花岗岩地层深基坑支护方案优化设计研究

危俊鑫，吴能森，施静怡，郑建荣，陈兆辉

(福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350108)

基坑工程具有不确定性、突发性和延续性[1-4]，城市地铁深基坑施工条件复杂，具有“深、大、紧、近”的特点，受设计、施工与场地环境等多方面内外因素的影响，因此针对不同条件的基坑工程，应因地制宜地采用不同的设计方案、施工方法和监测措施，确保其施工的安全性、经济性和适用性[5-10]。

厦门地区花岗岩地层分布广泛[11]，加上土地资源极为有限，城市建设的建筑密度高，地下各种管线星罗棋布、错综复杂，因此在厦门市进行地铁建设，其车站深基坑工程会遇到与其他城市不同的工程地质和环境岩土问题。本文以厦门市某地铁深基坑工程设计为例，在分析原设计方案存在问题与不足的基础上，提出针对性的优化设计方案，并利用Midas XD有限元软件和修正Mohr-Coulomb模型进行数值模拟，通过内力位移计算及结构构件设计，表明优化方案不仅技术可行，经济合理，而且能够很好地满足建筑红线条件，有效地降低施工安全和工程质量风险，缩短施工工期。同时，通过该优化设计方案研究，以期为厦门市及其他花岗岩地区类似基坑工程的设计与施工提供有益借鉴。

1 工程概况

1.1 地质概况

场地属低山丘陵区，地形较平坦，地面高程19.1～39.2 m。场地范围内覆盖层主要为第四系人工填土层(Qs)、第四系残积土层(Qel)；下伏基岩主要为燕山晚期侵入岩—中粗粒花岗岩(γ)，其中不均匀穿插辉绿岩脉(γδ)，受区域地质构造和风化作用，岩石风化不均匀，中等～微风化基岩面起伏较大，场地内各主要岩土层的物理力学指标设计值见表1。地下水较丰富，按赋存介质可分为三类：赋存于第四系填土层中的松散岩类孔隙水，赋存于残积层及全、强风化带中的风化残积孔隙裂隙水，赋存于基岩强风化带以下的基岩裂隙水。拟建地铁车站底板主要位于微风化花岗岩中，局部位于碎裂状强风化花岗岩中。

表1 主要岩土层物理力学指标设计值

1.2 原设计方案

该地铁车站位于厦门市湖里区，主体结构为三层双柱三跨框架结构，呈南北走向，基坑开挖深度21.9 m，开挖宽度21.3～30.3 m，基坑围护结构采用排桩(吊脚桩)+局部内支撑+锁脚锚索或岩石锚杆的围护支撑体系，基坑中间设置临时立柱，临时立柱为500 mm×500 mm钢格构柱，基础采用ø1 000的钻孔灌注桩。基坑内部支撑系统由冠梁、钢支撑、砼撑、钢腰梁或混凝土腰梁等组成。由于岩面起伏较大，北端内支撑体系采用三道混凝土支撑，其他地段采用一道混凝土支撑+一道或者两道钢管支撑，局部内支撑体系仅采用一道混凝土支撑，斜撑采用钢筋混凝土支撑。第一道支撑支顶在冠梁上，其余均支顶在钢腰梁或混凝土腰梁上。冠梁尺寸为1.4 m×2 m、1.4 m×1.6 m、1.0 m×1.2 m、0.8 m×1.0 m；第一、二道混凝土撑尺寸为0.8 m×1.0 m、0.7 m×1.4 m，第三道混凝土撑尺寸为1.0 m×1.0 m，混凝土腰梁为1.0 m×1.0 m，中间混凝土连系梁均为0.6 m×0.6 m；钢管支撑为Φ609 mm钢管，纵向水平间距为3 m、2.5 m；钢围檩采用双拼45c工字钢。

该车站处于城市繁华地段，周边紧邻建筑物，且地下管线密布，原设计方案采用锚索(杆)作为外支撑，存在以下问题与不足：其一是导致施工范围必然超出建筑红线；其二是锚索(杆)施工时可能会触碰管线，增加了施工过程中的安全风险；其三是锚索(杆)的施工质量较难控制，增加了施工过程中的质量风险，且往往需要较长的工期。

图1 基坑支护剖面示意图

1.3 优化设计方案

针对原设计方案存在的问题与不足，综合考虑场地条件制约和施工的安全性、经济性、施工工期等因素，提出如下优化设计方案：(1)将ø1 000排桩改为800 mm厚地下连续墙，同时在基坑的东西两端增设地连墙，保证基坑围护结构整体刚度；(2)将锁脚锚索(杆)外支撑改为三道满布钢管预应力内支撑。其余构件尺寸及布置形式均与原方案相同。优化后的设计方案为：地下连续墙(800 mm)+满布内支撑(第一道混凝土支撑，第二、三、四道采用Φ609 mm钢管支撑，预应力1 200 kN)体系，地连墙嵌固深度为6.2 m。优化设计方案的基坑支护剖面、平面示意图分别见图1、图2。

(a)第一道混凝土支撑平面布置图

(b)第二道钢支撑平面布置图

2 优化方案结构设计

2.1 内力位移计算

本工程基坑安全等级一级，基坑重要性系数为1.1，依据设计规程[12]采用弹性支点法进行分析计算，建立基坑三维有限元模型(图3)，采用Midas XD软件对基坑开挖全过程按以下施工工况进行模拟分析：①开挖至1.9 m，②在1.4 m处生成第一道混凝土支撑，③开挖至8.9 m，④在8.4 m处生成第二道钢支撑，⑤开挖至14.8 m，⑥在14.3 m处生成第三道钢支撑，⑦开挖至21.5 m，⑧在21 m处生成第四道钢支撑，⑨开挖至21.9m，⑩在21.4 m处回筑1.2 m厚第三层底板，拆21 m处第四道钢支撑，在16.65 m处回筑0.4 m厚第二层楼板，拆14.3m处第三道钢支撑，在10.27 m回筑0.4 m厚第一层楼板，拆8.4 m处第二道钢支撑，在3.28 m处回筑0.9 m厚顶板。初始地下水位设置在天然地面以下3.6 m处。其中基坑外侧地表附加荷载取20 kN/m2。混凝土内支撑的材料抗力为10 010 kN，钢支撑的材料抗力为3 806.7 kN。

图3 基坑主体结构三维模型

经计算分析，得到各工况下围护墙体和内支撑的内力、位移以及土压力，其中具有代表性的主要施工工况的计算结果见图4、图5和表2。

图4 工况3(开挖至8.9 m)内力及位移图

图5 工况9(开挖至21.9 m)内力及位移图

表2 主要施工工况的内力与位移值

2.2 构件设计与验算

根据内支撑计算内力，经强度、刚度、稳定性验算，均满足结构设计规范要求，围护墙体的最大位移在20 mm以内，满足一级基坑设计要求。

根据地下连续墙内力计算结果进行配筋设计，采用均匀配筋方式，混凝土保护层厚度为50 mm，墙体竖向钢筋配置结果见表3。

表3 地下连续墙竖向钢筋配置

经统计，两个设计方案的主要材料用量对比情况见表4。由表4可知优化方案的混凝土、钢材和钢筋的用量都高于原方案，但比原方案节省了大量的锚索和锚杆，经设计预算，两个方案的总造价相当，也就是说，在不增加工程造价的前提下，经过设计方案优化，不仅满足了建筑红线的限制要求，而且可以降低施工安全风险和工程质量风险，有利于缩短施工工期。

表4 主要材料用量对比

2.3 稳定性验算

按规范[12]要求对优化设计方案进行了抗滑动稳定性、抗倾覆稳定性、坑底抗隆起稳定及隆起量、承压地下水的抗突涌稳定性验算。抗滑动稳定性采用瑞典条分法，取受力最不利的北侧中间C断面进行分析，取最不利工况(拆第二道钢支撑)和工况(施作顶板)进行验算，得到的最小抗滑动安全系数Ks=4.64>[Ks]=1.35；抗倾覆稳定性取最不利工况⑦进行验算，得到抗倾覆安全系数Kt=44.61>[Kt]=1.25，满足设计要求；坑底抗隆起稳定安全系数为Kb=14.96>[Kb]=1.8，坑底隆起量的计算值为9.31 mm；承压地下水的抗突涌稳定安全系数为Kh=1.75>[Kh]=1.1。可见优化设计方案的各项稳定性指标均能很好地满足规范及设计要求。

3 结语

厦门地区花岗岩地层分布广泛，城市土地资源紧缺，市区的建筑密度高，建筑红线限制严格，因此厦门地铁车站深基坑工程设计施工具有自身的工程地质特点，且环境的限制条件更严格。对限制严格的建筑红线条件，其围护结构宜采用内支撑来维持稳定；对临近高层建筑多的环境条件，宜采用刚度大、控制变形能力强的地下连续墙作为围护结构，且地下连续墙在花岗岩地层中施工简便易行。结果表明：地连墙+组合内支撑的支护结构体系具有良好的合理性、经济性和适用性，能很好地解决建筑红线问题，有效地降低施工安全风险和工程质量风险，有利于缩短施工工期，适用于厦门地区及其他花岗岩分布广泛的区域，可为花岗岩地区深基坑设计与施工提供有益的借鉴。