支撑拆除施工用时约20 天。

优化后，预应力锚索涉及到锚索施工、腰梁施工及养护、锚索张拉锁定，其中锚索及腰梁施工用时约20 天，第一道冠梁及预应力锚索达到标准期龄28 天，第二道腰梁及预应力锚索达到标准期龄28 天，锚索张拉封锚施工用时约4 天。

综上分析采用钢筋砼内支撑施工总用时约104 天，采用预应力锚索施工总用时约80 天。由此可见，优化前后缩短工期约24 天。

6.2 经济效益

优化前，钢筋砼内支撑涉及到现浇砼支撑梁、现浇砼冠梁、现浇砼腰梁、钻孔成孔灌注桩、钢格构柱加工安装、钢筋砼内支撑梁板拆除等工作。在仅考虑人材机的情况下，采用钢筋砼内支撑工程成本约161 万元。

优化后，预应力锚索涉及到预应力锚索成孔灌浆、现浇砼冠梁、现浇砼腰梁、钢绞线预应力锚索加工安装等工作。在仅考虑人材机的情况下，采用预应力锚索工程成本约107万元。

综上分析采用预应力锚索替换钢筋砼内支撑可节约工程成本约54 万元。

结语：

本文针对珠海机场改扩建项目中出现的深基坑支护工序复杂、耗时多、费用高等问题进行了优化，优化后深基坑支护形式在项目中顺利实施完成，直至地下室肥槽回填至正负零标高，基坑一直处于安全稳定状态。此次优化在原有基坑安全等级不变的情况下，减少了工程成本，加快了施工进度，取得了良好的经济效益，缩短了工期。