深基坑围护结构选型与设计分析

刘 志

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着国内地铁建设的快速发展，涌现出越来越多的车站明挖基坑，明挖法也是地铁车站基坑开挖比较常用的施工方法之一[1]。在进行明挖基坑设计时，首要的任务就是根据工程场地的地质水文、建筑物分布及周边管线等工程环境，进行围护结构选型和支护结构的设计[2]。本文以某地铁车站主体基坑的围护结构设计为背景，对深基坑设计过程中的围护结构选型和设计进行分析和研究，为以后类似的基坑工程设计提供参考。

1 工程概况

本文基坑所在的车站为线路中间站，车站主体为地下2 层结构，采用通道换乘形式与远期线路交叉，车站两侧共设置3 个出入口和2 个风亭。车站基坑总长度为212.6 m，宽20.2 m（盾构井段宽24.5 m），结构顶板覆土厚度约为3.0 m，底板埋深为17.1～18.7 m，采用明挖顺作法施工。

设计主体基坑位于规划道路的十字路口交叉处，主体基坑呈南北向布置，跨路口布置于道路西侧。主体基坑西北侧为待建住宅小区，西南侧为空地，东北侧空地有几处待拆迁废弃温室大棚，东南侧为待建商业中心地块。基坑平面布置见图1。

2 基坑围护形式设计

2.1 车站施工方法比选

图1 车站主体基坑平面布置图

目前，国内进行车站基坑开挖的主要方法有：明挖顺作法、盖挖顺作法和盖挖逆作法等，对于场地环境较为复杂的车站还会进行分段采用盖挖和明挖组合的方法进行开挖。本基坑周边建筑物较少，且远离市区，周边交通压力小，地下管线具备一定的迁移条件，从安全、经济、快速的角度，车站优先采用明挖顺作法施工。

2.2 围护结构材料

根据地质勘察报告，场地水土腐蚀性评价结论主要为：地下水主要通过SO42-离子对混凝土产生微腐蚀性，通过Cl-离子对钢筋产生中腐蚀性；场地土主要通过SO42-离子对混凝土产生微腐蚀性，通过Cl-离子对钢筋产生微腐蚀性。

通过技术经济比选并参照勘察报告结论，围护钻孔灌注桩采用的混凝土等级为C35，抗渗等级采用P8，钻孔桩钢筋保护层厚度为70 mm，钢筋等级采用HRB400 级（后期有截断时采用玻璃纤维筋替代），钢支撑、钢板、型钢采用Q235-B 级钢。

2.3 围护形式选择

基坑西南和东北象限均有待施工项目，场地地下水位较高，且基坑周边市政管线较多，开挖采用放坡开挖比较困难。考虑到基坑周边无重要建筑物，对开挖变形要求可适当降低，本站围护采用排桩支护，并随基坑开挖采取适当的降水措施。

本文基坑围护采用的排桩为φ1.0 m@1.3 m 的钻孔灌注桩，并在排桩结构外围采用φ0.85 m@0.6 m的三轴搅拌桩作为止水帷幕结构。围护结构桩长范围在24.5～28.5 m 之间，围护桩插入比参照工程类比及计算结果确定，插入比控制范围为0.45～0.5。

3 基坑内支撑系统设计

3.1 内支撑形式选择

基坑开挖影响范围内的土层主要为砂土或黏土，场地地下水位高，围护侧压力大，经过计算并结合工程全线车站基坑统筹安排，采用φ0.8 m 钢管撑作为主体基坑围护支撑比较合理。车站盾构井部分受力情况复杂，计算过程中第一道支撑可能出现受拉情况，结合施工经验和受力计算，盾构井部分基坑支护第一道支撑局部采用矩形钢筋混凝土支撑（断面尺寸0.8 m×1.0 m）的形式。第一道支撑通过冠梁与围护桩联结以形成整体，其他支撑通过腰梁与围护结构联结。

3.2 内支撑平面布置

支撑结构平面布置要根据内力计算、柱子等其他结构位置、施工机具尺寸、施工组织安排等综合考虑，本次设计钢管支撑在平面方向一般按照3 m 一道进行布置（第一道支撑横向间距为6 m），支撑布置时尽可能使第一道支撑与其他各道支撑在竖向重合以利于施工期出土，并尽量避开柱子等其他结构。围护桩及支撑布置情况见图2。

图2 围护结构平面布置图

3.3 内支撑竖向布置

3.3.1 基坑安全等级及计算主要标准

对基坑开挖变形及相关稳定性的要求等均按照一级基坑标准进行设计，地表最大沉降量小于等于0.15%H，支护结构最大水平位移小于等于0.2%H，且小于等于30 mm；结构重要性系数为1.1；荷载分项系数为1.25。

3.3.2 支撑系统竖向布置

根据工程经验类比及设计计算结果，为保证基坑结构的稳定和安全，本次设计采用3 或4 道钢管支撑（第一道支撑局部采用混凝土支撑）+1 道钢管倒撑的形式，支撑竖向间距由支撑轴力计算结果及施工步序影响综合确定。支撑竖向断面布置见图3、图4。

图3 断面布置图

图4 断面布置图

3.3.3 围护结构内力计算

基坑开挖范围内的土层主要为第四系全新统、上更新统人工填土层或冲、洪积层（含粉质黏土、黏质粉土、粉细砂和中砂等）。地下水类型主要为松散层浅层孔隙潜水，地下水埋深浅，受降水和人类活动影响较大。采用地面高程作为设计水位。

基坑外侧土压力采用朗肯土压力理论计算，土层参数根据地质勘察结果综合确定，开挖面以下用弹簧模拟地层水平抗力。围护结构计算根据先开挖后支撑的实际情况，分各个阶段进行计算。典型断面的围护桩内力变形计算结果见图5。

图5 典型断面的围护桩内力图

4 基坑抗浮及抗突涌稳定性分析

4.1 设计概况

根据相邻车站降水试验结果及相关工程经验，基坑降水采用坑内降水，围护结构采用三轴搅拌桩作为止水形式。结合结构抗浮计算分析结果，设计对围护结构布置进行了调整，并对降水过程中的抗突涌稳定性进行了分析。

4.2 基坑抗浮设计

4.2.1 抗浮设计

结构抗浮计算主要分自重计算、浮力计算、抗浮桩抗力计算3 个部分。其中，自重部分应综合考虑车站结构各层板自重、梁柱及侧墙自重、顶板上覆土自重和围护桩自重等，当计入围护桩摩阻力时，安全系数由1.05 增加至1.1。当计算安全系数不满足要求时，采取增加抗浮措施的方法，直至计算安全系数满足为止。

4.2.2 抗浮措施

本次基坑设计过程中，除盾构井部分基坑采用抗浮桩参与抗浮外，其他部分采用借助围护桩参与抗浮计算的措施；围护桩和主体结构的联结设计采用压底梁或压顶梁的形式；通道换乘部分考虑远期下穿造成桩截断影响，综合采用压底梁和趾板外扩部分回填土的措施。

4.3 抗突涌稳定性分析

4.3.1 抗突涌设计

当基坑底部土层具有承压性时，应考虑对基坑进行抗突涌稳定性分析，基坑开挖至主体结构施作完成的每一个工况均应进行抗突涌稳定性计算，抗突涌稳定条件为承压水层顶面以上土层及结构物的自重压力大于承压水头对承压水层顶面造成的顶托力，并具有一定的安全储备，安全系数Fs一般取1.1。

4.3.2 抗突涌设计计算

根据抽水试验结果，坑底下粉细砂层有承压性。取底板施工完成时为例进行简要分析，主要计算参数有：承压水土层顶埋深29.74 m，承压水水位埋深5.6 m；基坑开挖深度18.81 m；土层重度19.7 N/m3，混凝土重度25 N/m3；基坑底板厚度1 m，垫层厚0.2 m，计算示意图见图6。

上浮土及结构物自重力：

图6 抗突涌稳定性验算示意图

Ps=1.2×25+(29.74-18.81)×19.7=245.3 N/m2，

承压水顶托力：

Pw=(29.74-5.6)×10=241.4 N/m2，

抗突涌安全系数：

Fs=Ps/Pw=245.3/241.4=1.02＜1.1.

通过计算分析，基坑抗突涌尚不满足要求，经综合分析论证，该工况应继续施作部分结构后调整基坑降水措施。

5 结语

a）基坑设计应以地质勘察资料为主要依据，立足工程地质和场地环境条件，具体问题具体分析，进行精心设计。

b）基坑围护设计后续应密切关注施工实际，根据现场施工情况、开挖显示地质情况、监测数据等反馈结果进行设计调整。

c）基坑开挖影响范围内有建筑物、地下管线、地下构筑物等时，变形测量控制值应按不影响其正常使用要求确定，并应符合相关规范及标准的要求。