超厚卵石层深基坑围护结构形式适用性分析

赵阁克 赵博洋 付敬卓

摘要：通过对国内外卵石地层基坑支护形式及参数的调研，文章对卵石基坑围护结构的适用性进行分析，得出结论：（1）调研了洛阳、成都、北京、长沙、兰州等地188种卵石基坑（洛阳地区30个）常用围护结构型式，发现深度超过16 m的基坑案例，采用桩+内支撑的结构形式的使用频率最高，约70 %。（2）共调研了卵石地区共计57个案例，得出了基坑深度与内支撑数量呈正相关。结合洛阳地铁基坑深度，对深度超过16 m的深基坑，推荐选择桩+3/4内支撑的支护结构型式。（3）卵石地区嵌入比的选择主要分布于0.2～0.5，且随着基坑深度增加，桩径增大，导致嵌入比有逐渐减小的趋势。

[基金项目]洛阳市轨道交通1号线科研项目（项目编号：LYG01-ZX-HYFW-（2017）118-CHISCKY）

[作者简介]赵阁克（1980—），男，本科，工程师，主要从事地铁基坑围护结构形式研究工作。

[通信作者]赵博洋（1998—），男，硕士，主要从事地铁基坑围护结构形式研究工作。

深基坑工程是地铁建设过程中一种常见的临时地下工程，由于支护型式设计和施工时机不当极易引发一系列安全问题：2005年广州市海珠城广场基坑因为超挖使得内支撑布置不合理、道数不够而导致坍塌事故;2007年深圳地铁1号线大新站因为基坑开挖过快，内支撑架设未能跟上开挖速度导致基坑垮塌;2012年武汉地铁土家湾站因开挖至9.4 m却未及时施作第2道内撑造成基坑坍塌。以上事故的发生，在于对变形规律认识不清，而基坑塌方的突发性极易造成施工人员伤亡，导致严重的经济财产损失。

近年来，随着我国城市轨道交通的快速发展，相继在北京、成都和洛阳等城市的地铁基坑开挖过程中遇到了大面积的卵石地层。洛阳轨道交通1号线面临的高水位、超厚卵石层，渗透系数之大，在国内同类工程中罕见，其基坑开挖的重难点表现在卵石地层稳定性差，地下水位高，基坑施工困难（图1）。

为解决洛阳市轨道交通1号线建设中高水位超厚卵石层深基坑建设关键技术研究的问题，本文以通过调研分析国内卵石地层的基坑支护结构形式及其参数，分析影响卵石地层基坑支护结构选型的主要因素，为类似洛阳市轨道交通1号线高水位超厚卵石地层地铁修建技术提供建议。

1 卵石基坑围护结构选型适用性分析

为了解决卵石地层围护结构的标准化问题，共调研了国内外包括成都、北京、长沙、兰州和洛阳等地188种卵石基坑。经总结，其中主要采用了7种围护结构形式，其中桩+内支撑用的最多为101次，约占53.16 %（图2）。

为研究基坑支护结构选型的适用性，针对基坑深度与基坑地质条件进行深入分析。

1.1 不同深度条件下结构型式及占比

通过对国内外57个卵石地层支护结构案例分析，将不同深度范围内支护结构使用频率绘制如图3所示。

（1）基坑深度为6～11 m 时用了6种围护结构形式，其中土钉墙使用次数最多，约占了40 %，一般不使用内支撑。

（2）基坑深度为11～16 m时用了7种围护结构形式，其中土钉使用次数最多，约占了40 %，锚桩和喷锚网用的较多，都占了23 %。

（3）基坑深度为16～21 m时用了5种围护结构形式，其中桩+内支撑使用次数最多，占了70 %。

（4）大于21 m时也用了5种围护结构形式，其中桩+内支撑使用次数最多，占了70 %。

1.2 竖向内支撑数量的选择

共调研全国57个卵石基坑的支撑数量与基坑开挖深度的关系，绘制出支撑数量与开挖深度的关系曲线（图4）。

可以得出，随着基坑开挖深度的增加，所需的竖向内支撑数逐渐增加。基坑深度在7 m以下时，内支撑数量为1;基坑深度在7～15 m时，内支撑数普遍为2～3道，当基坑深度为15～24 m时，内支撑数量为3～4;基坑深度超过25 m的少部分深基坑采用了第5道内支撑。

1.3 卵石基坑的围护结构嵌入比研究

基坑的嵌入比是影响基坑稳定和坑底抗隆起稳定系数的一个重要指标。桩的嵌入比定义为桩的嵌入深度与基坑底部以上桩长（当桩顶位于地面时，可用基坑深度近似代替）的比值，是评价桩体长度设计经济性的重要指标。

1.3.1 嵌入比影响指标及其控制标准

本工程基于理正深基坑设计软件对基坑围护结构的嵌入比进行优化。理正深基坑支护软件依据JGJ 120-2012《建筑基坑支护技术规程》和北京、上海、天津、广东、深圳、广州、武汉的地方规范以及冶金部行业规范等共10个基坑规范编制。分别采用经典法和弹性法（包括全量法和增量法）完成悬臂式或支锚式单排桩、双排桩、地下连续墙、钢板桩、水泥土墙（包括方法）、土钉墙、天然放坡等多种支护形式的计算。计算项目包括土压力计算、支护构建内力计算及配筋、锚杆及内撑计算、整体稳定计算、抗倾覆计算、抗隆起计算、抗管涌计算、承压水计算，可输出图文并茂的详尽的计算书。并可根据基坑的实际形状和内撑铺杆的实际布置形式进行三维整体计算。算时可模拟整个施工过程（如开挖、加撑、换撑、拆撑），虑土层与支护结构的共同作用，结果安全可靠。

岩土工程与地下工程赵阁克， 赵博洋， 付敬卓： 超厚卵石层深基坑围护结构形式适用性分析

计算依据理正深基坑计算所得的的地表位移、整体稳定性、抗倾覆能力、抗隆起能力和抗管涌能力等结果对卵石深基坑围护结构嵌入比进行优化（表1）。

围护结构计算规范与规程参照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）基坑等级为一级，基坑侧壁重要性系数取1.1，围护结构内力采用增量法进行计算。结构计算模型如图所示，基坑深度为20 m，咬合灌注桩嵌固深度为H，桩直径1.0 m，桩间距0.75 m（素混凝土桩和钢筋混凝土桩交替），冠梁尺寸1.7 m×1.0 m，基坑从上到下共四道内支撑，第一道为混凝土支撑，第二、三和四道内支撑为609 mm，t=16 mm的钢管支撑，混凝土强度等级为C30。

1.3.2 围护结构嵌入比调研

国内砂卵石土分布较为广泛的有北京、成都、长沙和兰州等地。通过调研得到了相似底层的嵌入比（图5）。

图5给出了卵石地区基坑嵌入比选择的分布规律，可以看出，卵石地区嵌入比的选择主要分布于0.2～0.50，且随着基坑深度增加，桩径增大，导致嵌入比有逐渐减小的趋势。

根据统计资料可以看出洛阳地区的设计嵌入比统计的其他卵石基坑的嵌入比普遍偏大，因此对围护结构的嵌入比尚且有一定的优化空间。

2 结论

通过通过对国内外卵石地层基坑支护形式及参数的调研，对卵石基坑围护结构的适用性进行分析，得出结论：

（1）调研了洛阳、成都、北京、长沙、兰州等地188种卵石基坑（洛阳地区30个）常用围护结构型式，发现深度超过16 m的基坑案例，采用桩+内支撑的结构形式的使用频率最高，约70 %。

（2）共调研了卵石地区共计57个案例，得出了基坑深度与内支撑数量呈正相关。结合洛阳地铁基坑深度，对深度超过16 m的深基坑，推荐选择桩+3/4内支撑的支护结构型式。

（3）卵石地区嵌入比的选择主要分布于0.2～0.5，且随著基坑深度增加，桩径增大，导致嵌入比有逐渐减小的趋势。

参考文献

[1] 陈伟，吴裕锦，彭振斌.广州某基坑抢险监测及坍塌事故技术原因分析[J].地下空间与工程学报，2006（6）：1034-1039

[2] 刘树亚，潘晓明，欧阳蓉，等.用钢筋混凝土支撑代替钢支撑的深基坑支护特性研究阴[J].岩土工程学报 2012， 34（增1）： 309-314.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基坑支护技术规程：JGJ 120—2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4] 王洪新.基坑宽度对围护结构稳定性的影响[J].土木工程学报，2011，44（6）：120-126.