砂土复杂地质条件下地铁站基坑围护结构方案的优化

1砂土复杂地质条件下地铁站基坑围护结构方案的优化华南工程有限公司赵元金摘要：地铁车站基坑围护结构承担着基坑支护、止水等不可或缺的重要地位，因此围护结构方案具有十分特殊的意思，方案的优劣程度直接影响着施工的进度、成本、安全、质量甚至影响整个车站能否成功运营。本文以广州地铁三号线北延段12标矮岗车站为例，就砂土复杂地质条件下，基坑围护结构方案的优化作一个比较直观的分析。关键词：砂土围护结构支护优化前言：随着国家经济、科技的发展，城市地下轨道技术不断成熟，各种型式的地铁车站在大量涌现。围护结构工程无疑是保证车站基坑顺利实施开挖的关键。基坑开挖是一个土体应力的释放过程，此过程打破了原有地层的应力平衡体系，扰动后的土体进步流变和固结，基坑支护结构在坑内外土体的不平衡压力作用下向坑内移动。因此围护结构方案应考虑土方开挖和开挖方式、顺序对支护结构系统变形的影响。由此推之，阐明和发展基坑围护结构工程的理论，改进和优化深围护体系设计的思路和施工开挖的工艺，加深基坑系统工程的研究和认识是十分必要的。一、简述依据理论分析和施工经验，基坑围护体系失效一般主要有三个方面原因造成：一是因为内在设计不合理因素导致支护体系失稳（如整体稳定、抗倾覆、抗隆起安全性小，支护结构强度、刚度不足破坏等）而引起基坑失稳；二是因为外界环境变化（如雷雨天气、超载、水渗入）引发基坑失稳；三是因为施工因素（如支护结构施工质量达不到设计要求、挖土不合理、挖土扰动支护结构等）引发的基坑失稳。据上述原因分析，基坑围护结构体系的选择主要依据于基坑工程要求（平面2尺寸和深度）、场地工程地质条件和水文条件，以及场地周遍环境条件等资料，通过上述资料对影响基坑围护体系安全的主要矛盾进行量化分析，据此进行方案合理性选择和结构稳定性的理论计算分析，并参考地区性经验判断，最终确定基坑围护体系类型。二、工程实例广州市轨道交通三号线北延段12标段【矮岗站】，位于广州市新白云机场高速公路附近、白云区积阴庄凤和村一队东侧的花圃园地，途经盆景种植园和两处鱼塘。矮岗站是三号线北延段的第九座车站，为地下站，设站后折返线和停车线，全长484.2m。基坑位置目前为农田、荒地及花圃，地形较平坦，地面高程为15.4米左右。地表地质多为杂填土和素填土，部分地段地表为耕植土。在地貌单元为盆地冲积平原。三、原围护方案3．1原基坑围护方案原招标设计方案的围护结构工程采用φ800钻孔桩结合内支撑支护组合结构体系，基坑安全等级二级，围护桩嵌固深度6.5(5.5)m。支撑体系采用Φ600、壁厚14mm钢管支撑，对基坑采用二道钢管支撑支护加固，钢管支撑间距4m。钢围檩采用2根45C工字型钢组合而成。钻孔桩间采用φ550的双重旋喷桩止水。3．2地质及周边环境调查前面已经叙述过围护结构的选择主要取决于基坑深度，地质及周边环境三个方面的因素。中标进场后，项目部即对周边的施工环境进行了调查，发现矮岗站附近地质比较复杂，局部有砂层，车站的南北两端还存在溶洞风险，施工难度较大，工期保证易受影响。其次，由于三号线北延段是亚运会配套工程，总关门工期已经卡死，也造成了矮岗站总体工期紧张。此外，矮岗站所处位置比较偏僻，前期供电可能无法保障，工期也可能因此而受到延误。但同时，矮岗站基坑所处位置场地开阔，深度较浅（约10米），距最近的建筑物（3B）138m，距机场高速92m。即3倍基坑深度范围内没有重要的建构筑物和重要管线、周边环境对基坑的沉降、变形不敏感。33．3优化设想基坑开挖的影响范围取决于开挖的平面形状、开挖深度和土质条件以及临近地下建筑物等因素。综合考虑了矮岗站的利弊因素影响，在保证安全及质量的前提下，对原招标设计方案进行了优化，具体方案如下：车站主体部分基坑（YCK-25-727.800～YCK-25-969.700），长241.9m，由于砂层较厚，地质条件复杂，因此仍然沿用原招标设计方案，采用排桩+内支撑支护方案。即车站主体部分基坑围护结构方案不变。折返线部分基坑(YCK-25-969.700～YDK-26-212.000)，长242.3m，砂层厚度浅，而且中间部分（YDK-26-085.000～YDK-26-135.000）约50m范围没有砂层。其次，考虑到现场具备放坡场地、3倍基坑深度范围内没有重要的建构筑物和重要管线。另外，放坡方案工期短，而且所需费用较原方案降低15%。因此，折返线部分拟采用水泥搅拌桩+放坡方案。四、优化后的方案4．1方案说明①、在砂层分布范围内的坡顶设置双排搅拌桩(Φ500@350)止水，隔断基坑内外地下水的连通。②、为防止坡面涌水涌砂，保证坡面的稳定，对坡面处于砂层的范围内采用搅拌桩(Φ500@800X800梅花型布置)对边坡砂层进行处理。③、放坡坡度按1：1.2考虑，分两级进行放坡，坡高控制在5m左右，为防止基坑边坡坡面的砂土塌落和遭雨水冲刷，开挖面网喷混凝土面层100mm。坡顶设置排水沟，隔断地表水灌入基坑；坡脚设置排水沟，将土体中的渗水及时排出。④、采用放坡方案后，桩顶压顶梁抗浮不能实施，考虑到抗拔桩造价高、施工工期也较长，拟采用在底板设置抗浮趾板的措施，利用回填土的压重解决抗浮问题。4．2方案分析4．2．1放坡计算（见图4-1基坑放坡简图）4图4-1基坑放坡简图5----------------------------------------------------------------------[基本信息]----------------------------------------------------------------------规范与规程《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99基坑等级二级基坑侧壁重要性系数γ01.00基坑深度H(m)10.317放坡级数2超载个数1----------------------------------------------------------------------[放坡信息]----------------------------------------------------------------------坡号台宽(m)坡高(m)坡度系数12.0004.0001.50021.0006.3171.200----------------------------------------------------------------------[超载信息]----------------------------------------------------------------------超载类型超载值作用深度作用宽度距坑边距形式长度序号(kPa,kN/m)(m)(m)(m)(m)120.000-------------------------------------------------------------------------------------[土层信息]----------------------------------------------------------------------土层数4坑内加固土否内侧水位深度(m)10.817外侧水位深度(m)0.220[土层参数]----------------------------------------------------------------------6层号土类名称层厚重度浮重度粘聚力内摩擦角粘聚力内摩擦角(m)(kN/m3)(kN/m3)(kPa)(度)水下(kPa)水下(度)1杂填土0.8818.98.95.008.0026.0013.002粘性土1.5018.88.830.8020.6030.8020.603细砂8.2019.39.330.8020.6030.8020.604强风化岩6.9022.312.360.0028.0060.0028.00-------------------------------------------------------------------[整体稳定验算]----------------------------------------------------------------------天然放坡计算条件：计算方法：瑞典条分法应力状态：总应力法基坑底面以下的截止计算深度:0.00m基坑底面以下滑裂面搜索步长:5.00m条分法中的土条宽度:0.40m天然放坡计算结果：7道号整体稳定半径圆心坐标圆心坐标安全系数R(m)Xc(m)Yc(m)110000000000.0000.0000.0000.00023.1295.03612.98713.93133.1006.43611.94214.28342.6289.16511.00315.47251.72120.1462.38820.09861.76018.7513.12318.4894．2．2计算结果分析基坑最大水平变形16.87mm，小于50mm及0.4%H（47mm），满足要求。放坡结构整体稳定、坑底抗隆起验算，均满足稳定安全系数的要求。水泥搅拌桩+放坡方案可行。4．2．3方案优劣分析通过车站基坑配线区间的围护结构方案优化，明显的降低了工期压力，同时放坡方案也使设备的用电量大大降低，前期施工得到保障，削弱了不利因素的影响，充分的利用了矮岗站现有场地开阔，周边环境对基坑沉降、变形不敏感等实际有利因素。五、结束语基坑工程是一个复杂的系统工程，而围护方案关系整个基坑施工的命脉，因此对围护结构的优化应着眼于项目全局，综合考虑多方面的利弊因素。在施工过程中应加强超前预防，分派专人负责对开挖坡面及坡口后缘土体进行连续监控测量，及时反馈测量信息，依照测量数据及时分析情况，调整预加固、预支护措施，以确保施工的安全。参考文献：《建筑地基处理技术规范JGJ79-2002》《地下铁道工程施工及验收规范GB50299-2003》《建筑基坑支护工程技术规程GB120-99》叶观宝，地基加固新技术(第二版).机械工业出版社龚晓南，深基坑工程设计施工手册.中国建筑工业出版社