大跨度深基坑支护技术的研究与应用1

大跨度深基坑支护技术的研究与应用1
前言
随着经济水平和城市建设的迅速发展地下工程愈来愈多，开发和利用地下空间的要求日显重要。地下铁道、地下车库、地下商场、地下仓库、地下人防工程高层建筑的多层地下室等构筑物日益增多。
近年来，国内兴建了许多大型地下设施，如北京、上海的地铁、地下停车场、地下变电站和污水处理工程等，伴随着深基坑工程规模和深度的不断加大，开挖深度在10m以下的基坑已不少见，地铁车站的开挖深度最大已接近20m。大量深基坑工程的出现，促进了设计计算理论的提高和施工工艺的发展，通过大量的工程实践和科学研究，逐步形成了基坑工程学这一新兴学科。在土木工程领域中，目前基坑工程学是发展最迅速的学科之一，也是工程实践要求最迫切的学科之一。基坑工程正确、科学的设计和施工，配合切实有效的信息监测手段，能带来巨大的经济效益和社会效益，对加快施工进度、保护环境发挥了重要作用，否则将会招致严重的后果，大量工程实践已经证明了这一点。
基坑开挖的施工工艺一般有两种：无支护开挖（放坡开挖）和有支护开挖。在城市中心地带，建筑物稠密地区，往往不具备放坡开挖的条件，只能在支护结构保护下进行垂直开挖。对支护结构的要求，一方面是创造条件便于基坑土方的开挖，但在建（构）筑物及地下管线密集地区更重要的是保护周围环境，因此对支护结构应进行精心的设计和施工，并辅以必要的监测手段，以确保基坑安全。
基坑土方开挖是基坑工程的一个重要内容。基坑土方如何组织开挖，不但影响工期、造价，而且还影响支护结构的安全和变形，并危及周围环境。为此对较大的基坑工程必须编制详细的施工方案，运用时空效应理论，确定挖土机械、挖土工况、挖土顺序、支撑架设方法等。在软土地区和地下水丰富的地区，土方开挖还常常辅以基坑降水，以确保基坑安全和便于施工，保护环境。
在施工过程中跟踪施工活动，对周围土体位移和附近建筑物、地下管线等保护对象的变形及受力情况进行量测，所取得的数据与预测值和计算值相比较，能可靠地反映工程施工所造成的影响，能较准确地以量的形式反映这种影响程度。在地下工程中，由于地质条件、荷载条件、施工方法和外界其它因素的复杂影响，很难单纯从理论上预测工程中可能遇到的所有问题，而且理论预测值还不能全面、准确地反映工程的各种变化。所以，在理论分析指导下有计划地进行现场工程信息检测十分必要。
1 工程概况
天津地铁洪湖里车站是天津市地铁一号线工程组成部分之一，是既有地铁线路天津西站站点向北延伸新建的车站，车站主体结构全长175.3m，单层段长66.0m，宽19.9m，双层段长109.3m，最宽处30.3m,车站设南北两个通风道，4个出入口。
车站所通过地区为滨海平原，地形平坦，房屋密集，建筑物多为平房，周围地下管线较多。本段地层主要为第四系全新统人工填土（Qh）、上部陆相层（Q3h）、第一海相层（Q2h）、中上部陆相层（Q1h）及更新统海陆交互相堆积层（Qp）。本工程地下水类型为第四系孔隙潜水，主要赋存于粘性土及砂类土中。地下水埋深0.9—2.6m（高程1.1—2.8m），水位变幅1.0—2.0m。
车站基坑长177.3m，深12.5m，断面复杂，最宽处达30.7m，属大跨度、变截面、长条型深基坑。
2 基坑支护体系
2.1支护方案
洪湖里站采用明挖顺作法施工，钻孔灌注桩加水泥搅拌桩复合型围护结构，钻孔灌注桩为主要受力结构，灌注桩直径0.8m，间距1.0m，采用C20钢筋砼。φ500@ 350水泥土搅拌桩主要用于止水、抗渗。支撑体系：横撑采用Φ624×12钢管，水平间距3.0m，竖向按基坑深度设3道；压顶梁为宽0.9m，高1.2m的C20钢筋砼梁；腰梁为三拼 I 36组合截面工字钢。支撑立柱为Φ400×8钢管，立柱基础为Φ800灌注桩；连系梁为I 36工字钢。
原方案支护型式如图2所示，其支撑按国内类似基坑工程的通常做法将层距控制在4.5m左右，即第二层支撑处于双层段中层板（单层段顶板）之下，在施工侧墙期间，需将第二层支撑下落，这就在侧墙上增加了一道水平施工缝，增加了一步倒撑工序；跨度超过30m的支撑，为了提高其承载力，通常设置双排支撑立柱，跨度在20m左右的支撑，设置单排支撑立柱，将支撑自由长度控制在10m左右，但这造成了槽内立柱林立，严重制约了土方开挖及支撑架设速度，与深基坑工程“快开挖、快支护”的原则相矛盾。
工程实施中，我们采取可行的技术措施，采用支撑布置。通过合理调整三层支撑标高，尤其将第二层支撑调至中层板（顶板）之上，避免了支撑倒换，实现了侧墙、中层板（顶板）同时浇注，无障碍施工，减少了一道水平施工缝，提高了结构的整体性和自防水能力。施工过程中进行支撑体系转换，撤除支撑立柱，实现底板防水层和底板砼连续施工，减少渗漏隐患，提高了工程质量。工程中在确保安全的前提下将双排支撑立柱改为单排，扩大了基坑工作空间，减少了障碍，便于土方取运，也利于改善外包防水层的防水效果，提高结构底板的连续性与整体性。
基坑采用内井点降水。
2.2 围护结构计算
据《洪湖里站工程地质勘察报告》，地质资料如下表：
地层名称
承载力标准值KPa 渗透系数m/d 标贯N
Q3h 7.5 18.8 28.5 100 0.21 5.7
Q2h 13.3 19 23 90 0.22 7.7
Q1h 7.11 19.9 25.5 140 0.32 11.4
Qp 13.3 20.1 37.5 200 0.32 14
2.2.1 支护结构内力计算
根据力学分析及土压力的形成过程，围护结构在基坑土方挖至－5.9m，第三层支撑尚未架设和挖土至－8.6m，封底砼尚未浇筑形成强度两个工况内处于最危险状态。
故需要对以上两种状态进行计算。土压力用郎肯公式计算，偏安全起见，采用水土分算法。
2.2.1.1 挖土至－5.9m，安装第三层支撑前。
计算得：RB=265.4（KN/m）
单撑轴力：NB=3RB=796.2（KN）=79.6（t）
Mmax=645.3(KN•m)
最大弯距发生在－4.3m标高处。
第二层支撑达到最大轴力。
2.2.1.2成槽验算
基坑已挖至设计槽底标高，但封底砼尚未浇筑形成强度。
计算得：RC=469.0(KN/m)；
单撑轴力：NC=3RC=1407(KN)=140.7(t)
Mmax=296.4(KN•m)
最大弯距发生在－8.8m标高出。
第三层支撑达到最大轴力。
内力统计：
Mmax(KN•m) NBmax(t) NCmax(t) Qmax(t)
645.3 79.6 140.7 140.7
2.2.2抗倾覆稳定性
根据抗倾覆稳定性验算，灌注桩需要入土深度为8.0m，桩实际入土深度为8.8m ，故满足要求。
2.2.3基坑底部抗隆起稳定性分析
基坑的抗隆起稳定性分析具有保证基坑稳定和控制基坑变形的重要意义，以保证不发生基底隆起破坏或过大的基底隆起变形，故需对其进行验算。
在以往许多验算抗隆起安全系数的公式中，很少同时考虑C、 ，显然对于一般粘性土，在土体抗剪强度中应包括C、 的因素，因此参照Ptandtl和Terzaghi的地基承载力公式，并将桩底面的平面作为求极限承载力的基准面，工程中我们采用了同时考虑C、 的抗隆起计算法。
式中 1为坑外地表至支护墙底各土层天然重度加权平均值(kN/m3)；
为坑内开挖面以下至支护墙底各土层天然重度加权平均值(kN/m3)；
c为支护墙底处的地基土粘聚力(kN/m2)；
q为坑外地面荷载；
H为基坑开挖深度(m)；
D为墙体入土深度(m)；
Nq，Nc为地基承载力系数；
为支护墙底处土的内摩擦角（度）
KS为支护墙底地基承载力安全系数。取Ks=1.2
计算得：KS=2.18>1.2 故满足要求。