论文部分内容阅读
摘 要 随着社会经济的快速发展，地铁对城市功能的合理布局起着积极的作用。地铁建设首先面临的问题就是地铁车站基坑支护的设计问题，对于常见的明挖车站来说，基坑支护是一项风险大、复杂的系统工程。在围护结构设计中，必须全面分析地质资料，确定合理的设计方案。本文较详细地介绍了广州地铁六号线科学城东站的基坑支护设计，通过工程设计实例，为其它类似工程提供参考。
关键词 明挖车站基坑支护系统工程设计
中图分类号：TV551.4 文献标识码：A 文章编号：
The Foundation Pit Support Design Of the Open-Cut Station
Gou Junqin
(Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.,Ltd, Guangzhou 510010）
Abstract: With the rapid economic development of society, Metro on reasonable layout of urban function plays an active role. Issues facing the first was the construction of Metro Foundation pit supporting design problems, for common open-cut station, pit is a risky and complex systems engineering. In the design of exterior-protected structure must be a comprehensive analysis of geological data, reasonable design. Introduces line of Guangzhou Metro Line 6 in more detail in this article, Science City East Station Foundation pit support design through engineering design example for other similar projects provide a reference.
Key Words: open-cut station; foundation pit support; systems engineering; design
1一般基坑工程特點
基坑工程是地下工程的难题，涉及工程地质、水文、工程结构、施工工艺及管理各方面，一般基坑工程的特点有：
（1）基坑开挖面积大、体积大及基坑工程的复杂性使施工工期变长、工艺增多，而降雨和重物堆放等也会对基坑稳定造成一定影响。
（2）地质条件较差的土层，基坑施工会产生较大的位移和沉降，特别是在采取降水等施工措施后会对附近建筑物和市政设施的正常使用造成不良影响。
（3）岩土性质变化较大，地质埋藏条件和水文地质的复杂性、不均匀性，往往造成勘察数据离散性较大，难以完整代表各土层总体情况，给基坑工程设计及施工带来了难度。
（4）基坑工程具有时空效应，特别是软粘土具有较强的蠕变性，作用在支护结构上的土压力随时间变大，蠕变使土体强度降低，使基坑支护稳定性降低。
根据基坑工程特点，目前常用的基坑支护形式有排桩、地下连续墙、钢板桩等多种形式。
2工程概况 本站为地下2层车站，明挖法施工。车站主体基坑长200m、标准段宽18.7m、深17.38m，基坑安全等级一级。为保证基坑土方开挖、车站结构施工及周边建筑物和车辆通行安全，根据基坑开挖深度、工程地质条件和周边环境对基坑进行支护设计。
3工程地质情况
3.1本站基坑支护设计时的最不利钻孔土层
<1>人工填土层：组成物主要为人工堆填的粘性土、中粗砂、碎石等。层厚3.7m；<3-2>冲～洪积中粗砂层：灰黄色，浅灰色，饱和，主要呈稍密状，局部中密、松散，主要成分以石英中粗砂为主，局部含较多砾砂、粉粘粒，土质不均。层厚3.1m；<4-2A>淤泥层：深灰色、黑灰色，流塑局部软塑，主要由粘粒、粉粒组成。层厚1.9m；<3-1>冲～洪积粉细砂层：青灰色，饱和，稍密为主，主要由粉细砂组成，级配不良，含较多粘粒，局部具稍粘性。层厚3.3m；<5H-1>可塑状砂质粘性土：呈褐红色、褐黄色、灰绿色，本站主要以砂质粘性土为主。层厚3m；<5H-2>硬塑状砂质粘性土：呈褐红色、褐黄色、灰绿色，本站主要以砂质粘性土为主，遇水易软化、崩解。层厚3m；<6H>岩石全风化带：褐黄色、灰褐色，岩石风化剧烈，岩芯呈硬塑～坚硬土状，易扳开捻碎，遇水软化崩解,局部夹强风化碎块。层厚11.8m。
3.2水文地质条件
站址区及附近水系不发育，无河流、河涌等。在车站东部见一下穿公路的沟涌,主要为排泄公路以北浅层汇水，受排污影响，水质较差。勘察期间揭露本站地下水平均埋深约3.40m。
4基坑工程支护设计
4.1合理选择支护体系
基坑支护最重要的是要保证周边环境安全。为避免以上破坏的产生，选择合理可行的基坑支护体系是基坑设计的关键。一般当地质条件较好，周边环境要求较宽松时，可采用柔性支护如土钉墙等；当周边环境要求高时，应采用较刚性的支护型式，以控制水平位移，如排桩、地下连续墙等。同样，对于支撑的型式，当周边环境要求较高地质条件较差时，采用锚杆易造成周边土体扰动并影响周边环境安全，采用内支撑型式较好；当地质条件特别差，基坑深度较深，周边环境要求较高时，可采用地下连续墙加逆作法等较强的支护型式。
根据本站周边环境及地质情况，分别进行了钻孔灌注桩、连续墙两个支护方案的比较，以上两种支护形式在技术上都可行，但因本站范围内砂层深厚，基底基本位于花岗岩残积土层且最厚处达10.1米之深，地质条件差，基坑涌水是一大问题。钻孔桩需桩间旋喷止水，如旋喷止水施工不好极易造成涌水涌砂，危及基坑安全。而连续墙幅与幅之间密封连接且整体性好，具有良好的止水效果。经过综合比选并结合广州地区工程经验，采用地下连续墙的支护形式，防水效果好，安全整体稳定性易于保证。
4.2 -基坑支护的设计要求 4 j* D) A6 ~& n' ?2 t+ M9 s+ I- 中国地铁生活门户论坛,涉及地铁规划、建设及地铁周边生活相关的讨论。1 u" t3 G* v% [ Q+ b. I7 a地铁族
基坑支护作为一个结构体系应满足稳定和变形的要求，即满足规范所说的两种极限状态要求：承载能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态，对基坑支护来说就是支护结构破坏、倾倒、滑动或周边环境破坏，出现较大范围失稳。一般设计不允许支护结构出现这种极限状态。正常使用极限状态指支护结构变形或由于开挖引起周边土体产生的变形过大，影响正常使用，但未造成结构失稳。
4.3合理选择支撑
影响支撑稳定的因素很多，如支撑范围、刚度、支撑力大小等。如支撑力过小可能导致结构失稳；支撑力过大，支撑尺寸过大，又会造成资源浪费和施工不便。所以必须找出合理的支撑设置、确定合理的支撑形式及尺寸。
下表为最不利钻孔情况下本站两层地下结构开挖时不同支撑体系围护结构的变形和土体沉降：
支撑道数 1 2 3
最大支撑力（KN） 5244.56 8457.64 7799.97
最大墙体弯矩（KN.m） 2814.01 2158.25 1117.05
最大地表沉降（mm） 116 57 27
最大墙体变形（mm） 98.99 56.61 23.91
通过模拟计算：随着支撑道数增加，连续墙在水平压力中的比重减少，墙体弯矩也不断减少，基坑稳定性增加。分析1、2和3道支撑时所产生的内力及变形情况，一道支撑时支撑轴力随着开挖深度加大而加大，此时易发生连续墙踢脚失稳；两道支撑时轴力最大，但其最大轴力仍不至于使支撑发生失稳。通过分析，即便减少支撑道数，基坑通常也不会发生支撑体系的失稳，但由于支撑道数的不同产生的墙体变形和地表沉降却有非常大的变化。故支撑设置合理与否将严重影响结构及周边建筑物的安全。
经过以上分析及本站砂层较厚的特点，为保证基坑结构安全及周边建筑物使用安全，本站拟采取连续墙+三道内支撑的支护体系。
4.4基坑支护整体计算
4.4.1荷载：
（1）水土压力：水土压力除饱和砂层按水土分算外，其余按水土合算。施工阶段按朗肯公式计算主动侧土压力，使用阶段按静止侧土压力计算。
（2）基坑周边超载取20kpa。
4.4.2结构计算分析
结构计算按施工过程和使用期间分别计算，施工过程阶段按增量法进行内力计算,计算时计入结构的先期位移值及支撑的变形,按“先变形后支撑”原则进行结构分析，模拟施工开挖、支撑架设全过程分阶段计算。最终位移及内力值为各阶段之累加值。连续墙内力计算时采用弹性支点法。土的水平抗力系数按M法确定。
4.4.3基坑支护方案
本站采取连续墙+三道内支撑的支护体系，并暂定第一、二道支撑为混凝土支撑；第三道为钢管支撑。
4.4.4计算结果（主要计算过程通过理正深基坑软件进行，此处略去）
（1）理正深基坑计算后的内力包络图及各道支撑轴力图如图1所示：
图1内力包络图、各道支撑轴力图
（2）整体稳定验算
计算方法：瑞典条分法；应力状态：总应力法；条分法中的土条宽度: 0.40m。整体稳定计算如下：
滑裂面数据：整体稳定安全系数 Ks = 1.635；圆弧半径(m) R = 21.933；圆心坐标X(m) X = -4.735；圆心坐标Y(m) Y = 13.223。
（3）抗倾覆稳定性验算
根据理正深基坑，各道支撑材料抗力：N1=682.779KN；N2=758.653KN；N3=714.286 KN。
抗倾覆安全系数:
= 1.999 >= 1.200, 滿足规范要求。
（4）抗隆起验算
分别根据普朗德尔和太沙基公式计算。如下：
Prandtl(普朗德尔)公式(Ks >= 1.1～1.2)，注：安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》YB 9258-97(冶金部):
= 4.813 >= 1.1, 满足规范要求。
Terzaghi(太沙基)公式(Ks >= 1.15～1.25)，注：安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》YB 9258-97(冶金部):
= 5.772 >= 1.15, 满足规范要求。
（5）隆起量的计算
<0，取δ = 0(mm)。
5结果分析
一般的支护结构位移控制以水平位移为主，主要是水平位移较直观，易于监测。4 h, |5 ^5 j/ }- C" |地铁,地铁族,地铁论坛,上海地铁,轨道交通,北京地铁,天津地铁,南京地铁,广州地铁,深圳地铁,香港地铁,重庆轻轨,武汉轻轨,长春轻轨,大连轻轨,台北捷运,高雄捷运对于一级基坑的最大水平位移，一般宜不大于30mm，对于较深的基坑，应小于0.3％的基坑开挖深度。本站计算得出水平位移为23.91mm，符合规范要求，同时根据计算，支护体系整体稳定、抗隆起等均满足规范要求。
综合以上，本基坑设计安全、可行，连续墙+3道内支撑的设计方案合理。
6结语
通过本站基坑设计理论分析及计算：围护结构设计时，首先须对基坑及周边环境进行全面分析，不同的支护结构适应于不同的水文地质条件，同时具体问题具体分析，选择经济适用的支护结构体系，确定合理的设计方案（如一般两层地下站设置3道内支撑等），同时做到动态设计、信息化施工，确保基坑本身及周边环境的安全。 参考文献
[1] JGJ 120-99 建筑基坑支护技术规程[S]. 北京:中国建筑科学研究院,1999.
[2] GJB 02-98 广州地区建筑基坑支护技术规定[S]. 广州:广州市建设委员会,1998.
[3]雷晓燕.岩土工程数值计算[M].北京:中国铁道出版社,1999.
[4] 徐干成,白洪才,郑颖人,刘朝.地下工程支护结构[M].北京:中国水利水电出版社,2003.
[5] YB 9258-97 建筑基坑工程技术规范[S],北京:冶金工业出版社,1998.
[6] 赵锡宏,李蓓等.大型超深基坑工程理论与研究-上海外环隧道基坑工程 [J],岩土工程学报,2003,25(3):258-263.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词 明挖车站基坑支护系统工程设计
中图分类号：TV551.4 文献标识码：A 文章编号：
The Foundation Pit Support Design Of the Open-Cut Station
Gou Junqin
(Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.,Ltd, Guangzhou 510010）
Abstract: With the rapid economic development of society, Metro on reasonable layout of urban function plays an active role. Issues facing the first was the construction of Metro Foundation pit supporting design problems, for common open-cut station, pit is a risky and complex systems engineering. In the design of exterior-protected structure must be a comprehensive analysis of geological data, reasonable design. Introduces line of Guangzhou Metro Line 6 in more detail in this article, Science City East Station Foundation pit support design through engineering design example for other similar projects provide a reference.
Key Words: open-cut station; foundation pit support; systems engineering; design
1一般基坑工程特點
基坑工程是地下工程的难题，涉及工程地质、水文、工程结构、施工工艺及管理各方面，一般基坑工程的特点有：
（1）基坑开挖面积大、体积大及基坑工程的复杂性使施工工期变长、工艺增多，而降雨和重物堆放等也会对基坑稳定造成一定影响。
（2）地质条件较差的土层，基坑施工会产生较大的位移和沉降，特别是在采取降水等施工措施后会对附近建筑物和市政设施的正常使用造成不良影响。
（3）岩土性质变化较大，地质埋藏条件和水文地质的复杂性、不均匀性，往往造成勘察数据离散性较大，难以完整代表各土层总体情况，给基坑工程设计及施工带来了难度。
（4）基坑工程具有时空效应，特别是软粘土具有较强的蠕变性，作用在支护结构上的土压力随时间变大，蠕变使土体强度降低，使基坑支护稳定性降低。
根据基坑工程特点，目前常用的基坑支护形式有排桩、地下连续墙、钢板桩等多种形式。
2工程概况 本站为地下2层车站，明挖法施工。车站主体基坑长200m、标准段宽18.7m、深17.38m，基坑安全等级一级。为保证基坑土方开挖、车站结构施工及周边建筑物和车辆通行安全，根据基坑开挖深度、工程地质条件和周边环境对基坑进行支护设计。
3工程地质情况
3.1本站基坑支护设计时的最不利钻孔土层
<1>人工填土层：组成物主要为人工堆填的粘性土、中粗砂、碎石等。层厚3.7m；<3-2>冲～洪积中粗砂层：灰黄色，浅灰色，饱和，主要呈稍密状，局部中密、松散，主要成分以石英中粗砂为主，局部含较多砾砂、粉粘粒，土质不均。层厚3.1m；<4-2A>淤泥层：深灰色、黑灰色，流塑局部软塑，主要由粘粒、粉粒组成。层厚1.9m；<3-1>冲～洪积粉细砂层：青灰色，饱和，稍密为主，主要由粉细砂组成，级配不良，含较多粘粒，局部具稍粘性。层厚3.3m；<5H-1>可塑状砂质粘性土：呈褐红色、褐黄色、灰绿色，本站主要以砂质粘性土为主。层厚3m；<5H-2>硬塑状砂质粘性土：呈褐红色、褐黄色、灰绿色，本站主要以砂质粘性土为主，遇水易软化、崩解。层厚3m；<6H>岩石全风化带：褐黄色、灰褐色，岩石风化剧烈，岩芯呈硬塑～坚硬土状，易扳开捻碎，遇水软化崩解,局部夹强风化碎块。层厚11.8m。
3.2水文地质条件
站址区及附近水系不发育，无河流、河涌等。在车站东部见一下穿公路的沟涌,主要为排泄公路以北浅层汇水，受排污影响，水质较差。勘察期间揭露本站地下水平均埋深约3.40m。
4基坑工程支护设计
4.1合理选择支护体系
基坑支护最重要的是要保证周边环境安全。为避免以上破坏的产生，选择合理可行的基坑支护体系是基坑设计的关键。一般当地质条件较好，周边环境要求较宽松时，可采用柔性支护如土钉墙等；当周边环境要求高时，应采用较刚性的支护型式，以控制水平位移，如排桩、地下连续墙等。同样，对于支撑的型式，当周边环境要求较高地质条件较差时，采用锚杆易造成周边土体扰动并影响周边环境安全，采用内支撑型式较好；当地质条件特别差，基坑深度较深，周边环境要求较高时，可采用地下连续墙加逆作法等较强的支护型式。
根据本站周边环境及地质情况，分别进行了钻孔灌注桩、连续墙两个支护方案的比较，以上两种支护形式在技术上都可行，但因本站范围内砂层深厚，基底基本位于花岗岩残积土层且最厚处达10.1米之深，地质条件差，基坑涌水是一大问题。钻孔桩需桩间旋喷止水，如旋喷止水施工不好极易造成涌水涌砂，危及基坑安全。而连续墙幅与幅之间密封连接且整体性好，具有良好的止水效果。经过综合比选并结合广州地区工程经验，采用地下连续墙的支护形式，防水效果好，安全整体稳定性易于保证。
4.2 -基坑支护的设计要求 4 j* D) A6 ~& n' ?2 t+ M9 s+ I- 中国地铁生活门户论坛,涉及地铁规划、建设及地铁周边生活相关的讨论。1 u" t3 G* v% [ Q+ b. I7 a地铁族
基坑支护作为一个结构体系应满足稳定和变形的要求，即满足规范所说的两种极限状态要求：承载能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态，对基坑支护来说就是支护结构破坏、倾倒、滑动或周边环境破坏，出现较大范围失稳。一般设计不允许支护结构出现这种极限状态。正常使用极限状态指支护结构变形或由于开挖引起周边土体产生的变形过大，影响正常使用，但未造成结构失稳。
4.3合理选择支撑
影响支撑稳定的因素很多，如支撑范围、刚度、支撑力大小等。如支撑力过小可能导致结构失稳；支撑力过大，支撑尺寸过大，又会造成资源浪费和施工不便。所以必须找出合理的支撑设置、确定合理的支撑形式及尺寸。
下表为最不利钻孔情况下本站两层地下结构开挖时不同支撑体系围护结构的变形和土体沉降：
支撑道数 1 2 3
最大支撑力（KN） 5244.56 8457.64 7799.97
最大墙体弯矩（KN.m） 2814.01 2158.25 1117.05
最大地表沉降（mm） 116 57 27
最大墙体变形（mm） 98.99 56.61 23.91
通过模拟计算：随着支撑道数增加，连续墙在水平压力中的比重减少，墙体弯矩也不断减少，基坑稳定性增加。分析1、2和3道支撑时所产生的内力及变形情况，一道支撑时支撑轴力随着开挖深度加大而加大，此时易发生连续墙踢脚失稳；两道支撑时轴力最大，但其最大轴力仍不至于使支撑发生失稳。通过分析，即便减少支撑道数，基坑通常也不会发生支撑体系的失稳，但由于支撑道数的不同产生的墙体变形和地表沉降却有非常大的变化。故支撑设置合理与否将严重影响结构及周边建筑物的安全。
经过以上分析及本站砂层较厚的特点，为保证基坑结构安全及周边建筑物使用安全，本站拟采取连续墙+三道内支撑的支护体系。
4.4基坑支护整体计算
4.4.1荷载：
（1）水土压力：水土压力除饱和砂层按水土分算外，其余按水土合算。施工阶段按朗肯公式计算主动侧土压力，使用阶段按静止侧土压力计算。
（2）基坑周边超载取20kpa。
4.4.2结构计算分析
结构计算按施工过程和使用期间分别计算，施工过程阶段按增量法进行内力计算,计算时计入结构的先期位移值及支撑的变形,按“先变形后支撑”原则进行结构分析，模拟施工开挖、支撑架设全过程分阶段计算。最终位移及内力值为各阶段之累加值。连续墙内力计算时采用弹性支点法。土的水平抗力系数按M法确定。
4.4.3基坑支护方案
本站采取连续墙+三道内支撑的支护体系，并暂定第一、二道支撑为混凝土支撑；第三道为钢管支撑。
4.4.4计算结果（主要计算过程通过理正深基坑软件进行，此处略去）
（1）理正深基坑计算后的内力包络图及各道支撑轴力图如图1所示：
图1内力包络图、各道支撑轴力图
（2）整体稳定验算
计算方法：瑞典条分法；应力状态：总应力法；条分法中的土条宽度: 0.40m。整体稳定计算如下：
滑裂面数据：整体稳定安全系数 Ks = 1.635；圆弧半径(m) R = 21.933；圆心坐标X(m) X = -4.735；圆心坐标Y(m) Y = 13.223。
（3）抗倾覆稳定性验算
根据理正深基坑，各道支撑材料抗力：N1=682.779KN；N2=758.653KN；N3=714.286 KN。
抗倾覆安全系数:
= 1.999 >= 1.200, 滿足规范要求。
（4）抗隆起验算
分别根据普朗德尔和太沙基公式计算。如下：
Prandtl(普朗德尔)公式(Ks >= 1.1～1.2)，注：安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》YB 9258-97(冶金部):
= 4.813 >= 1.1, 满足规范要求。
Terzaghi(太沙基)公式(Ks >= 1.15～1.25)，注：安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》YB 9258-97(冶金部):
= 5.772 >= 1.15, 满足规范要求。
（5）隆起量的计算
<0，取δ = 0(mm)。
5结果分析
一般的支护结构位移控制以水平位移为主，主要是水平位移较直观，易于监测。4 h, |5 ^5 j/ }- C" |地铁,地铁族,地铁论坛,上海地铁,轨道交通,北京地铁,天津地铁,南京地铁,广州地铁,深圳地铁,香港地铁,重庆轻轨,武汉轻轨,长春轻轨,大连轻轨,台北捷运,高雄捷运对于一级基坑的最大水平位移，一般宜不大于30mm，对于较深的基坑，应小于0.3％的基坑开挖深度。本站计算得出水平位移为23.91mm，符合规范要求，同时根据计算，支护体系整体稳定、抗隆起等均满足规范要求。
综合以上，本基坑设计安全、可行，连续墙+3道内支撑的设计方案合理。
6结语
通过本站基坑设计理论分析及计算：围护结构设计时，首先须对基坑及周边环境进行全面分析，不同的支护结构适应于不同的水文地质条件，同时具体问题具体分析，选择经济适用的支护结构体系，确定合理的设计方案（如一般两层地下站设置3道内支撑等），同时做到动态设计、信息化施工，确保基坑本身及周边环境的安全。 参考文献
[1] JGJ 120-99 建筑基坑支护技术规程[S]. 北京:中国建筑科学研究院,1999.
[2] GJB 02-98 广州地区建筑基坑支护技术规定[S]. 广州:广州市建设委员会,1998.
[3]雷晓燕.岩土工程数值计算[M].北京:中国铁道出版社,1999.
[4] 徐干成,白洪才,郑颖人,刘朝.地下工程支护结构[M].北京:中国水利水电出版社,2003.
[5] YB 9258-97 建筑基坑工程技术规范[S],北京:冶金工业出版社,1998.
[6] 赵锡宏,李蓓等.大型超深基坑工程理论与研究-上海外环隧道基坑工程 [J],岩土工程学报,2003,25(3):258-263.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。