廣州地鐵二號(hào)線江南西站南站廳基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要; 介紹基坑工程中組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法
在基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，當(dāng)采用單一支護(hù)結(jié)構(gòu)體系不能滿(mǎn)足基坑支護(hù)的安全、經(jīng)濟(jì)及工期要求時(shí)，可考慮在同一基坑中采用兩種或兩種以上不同支護(hù)型式的組合式支護(hù)體系，如在基坑工程中經(jīng)常采用的上部放坡或土釘墻+下部樁墻、上部樁墻+下部錨噴支護(hù)等。在廣州地鐵二號(hào)線江南西站南站廳基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)合場(chǎng)地基巖面較高、起伏大的實(shí)際情況，在南站廳圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了上部排樁+下部錨噴支護(hù)的階梯型組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，本文介紹了此類(lèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法以供探討。
一、概 述
廣州地鐵二號(hào)線江南西站位于江南大道與江南西路交叉路口以北的江南大道下，車(chē)站全長(zhǎng)180.7m，呈南北走向。采用了站臺(tái)與站廳分離布置的方式，站臺(tái)層由兩個(gè)礦山法施工的單跨單層馬蹄形隧道組成，左右線間距28.2m，站廳及設(shè)備用房位于車(chē)站南北兩端，為地下三層框架結(jié)構(gòu)，南、北兩個(gè)站廳規(guī)模相當(dāng)，基坑開(kāi)挖尺寸分別為51.3x18.2m、52.5x19.2m，基坑底面埋深24m。
車(chē)站所在路口西北角為二十層南海石油大廈，其北為高層住宅和南豐商場(chǎng)，東北角為多層住宅和鄰街商業(yè)。沿江南西路南側(cè)是海珠涌。由于江南大道為城市南北主干道，站址地面交通繁忙，為確保交通暢通，采用蓋挖順作法施工。其作業(yè)順序是：先后分三次倒邊作好外圍結(jié)構(gòu)，架設(shè)軍用梁及路面蓋板覆蓋路面，之后恢復(fù)地面交通，在臨時(shí)路面下方順序進(jìn)行土方開(kāi)挖及車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的作業(yè)。
雖然南、北站廳的基坑規(guī)模、形式相同，但由于場(chǎng)地地層起伏較大，南站廳所處東湖段地層強(qiáng)風(fēng)化帶頂面埋深較淺，埋深只有8.3m~13.6m，北站廳所處西濠段地層強(qiáng)風(fēng)化帶頂面埋深較深，為26.6m~27.5m。針對(duì)不同的工程地質(zhì)條件，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中因地制宜，分別采用了不同的支護(hù)形式。北站廳風(fēng)化帶埋深較深，采用直徑1.4m、間距1.6m的排樁支護(hù)，南站廳風(fēng)化帶頂面埋深較淺，采用上部直徑1.2m、間距1.5m排樁+下部錨噴的階梯型組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)。
二、地質(zhì)概況
（一）地貌、地層
場(chǎng)地原始地貌為殘丘和平緩坡地，后經(jīng)填筑平整為寬闊街道，車(chē)站南端臨海珠涌，地表普遍為厚0.2m的水泥路面。本站場(chǎng)屬白堊系紅砂巖地層，基巖主要為泥質(zhì)粉砂巖，局部為泥巖、泥灰?guī)r。基巖面起伏較大，南段東湖段地層強(qiáng)風(fēng)化帶頂面埋深8.3m~13.6m，北段西濠段地層強(qiáng)風(fēng)化帶頂面埋深26.6m~27.5m。兩巖段強(qiáng)度差異大，其中東湖段地層巖石較軟，西濠段地層含鈣質(zhì)較多，強(qiáng)度相對(duì)較高。場(chǎng)區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶，巖石裂隙不發(fā)育。
（二）工程地質(zhì)分層
（1）人工填土：主要為雜填土，層厚1.0~7.2m之間,較常見(jiàn)為2.5~4.0m。
（2-2）淤泥層:為灰黑色淤泥質(zhì)土,土質(zhì)較均勻細(xì)膩,粘性強(qiáng),下部常有粉細(xì)砂,主要分布在海珠涌及其兩側(cè)附近。
（4-1）沖積粘性土層：紅白色粉質(zhì)粘土，軟~可塑。層厚0.5~9.5m，頂面埋深1.0~5.9m。
（4-2）沖積砂層：灰~灰白含粗砂、礫砂、中細(xì)砂。層厚0.5~1.6m，頂面埋深5.0~7.1m。
（5-1）殘積可塑土層：棕紅色粉土、粉質(zhì)粘土，可塑，砂質(zhì)含量高，風(fēng)化透徹。層厚0.9~14.1m，頂面埋深1.7~10.5m。
（5-2）殘積土硬塑層：為紫紅~灰色粉質(zhì)粘土、粘土，粘性差，硬塑。層厚0.5~7.6m，頂面埋深5.1~20.3m。
（6）全風(fēng)化帶：全風(fēng)化泥巖、粉細(xì)砂巖、砂巖、砂礫巖。原巖礦物大多風(fēng)化成土。層厚0.5~8.2m，頂面埋深7~23.5m。
（7）強(qiáng)風(fēng)化帶：強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖。場(chǎng)區(qū)普遍分布，層厚1.2~23.5m，一般厚度為1.4~4m。頂面埋深6.4~27.5m。
（8）中風(fēng)化帶：中風(fēng)化泥巖、砂巖、泥灰?guī)r。巖石裂隙不發(fā)育，完整性較好，較硬。本層分布廣，厚度變化大。層厚2.0~17.6m，頂面埋深7.7~31.5m。
（9）微風(fēng)化帶：微風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、泥巖、泥灰?guī)r。巖石完整性好。層頂面埋深17.5~34.5m。
本工程場(chǎng)地基巖強(qiáng)風(fēng)化巖風(fēng)化裂隙發(fā)育，但延伸短，產(chǎn)狀雜亂，裂隙面多有泥質(zhì)、鈣質(zhì)充填及鐵銹質(zhì)渲染；中~微風(fēng)化巖石裂隙較發(fā)育，主要為傾角5°~30°的緩傾角裂隙，少量中等及陡傾角裂隙，裂隙面多充填鈣質(zhì)薄膜，沿裂隙面巖層易開(kāi)裂成塊狀。巖層產(chǎn)狀受珠江向斜構(gòu)造的控制，巖層往北傾斜，傾角5°~35°。
（三）水文地質(zhì)
地下水有孔隙水和裂隙水 兩種。孔隙水主要儲(chǔ)存于第四系地層中。土層透水性差，富水性差，水量較貧。地下穩(wěn)定水位埋深為2.2~6.0m。基巖裂隙水貧乏。地下水對(duì)砼無(wú)侵蝕性。
（四）工程地質(zhì)評(píng)價(jià)
本站場(chǎng)地質(zhì)條件簡(jiǎn)單~較簡(jiǎn)單。
各土層物理力學(xué)指標(biāo)
三、車(chē)站南站廳基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案
南站廳圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)于中風(fēng)化巖層以上的上覆土層，圍護(hù)結(jié)構(gòu)由排樁及鋼支撐組成，下部的中風(fēng)化巖層邊坡采用錨噴支護(hù)。
車(chē)站位于交通繁忙的江南大道下方，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工要盡可能減小對(duì)地面交通及環(huán)境的干擾。根據(jù)廣州地區(qū)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，人工挖孔樁具有剛度大、布置靈活、施工器具簡(jiǎn)單、占地面積小、噪音及費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，因此站廳基坑排樁采用人工挖孔灌注樁。排樁樁徑1.2m，護(hù)壁厚0.15m，樁間距1.5m，樁身插入中風(fēng)化巖2m。根據(jù)排樁圍護(hù)的基坑深度，分別設(shè)置2~4道Φ600鋼管支撐，鋼管壁厚14mm。由于上覆土層中有淤泥及細(xì)砂層，地下水與海珠涌相聯(lián)系，因此在排樁外側(cè)設(shè)置一道定噴（擺噴）樁，起到基坑外止水帷幕的作用。
下部基坑的錨噴支護(hù)由系統(tǒng)錨桿及噴射混凝土組成。系統(tǒng)錨桿采用φ22@1.5mx1.5m的
水泥砂漿錨桿，錨桿長(zhǎng)3m，傾角15°，鉆孔直徑40mm。對(duì)于巖石破碎地段或軟弱夾層及樁前巖石采用5m長(zhǎng)φ22@1.5mx1.5m錨桿進(jìn)行加固。C20噴射混凝土厚度0.15m，鋼筋網(wǎng)采用φ8@200mmx200mm。圍護(hù)樁根部設(shè)置一道4x7φ5間距1.5m的預(yù)應(yīng)力1860級(jí)高強(qiáng)錨索，傾角15°，鉆孔直徑130mm。預(yù)應(yīng)力錨索錨固段長(zhǎng)度12.5m，自由段長(zhǎng)度4m。由于巖石邊坡頂部拉應(yīng)力的存在，頂部易出現(xiàn)拉伸裂隙，因此在樁腳處設(shè)置5m長(zhǎng)φ22@1.5mx1.5m錨桿進(jìn)行加固，以加強(qiáng)巖石邊坡頂部的支護(hù)結(jié)構(gòu)。
四、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要解決的問(wèn)題
階梯型組合支護(hù)結(jié)構(gòu)是在基坑側(cè)壁上、下分別采用不同的支護(hù)型式的結(jié)構(gòu)，各支護(hù)結(jié)構(gòu)分別按單一的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著基坑的開(kāi)挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化，因此上、下部支護(hù)結(jié)構(gòu)單元除了滿(mǎn)足按單一結(jié)構(gòu)作用的條件外，還要考慮各支護(hù)結(jié)構(gòu)單元的相互作用。計(jì)算下部支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載時(shí)，應(yīng)考慮上部支護(hù)結(jié)構(gòu)及后側(cè)土體的超載作用。
（一）排樁入土深度確定
一般支護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度必須滿(mǎn)足墻體抗滑動(dòng)和抗傾覆穩(wěn)定、坑底隆起穩(wěn)定以及坑底抗?jié)B流穩(wěn)定的要求。本工程上部基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式為設(shè)置2～4道支撐的多支點(diǎn)排樁，樁端均插入中風(fēng)化巖層中，基坑底面為厚度較大、較均勻的中風(fēng)化巖層，基坑失穩(wěn)形態(tài)以由于樁底巖體發(fā)生剪切破壞造成基坑整體滑動(dòng)失穩(wěn)為主，因此采用圓弧滑動(dòng)簡(jiǎn)單條分法確定入土深度。
假定基坑失穩(wěn)的滑動(dòng)面為圓柱面，按平面問(wèn)題進(jìn)行分析，將滑動(dòng)面以上土體等分為n個(gè)土條，根據(jù)極限平衡條件求得土體對(duì)滑動(dòng)面原點(diǎn)O的抗滑力矩與下滑力矩，抗滑力矩與下滑力矩之比即為穩(wěn)定安全系數(shù)K。
Wi — 第i土條的重量；
q — 作用于第i土條上的地面超載；
ci ji— 第i土條滑動(dòng)面土層的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角；
θi — 第i土條弧線中點(diǎn)切線與水平面夾角；
li bi — 第i土條的弧長(zhǎng)、寬度。
根據(jù)基坑開(kāi)挖深度、支撐體系、巖層風(fēng)化程度，結(jié)合廣州地區(qū)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，初步擬定排樁嵌入中風(fēng)化層2m，按總應(yīng)力法求得基坑穩(wěn)定安全系數(shù)K如下表：
在軍用梁、臨時(shí)路面、地面超載及樁身自重等豎向荷載作用下，樁底壓應(yīng)力為1038kPa，小于巖石地基允許承載力。為防止樁底泥巖遇水軟化，避免地下水沿樁與巖土的界面滲入樁底，在排樁外側(cè)設(shè)置一道擺噴樁止水帷幕。
（二）排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算
多支點(diǎn)排樁的受力與基坑開(kāi)挖過(guò)程和架設(shè)支撐的時(shí)間、順序有密切關(guān)系，支撐架設(shè)之前排樁已經(jīng)產(chǎn)生了先期位移和內(nèi)力。如采用等值梁法簡(jiǎn)化計(jì)算，其假定條件與排樁在施工過(guò)程中的受力情況不符，因此采用彈性地基梁桿系有限元法，根據(jù)施工順序分階段按增量法原理進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。
取1m寬度支護(hù)結(jié)構(gòu)按平面問(wèn)題分析，排樁在基底以上部分采用梁?jiǎn)卧滓韵虏糠肿鳛槲目死諒椥缘鼗海瑢⒒娱_(kāi)挖面以下土體視為彈性變形介質(zhì)，其水平基床系數(shù)按m法確定，并在計(jì)算中對(duì)土彈簧剛度取值加以限制，最大值不超過(guò)實(shí)際工程勘察結(jié)果。支撐按彈性支座考慮。施工期間排樁背側(cè)的主動(dòng)土壓力按朗金公式計(jì)算，土壓力隨基坑開(kāi)挖深度增加逐漸增加，對(duì)地下水位以下的土體采用總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)水土分算。
根據(jù)實(shí)際施工順序?qū)⒚恳婚_(kāi)挖階段作為計(jì)算工況，每一工況需考慮前后工況土壓力的增加量以及位移增量，當(dāng)前工況下的實(shí)際內(nèi)力和位移為與前幾步工況內(nèi)力和位移增量的累計(jì)值。此種計(jì)算方法反映了土壓力隨基坑開(kāi)挖深度增加逐漸增加的實(shí)際情況，在計(jì)算中計(jì)入結(jié)構(gòu)的先期位移值以及支撐的彈性壓縮，符合先變形、后支撐的實(shí)際施工工況。為減少樁身在
基坑開(kāi)挖期間的位移，對(duì)鋼支撐施加設(shè)計(jì)軸力50%的預(yù)應(yīng)力，在計(jì)算中考慮支撐預(yù)應(yīng)力的作用。
排樁內(nèi)力、位移計(jì)算結(jié)果
整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果
排樁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件按其在施工和使用的不同階段可能出現(xiàn)的最大內(nèi)力進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。內(nèi)力設(shè)計(jì)值按下式確定：
M=1.25γ0Mu
M —— 單樁樁身彎矩設(shè)計(jì)值；
Mu—— 按土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的樁身彎矩標(biāo)準(zhǔn)值；
γ0—— 基坑側(cè)壁重要性系數(shù)。
排樁鋼筋配置按彎矩方向采用沿圓周非均勻布置，將圓截面同剛度等代成矩形截面（b = h = 0.876 d ），按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中矩形截面受彎構(gòu)件承載力公式計(jì)算。如WZ-1樁彎矩設(shè)計(jì)值為1917 kN·m（-995 kN·m），等代成矩形截面按受彎構(gòu)件計(jì)算出受拉鋼筋面積As=6905mm2（As=3376mm2），實(shí)配鋼筋13Φ28（9Φ28），分別在正負(fù)彎矩方向受拉區(qū)（約120°范圍）內(nèi)按計(jì)算結(jié)果布置鋼筋，其余部位按構(gòu)造要求配置鋼筋。
（三）樁前巖體開(kāi)挖后排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)分析
樁前巖體開(kāi)挖后，由于失去被動(dòng)土壓力，結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生變化，因此需對(duì)排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算及穩(wěn)定性分析。
1． 排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算
在原支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上增加錨索的水平支撐力，并去掉被動(dòng)區(qū)水平方向的土彈簧，仍采用增量法計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形。求得錨索最大水平支撐力標(biāo)準(zhǔn)值為280kN/m，并按下式確定錨索錨固段長(zhǎng)度為12.5m。根據(jù)巖體可能發(fā)生的破裂面確定錨索自由段長(zhǎng)度為4m。
N ——錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值；
D —— 錨桿錨固體直徑；
Lm —— 錨固段長(zhǎng)度；
τ —— 巖體與錨固體間極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值
2． 抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算
排樁的抗滑移穩(wěn)定性按下式驗(yàn)算：
G —— 樁身自重
μ——樁底與基巖的摩擦系數(shù)，對(duì)于軟質(zhì)巖石取0.4～0.6
Ti —— 各支點(diǎn)水平力標(biāo)準(zhǔn)值
Eai —— 各土層主動(dòng)土壓力
3． 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算
各土層主動(dòng)土壓力Ea，各支點(diǎn)水平力標(biāo)準(zhǔn)值Ti作用下，對(duì)樁端B點(diǎn)的力矩比需滿(mǎn)足下式：
（四）巖石邊坡穩(wěn)定性分析
根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及支護(hù)形式，本工程巖石邊坡在上覆土層荷載作用下，可能有兩種破壞形式：
一是沿軟弱夾層或結(jié)構(gòu)面控制的可能滑動(dòng)面發(fā)生剪切破壞，滑動(dòng)面以上的巖體沿此平面下滑，造成了邊坡破壞，即平移滑動(dòng)，此種滑坡的特點(diǎn)為滑動(dòng)面為直線或折線形。MBZ3-9地質(zhì)鉆孔顯示，在中風(fēng)化泥巖中，埋深19~19.6m處夾強(qiáng)風(fēng)化巖，巖芯呈碎塊狀，RQD=30%。對(duì)于基坑南側(cè)邊坡，強(qiáng)風(fēng)化巖軟弱夾層外傾，傾角小于坡角，穩(wěn)定性較差，所以該軟弱夾層面為邊坡的危險(xiǎn)滑動(dòng)面。由于排樁除承受水平土壓力外，臨時(shí)路面的豎向荷載通過(guò)排樁傳至基底，造成樁底基巖應(yīng)力集中，在集中豎向荷載作用下可能會(huì)沿基巖結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞。
二是在泥巖這種巖性大致均一的軟質(zhì)巖層中易發(fā)生滑動(dòng)面為圓弧形或近似圓弧形的均質(zhì)滑坡，即旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)。本工程巖石邊坡主要為中風(fēng)化泥巖，巖質(zhì)較軟，易發(fā)生旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)破壞。
因此在巖石邊坡的穩(wěn)定性分析中，需根據(jù)以上兩種破壞形式，按滑動(dòng)面的形狀采用合理的計(jì)算指標(biāo)與公式進(jìn)行驗(yàn)算。
對(duì)于平移滑動(dòng)破壞，取被滑動(dòng)面、臨空面及中風(fēng)化層頂面切割而成的三角形不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體作為隔離體，采用塊體極限平衡方法進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，邊坡的安全系數(shù)K為作用于滑動(dòng)面的抗滑力與滑動(dòng)力之比。為便于計(jì)算，將巖層以上土體的滑動(dòng)面簡(jiǎn)化為庫(kù)侖破壞面傾角的直線形，滑動(dòng)面傾角為45°+φ/2，并采用分段計(jì)算剩余下滑力的方法考慮相鄰巖土體的荷載作用。
分段計(jì)算剩余下滑力的方法：將滑坡體沿滑動(dòng)面折線轉(zhuǎn)折處條沿主軸方向分成若干塊段，取每一段條塊作為隔離體按極限平衡理論，從上至下逐塊計(jì)算推力，每一塊體向下滑動(dòng)的力與巖土體阻擋下滑的力之差，即剩余下滑力。剩余下滑力逐塊向下傳遞，當(dāng)最終一塊土體的剩余下滑力為負(fù)值或零時(shí)，表示整個(gè)邊坡體是穩(wěn)定的。剩余下滑力計(jì)算公式為：
式中 Ei，Ei-1—第i塊和第i-1塊巖土體的剩余下滑力；
k—安全系數(shù)，取1.05～1.25；
Wi—第i條塊巖土體的重量；
Qi—第i條塊巖土體的地面超載；
θi—第i塊和第i-1塊巖土體的滑動(dòng)面與水平面的夾角；
φi—第i塊巖土體沿滑動(dòng)面巖土的內(nèi)摩擦角，取殘余抗剪強(qiáng)度；
ci —第i塊巖土體沿滑動(dòng)面巖土的內(nèi)聚力，取殘余抗剪強(qiáng)度；
li —第i塊巖土體滑動(dòng)面長(zhǎng)度；
ψ—傳遞系數(shù)，ψ=cos(θi-1-θi)－sin(θi-1-θi) tgφ；
Tm—錨桿拉力，α—錨桿傾角
對(duì)于巖體沿弧形滑面的旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，采用簡(jiǎn)單條分法進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，中風(fēng)化層以上覆土按超載考慮。
巖石邊坡抗滑動(dòng)安全系數(shù)
五、結(jié) 論
針對(duì)工程場(chǎng)地基巖面較高的工程地質(zhì)特點(diǎn)，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中因地制宜，采用了上部排樁+下部錨噴支護(hù)的階梯型組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，既降低了工程造價(jià)，又縮短了工期。由于巖層的復(fù)雜性造成當(dāng)前對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)還不一致，在工程設(shè)計(jì)中通過(guò)調(diào)查分析，根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比，進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算分析并適當(dāng)提高安全系數(shù)基本能滿(mǎn)足安全要求。
本文的編寫(xiě)得到王元湘、黃美群高工的大力支持幫助，在此表示感謝！
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[3] [澳] I.K.LEE.W.WHITW.O.G.INGLES. 巖土工程.俞調(diào)梅.葉書(shū)麟.曹名葆譯校:中國(guó)建筑工業(yè)出版社
