地鐵基坑支護結(jié)構(gòu)計算與分析

　　摘要：以北京地鐵9 號線科怡路站3 號出入口基坑支護設計方案為例，介紹土釘墻支護、鉆孔灌注樁支護結(jié)構(gòu)設計的過程和方法。 

　　關鍵詞：基坑支護 土釘墻 鉆孔 灌注樁 啟明星

　　1 工程概況

　　擬建北京地鐵九號線位于北京城西部，呈南北走向，全線均為地下線，全長約16.5km，共設14 座車站。其中科怡路站共設有四個出入口和兩個風道，車站平面布置圖見圖1。結(jié)構(gòu)主體采用明挖順做，基坑開挖最深處約為13m，屬于深基坑開挖。潛水靜止穩(wěn)定水位標高位于結(jié)構(gòu)底板之下，基坑開挖不考慮基坑降水。3 號出入口和2 號風道位于車站主體東北角，2 號風道距離東側(cè)四層樓房約8.9m，距離北側(cè)電信出局管線約5.07m，其施工場地北、東兩側(cè)較狹窄，南、西兩側(cè)較寬闊。

　　基坑3 號出入口坑深9.9m，南側(cè)場地較為開闊，初步考慮采用土釘支護的方式，放坡70°，土釘共8 排，梅花形布置，水平豎向間距1.2m，與水平面夾角15°，上三排8m，下五排6m。土釘材料采用φ22 鋼筋，土釘表面采用100mm 混凝土噴層，噴層布置φ8@150mm×150mm 鋼筋網(wǎng)。

　　2號風道北側(cè)基坑較深，約為12.5m，由于臨近有管溝和建筑物，基坑只能設計為直立邊坡，采用鉆孔灌注樁加錨桿形式進行支護。鉆孔灌注樁直徑0.8m，錨固深度3.5m，沿基坑東側(cè)北側(cè)水平間距均為1.6m。錨桿一端在樁上，另一端錨入土體，豎向間距4.5m，每根樁上共兩道。錨桿采用6φ12.7 鋼絞線，長度均為20m，其中錨固段15m，傾角20°。

　　基坑中心緩坡上部無地面超載，且高度不大，緩坡開挖坡度1∶0.75，表面網(wǎng)噴80mmC20 混凝土。

　　2號風道及3 號出入口基坑支護典型剖面圖見圖2。

　　2 支護結(jié)構(gòu)設計

　　2.1 土釘墻支護設計[Page] 

　　計算采用啟明星深基坑支護設計軟件進行。計算時考慮地面超載20kPa。施工工序為每次開挖深度1.2m 后加一次土釘，土釘距坑底0.2m。計算將每道施工步序作為一種獨立靜止狀態(tài)，按一種工況計算，計算工況參數(shù)詳見表1。

　　計算時需保證每種工況下土釘承受荷載Tjk 小于土釘承載力Tuj 和土釘材料抗拉強度Tg，即Tuj/Tjk＞K，Tg/Tjk＞K（本工程土釘安全系數(shù)K 取1.25）。Tuj 指土釘整體不被拔出的極限，與土壓力、土釘長度等因素有關；Tg 指土釘材料（鋼筋）不被拉斷的極限，與鋼筋直徑根數(shù)等有關。上述值由程序根據(jù)參數(shù)自動計算。有時會出現(xiàn)最后一工況滿足Tuj/Tjk＞K，但中間工況不滿足的情況，此時可調(diào)整土釘長度重新計算，直到每一工況都滿足要求為止。

　　2009 年第3 期黃 河 規(guī) 劃 設 計總第149 期何楠等：地鐵基坑支護結(jié)構(gòu)計算與分析 經(jīng)計算，結(jié)果如下：

　　每種工況每排土釘均Tuj/Tjk＞1.25，Tg/Tjk＞1.25。其中最后一工況土釘承載力見表2

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　　除此以外還要對土釘墻整體進行穩(wěn)定驗算，整體抗傾覆/抗滑移驗算。整體穩(wěn)定驗算采用傳統(tǒng)的圓弧滑裂面條分法。整體抗傾覆/抗滑移驗算與重力式擋土墻穩(wěn)定計算類似，將土釘錨固的土體作為重力式擋土墻，最下排土釘末端作為模擬墻體的角點。

　　程序須選擇以常數(shù)法或m 值法計算?！癿 值”指土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)（MN/m4），“常數(shù)”指土體水平彈簧系數(shù)k（MN/m3）。選用哪種方法計算，應結(jié)合地質(zhì)資料以及經(jīng)驗綜合選擇，本工程結(jié)合地質(zhì)資料，采用m 值法計算。程序提供由c、φ值估算m 值的公式，此公式需要結(jié)果位移參數(shù)，可采用試算法假定結(jié)果位移進行試算，根據(jù)試算結(jié)果調(diào)整m 值重新計算。

　　為了控制樁體側(cè)向位移需要對錨桿預加軸力，《建筑基坑支護技術規(guī)程》規(guī)定宜取為錨桿軸向受拉承載力設計的0.5~0.65倍。計算時先不施加預加軸力，試算求得錨桿拉力，以此拉力值的一半作為預加軸力再次試算，試算兩到三次即可滿足要求。根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》要求，以其附錄建議公式進行計算，結(jié)果如下：

整體穩(wěn)定驗算：K=1.41

墻底抗隆起驗算：Prandtl 法，K=7.47

Terzaghi 法，K=9.31

坑底抗隆起驗算：K=1.95

抗傾覆驗算（水土合算）：K=3.55

　　根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》式5.4.1 整體穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.2，式V.0.1 墻底抗隆起安全系數(shù)K=1.6，式T.0.1 抗傾覆安全系數(shù)K=1.3，因此鉆孔灌注樁各項穩(wěn)定計算滿足規(guī)范要求。

　　程序生成樁體內(nèi)力包絡圖見圖3。根據(jù)內(nèi)力包絡圖，求得鉆孔灌注樁最終配鋼筋1822，箍筋φ16＠150。經(jīng)過計算可知，基坑支護設計滿足要求。

　　2號風道東側(cè)基坑為13.3m，設計沿用上述樁體加錨桿的形式，僅將樁體錨固深度調(diào)整為 3.65m，第一排錨桿長調(diào)整為23m，其中錨固段18m。經(jīng)過計算，邊坡穩(wěn)定滿足要求，計算過程不再詳述。

　　3 結(jié)論

　　(1)基坑南側(cè)9.9m 斜坡采用土釘墻支護，北側(cè)12.5m 直立坡采用鉆孔灌注樁加錨桿支護，中部緩坡采用噴混凝土支護，布置滿足場地要求，方案合理可行。

　　(2)計算結(jié)果表明，加固后的土釘墻整體穩(wěn)定、抗滑抗傾覆安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。鉆孔灌注樁整體穩(wěn)定、墻底坑底抗隆起、抗傾覆安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，灌注樁上部最大水平位移17.1mm，工程設計安全可靠。

　　(3)根據(jù)錨桿從計算公式看出，錨桿越短對控制樁體位移越有利，但影響幅度很小。錨桿長度可根據(jù)拉拔試驗或經(jīng)驗確定，當計算位移值超出允許值時，宜通過改變錨桿位置、排數(shù)、增加預加力等方式調(diào)整，不宜通過改變錨桿長度調(diào)整。