地铁工程基坑支护方案选型与经济分析

宋林海 中铁二十四局集团安徽公司

1 概况

合肥市轨道交通一号线试验段位于合肥市滨湖新区，其中Ⅰ标段为锦锈大道站（含）～中山路站（不含），起讫里程为K20+296.6～K22+868，全长 2.572 km，包含锦锈大道站、紫云路站、锦锈大道站～紫云路站区间、紫云路站～中山路站区间，主要工程内容为车站及区间土建工程（含设备安装配合、装修配合、验收、缺陷责任期修复、保修期保修等）。

根据地质资料，从上至下依次为：人工填土层（素填土①层、杂填土①层）、第四纪沉积层（粘土②层、粉质粘土②1层、粉细砂②2层）、第三纪基岩（全风化粉砂岩③层）、白垩纪基岩（强风化泥岩、泥质砂岩④层、④1层）。地下水埋深约4.9～8.3 m。

设计提供的基坑支护方案是：锦绣大道站－紫云路站区间，基坑两侧采用围护桩及内支撑的支护结构；紫云路站－中山路站区间，基坑两侧采用围护桩及内支撑的支护结构。

考虑到工期、施工工艺、工程造价等因素，将围护桩及内支撑的支护结构方案优化为放坡开挖、围护桩及锚杆的支护结构。以下主要从技术角度和经济角度介绍。

2 基坑支护方案选型

2.1 支护方案选型

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）要求，并且参考国内该类基坑工程的成功施工经验，考虑采用以下施工方案：⑴锦绣大道站－紫云路站区间（K20+497.401～K20+800）：东侧放坡开挖、西侧围护桩及锚杆，锦绣大道站－紫云路站区间（K20+800～K21+500）：东西两侧采用围护桩及锚杆，锦绣大道站－紫云路站区间（K21+500～K21+853）：东侧放坡开挖、西侧围护桩及锚杆。⑵紫云路站－中山路站区间（K22+018.3～K22+867.8）：东侧放坡开挖、西侧围护桩及锚杆。

其中，钢筋混凝土桩采用C30钻孔桩，直径0.8 m，间距1.0 m，按照计算配筋，桩长根据基坑深度确定。桩顶部设置通长的冠梁，采用构造配筋。锚杆采用1根φ32 mmHRB400钢筋，第1、2道锚杆自由段长度6.0 m，锚固段长度15.0 m；第3道锚杆自由段长度6.0 m，锚固段长度25.0 m。

2.2 计算内容与要点

主要计算内容包括：支护结构（钻孔灌注桩）内力变形计算；锚杆计算；钢围檩计算；支护结构（钻孔灌注桩）配筋计算；整体稳定性计算；抗倾覆计算；抗隆起计算；抗突涌计算；抗渗流稳定性计算；地表沉降计算。对于《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）中没有的计算内容，参考《上海市基坑工程设计规程》（DBJ08-61-97）作补充计算。

由于基坑一侧的道路需要运行，因此考虑车道荷载（10.0 kPa）及施工荷载（4.0 kPa）。支护结构（钻孔灌注桩）内力变形计算，考虑以下7种工况（以3道锚杆为例）：开挖至4.0 m、安装第1道锚杆、开挖至7.5 m、安装第2道锚杆、开挖至11.0 m、安装第3道锚杆、开挖至基底14.0 m，并采用水土合算的方法计算土压力。

锚杆计算时，其水平夹角采用15°，自由段长度依据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）确定，锚固段长度依据计算值确定。实际采用的参数是：单孔，孔径150 mm；锚杆采用1根φ32 mmHRB400钢筋；第1、2、3道锚杆自由段长度6.0 m，第1、2道锚杆的锚固段长度15.0 m，第3道锚杆的锚固段长度25.0 m；锚杆间距1.0 m。钢围檩（连续梁）近似按照简支梁计算，支护结构（钻孔灌注桩）根据《混凝土结构设计规范》（GB50010－2002）计算配筋。其余计算内容：整体稳定性根据是否考虑锚杆作用分别计算，抗倾覆计算和抗隆起参照《上海市基坑工程设计规程》（DBJ08-61-97）计算，抗渗流稳定性和抗突涌计算，地表沉降计算等，均符合规范要求。

按照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）要求，需要进行锚杆试验，以检验锚杆受力的可靠性。试验结果表明，锚固体的受力可以满足计算要求，为变更施工方案提供了条件。

为保证围护桩之间的土体稳定性，采用钢筋网片及喷射混凝土，钢筋网片与围护桩内钢筋相互连接。围护桩顶部的土体采用硬化及排水沟等措施，防止雨水侵入桩后土体内。施工中锚杆上方严禁挖土，以保证锚杆的覆土厚度满足要求；同时，在基坑顶部，两倍基坑深度范围内禁止堆积土体或其他重物，以防产生额外荷载。

放坡开挖段采用坡度1：1，并设置1 m宽的工作平台。考虑到施工时间较长，为防止雨水冲刷坡面，采用土钉固定的钢筋网及喷浆护面，分段设置。

经计算，拟采用的放坡开挖、围护桩及锚杆支护方案在技术上是可行的。

3 经济分析

方案优化前后，施工项目发生增减，并由此引起单价发生相应变化。优化前后施工项目、数量、单价及最终成本分析详见表1。根据成本发生变化的因素，可分为以下三种类型。

表1 成本分析对照表

⑴优化后项目增加。锚杆及钢围檩共增加成本834.9万元。

⑵优化后项目取消。钢支撑取消后节约成本1 122.2万元。

⑶优化后项目数量增加或减少。钻孔桩及冠梁工程量减少，节约成本1 135.9万元。基坑挖土工程量增加165 000 m3，但同时因取消钢支撑，工作面变宽，土方开挖工效提高，土方开挖单价由原先8元/m3降低为3元/m3，土方施工费用节约成本80.5万元。喷混凝土工程量增加2416 m3，因喷射混凝土施工工艺由全部垂直喷射改为部分倾斜喷射，其单价由原先995.41元/m3降低为969.58元/m3，增加施工成本230.4万元。

根据上述分析，方案优化后施工成本共节约1273.2905万元。可以看出对成本优化贡献最大的为钻孔桩工程数量减少，其次为钢支撑取消，再次为挖方单价降低。

4 结束语

按照优化后的施工方案，该基坑工程已顺利竣工。现场监测结果表明，支护结构的变形与应力、土压力、地表沉降等各项参数满足《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－99）要求。

通过该基坑工程的支护方案选型，表明施工图审核和现场调研对于合理选择施工方案是关键的第一步，同时参考类似工程经验、选择合理技术参数也是非常重要的环节。因地制宜，加强基坑监测，即时反馈、分析监测数据，合理组织，保证了施工安全、实现了工程创效。