南京地鐵車站基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)

中國(guó)科技論文在線南京某地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)夏陽,曹小為,高書豹作者簡(jiǎn)介:夏陽(1986-,男,在讀碩士研究生,主要研究人工凍土凍結(jié)理論與技術(shù).E-mail:cumtxywins@163.com(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,江蘇徐州221008摘要:鉆孔咬合樁是一種新型基坑施工技術(shù),因其突出特點(diǎn),近年來在南京軟土地層應(yīng)用廣泛。本文以南京某地鐵車站的基坑為工程依托,根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)條件和周圍環(huán)境等情況,通過對(duì)常用幾種圍護(hù)方案的比選,確定了該車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu),對(duì)基坑支撐方案進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對(duì)支撐內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算并簡(jiǎn)要驗(yàn)算。設(shè)計(jì)計(jì)算過程可作為其它類似軟土地層基坑工程之參考方法。關(guān)鍵詞:巖土工程;基坑;鉆孔咬合樁中圖分類號(hào):TU921TheFoundationPitStructuralDesignofAStationofNanjingSubwayXiaYang,CaoXiaowei,GaoShubao(SchoolofMechanicsandCivilEngineering,CUMT,JiangSuXuZhou221008Abstract:Secantpileretainingstructureisanewtechnologyoffoundationconstruction.It'swidelyusedinNanjingsoftsoilbecauseofitsprominentfeature.Inthispaper,ametrostationfoundationinNanjingisusedasthebasis.Accordingtoengineeringgeologicalconditionsandthesurroundingenvironmentandsoon,severalcommonlyusedprogramsarecompared.Thenthestructureofthestationfoundationpitisdeterminedandthepitsupportisdesigned,andtheinternalsupportforcesarecalculatedandbrieflychecked.Theprocedurecanbeusedasareferencemethodinothersimilarfoundationpitsofsoftsoil.Keywords:GeotechnicalEngineering;FoundationPit;Secantpileretainingstructure0引言隨著城市地下工程的發(fā)展,基坑工程也向大深度、大面積方向發(fā)展。深基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是保證基坑安全的首要條件,是地下工程的前期保障,在施工過程中,支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮著擋土和止水功能,也是節(jié)約施工空間、解決約束條件的可行途徑。鉆孔咬合樁是國(guó)內(nèi)應(yīng)用剛剛起步的新型排樁式圍護(hù)結(jié)構(gòu)。它是在平面上沿一條軸線設(shè)置單排鉆孔樁,相鄰的樁互相搭接,為一種特殊的樁列式擋土坡[1]。與已有的成熟的深基坑圍護(hù)形式相比,如地下連續(xù)墻、排樁+攪拌樁止水、SMW、人工挖孔樁等,咬合樁有在鉆孔過程中不需使用泥漿,成樁精度高、樁體質(zhì)量好,進(jìn)度快、造價(jià)低,施工過程中噪音小、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[2]。本文就南京某地鐵車站的基坑工程,進(jìn)行鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。1工程概況南京地鐵某車站主體總長(zhǎng)187.15m,標(biāo)準(zhǔn)段寬21.2m。該車站為地下式車站,車站頂板埋深為0.9m,兩層車站,地下一層為站廳層,頂板開口作為出入口,地下二層為站臺(tái)層,基坑開挖深度約14m。中國(guó)科技論文在線1.1工程地質(zhì)與水文地質(zhì)1.1.1工程地質(zhì)(1地形地貌該車站地形平坦,現(xiàn)地面高程約在6.48~7.92m,原地面高程約在6.00m左右,人工堆填土約1.50m。地貌類型屬長(zhǎng)江低漫灘。(2基坑開挖深度內(nèi)工程地質(zhì)層特征描述如下:①-1雜填土:以混凝土塊、碎磚、碎石等建筑垃圾為主,夾以粘性土。結(jié)構(gòu)松散。①-2b素填土:含少量碎磚、碎石,主要由粘性土組成,局部為含石灰的三合土,結(jié)構(gòu)松散,均勻性差。②-1b2-3粘土(粉質(zhì)粘土:含少許氧化鐵,偶含零星貝殼及少許粉土,局部有植物根,含少許有機(jī)質(zhì),切面光滑,搖振反應(yīng)無~低,干強(qiáng)度中等,韌性中等。②-1d4粉細(xì)砂:含云母,夾少量粘性土薄層。②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土:含有機(jī)質(zhì)及少許腐植質(zhì),夾少許薄層粉土或粉砂,土質(zhì)較為均勻,切面光滑,搖振反應(yīng)無~低,干強(qiáng)度中等,韌性中等。②-3d2-3粉細(xì)砂:含云母,夾粉土,偶含少許腐植質(zhì)。②-4d2-1粉細(xì)砂:含云母、少許腐植質(zhì),偶夾少許粘性土薄層。1.1.2水文地質(zhì)條件根據(jù)該車站勘探資料,該車站長(zhǎng)江漫灘相沉積物呈二元結(jié)構(gòu),上部主要由淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土或粉細(xì)砂為主,下部以砂性土為主,場(chǎng)地地下水類型屬孔隙潛水;砂性土層中地下水具一定承壓性。地下水穩(wěn)定水位埋深1.60~2.95m,潛水位埋深2.20~2.90m,承壓水埋深6.20~6.55m。地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水及人工用水的補(bǔ)給。深部承壓含水層中的地下水與長(zhǎng)江及外秦淮河均有一定的水力聯(lián)系。1.2工程周圍環(huán)境該車站位于經(jīng)四路(江南東路原興隆村委會(huì)所在地,車站及周邊主要為廠房、商城(均為丙、丁類建筑及道路(經(jīng)四路。車站站位南側(cè)賽上路當(dāng)時(shí)正在施工,西側(cè)為江東南路,道路紅線寬為80m,面前交通流量不大。江東南路與賽上路交叉口的東南側(cè)位當(dāng)時(shí)正在施工歐洲城。2圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1圍護(hù)方案的選擇與傳統(tǒng)方法比較,鉆孔咬合樁作為近來較熱門的新型施工技術(shù),歸納起來,其具體優(yōu)點(diǎn)有[1][3]:(1鉆孔咬合樁的樁間相咬合,形成排樁整體受力,抗荷載能力強(qiáng),防水效果好;(2強(qiáng)度和剛度均較大,可以作為永久結(jié)構(gòu)的一部分;(3不易塌孔、振動(dòng)小,特別適合緊鄰地下管線等構(gòu)筑物的施工;(4與普通鉆孔灌注樁相比,無泥漿、噪音低、文明施工、環(huán)保效果好;(5成樁垂直度好整體性強(qiáng),節(jié)約混凝土;(6利用套管成樁可設(shè)砂樁的優(yōu)點(diǎn),圍護(hù)結(jié)構(gòu)可分段施工,節(jié)約施工場(chǎng)地和工期。本基坑最大開挖深度約為14m,水泥土攪拌技術(shù)上不滿足要求,而地下連續(xù)墻的造價(jià)太高,又考慮到采用SMW樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),不能解決抗浮問題,如采用需增加很多抗浮措施,其技術(shù)經(jīng)濟(jì)的合理性尚需進(jìn)一步論證,所以,從技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理角度綜合考慮,本設(shè)計(jì)采用鉆孔咬合樁。根據(jù)以往工程的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn),本設(shè)計(jì)采用Φ1000mm的咬合樁,樁在車站基坑開挖面以上樁長(zhǎng)13610mm,嵌入深度依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取上部樁長(zhǎng)的0.8~1.0倍,方便起見,本基坑取13000mm,所以總的樁長(zhǎng)為26610mm。為保證樁底的最小設(shè)計(jì)咬合厚度不小于50mm,由相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式,可計(jì)算本基坑的咬合厚度宜取200mm,即樁距為800mm。2.2支撐方案的選擇綜合考慮深大基坑的工程經(jīng)驗(yàn)采用鋼支撐在支撐效果和施工速度上都有著較大的優(yōu)勢(shì),所以本設(shè)計(jì)全部采用鋼結(jié)構(gòu)支撐體系。本基坑長(zhǎng)187.15m,寬度超過20m,深14m,屬于深長(zhǎng)基坑,從施工難度和適用性出發(fā),宜采用平面支撐體系。綜上所述,本基坑選用平面布置支撐的形式,根據(jù)施工條件和相關(guān)規(guī)定,共設(shè)置3道支撐,第一道支撐距離地面1.72m,第二道6.72m,第三道10.72m,鋼支撐選用Φ609鋼管。3圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算3.1荷載計(jì)算按車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行計(jì)算,標(biāo)準(zhǔn)段的各地層情況按平均值計(jì)算。根據(jù)詳勘資料,計(jì)算截面處土層的物理指標(biāo)及厚度(計(jì)算到樁底,如下表1所示:表1開挖段各層物理指標(biāo)Tab.1Physicalindexofeachlayerexcavatedsection土層編號(hào)名稱重度γ(kN/m3凝聚力C(kPa摩擦角?(°平均土層厚度(m①-1雜填土18.01.19①-2b素填土18.01.87②-1b2-3粘土18.125.611.51.19②-1d4粉細(xì)砂18.18.531.33.81②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土17.63②-3d2-3粉細(xì)砂18.610.735.012.54②-4d2-1粉細(xì)砂18.811.535.22.27在咬合樁深度范圍內(nèi),由于土的重度、粘聚力、內(nèi)摩擦角和厚度都各不相同,在此為了達(dá)到計(jì)算方便和合理,各指標(biāo)采用按土層厚度的加權(quán)平均值來計(jì)算。作用在圍護(hù)墻體上的土壓力,采用朗肯土壓力理論計(jì)算。作用在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載有以下幾種[4]:(1由上部結(jié)構(gòu)傳下來的垂直荷載水平力和彎矩以及施工期間可能產(chǎn)生的垂直荷載;(2支護(hù)墻體的自重;(3基坑頂面上的超載;(4由地基土產(chǎn)生的水平土壓力;(5由地面超載產(chǎn)生的水平土壓力;(6水壓力;(7地震產(chǎn)生的垂直和水平荷載。上述各項(xiàng)荷載中,土壓力是比較難于準(zhǔn)確把握和計(jì)算的荷載。土壓力是比較難于準(zhǔn)確把握和計(jì)算的荷載。在設(shè)計(jì)計(jì)算和參數(shù)取值上常常采用直觀、簡(jiǎn)單和偏于安全的方法。一般情況下不計(jì)地震產(chǎn)生的影響?？紤]由于在施工時(shí)嚴(yán)格要求控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移,墻背土壓力采用靜止土壓力,并采用水土合算。3.2基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算3.2.1基坑底部土體抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算按普朗德爾求地基承載力的假定,按下式進(jìn)行驗(yàn)算:qhhCNNhKdCqds+++=(nγγ(3-1式中sK為抗隆起安全系數(shù)(二級(jí)基坑取2.0;γ為坑外地表至樁底各土層天然重度的加權(quán)平均值,3kN/m;nγ為坑內(nèi)開挖面以下至樁底各土層天然重度的加權(quán)平均值,3kN/m;h為基坑開挖深度,最深處14mh=;dh為樁的嵌固深度,13mdh=;q為坑外地面超載,取220kN/m;c、?為基坑開挖面以下的土體強(qiáng)度指標(biāo);qN、cN為地基土的承載力系數(shù)。經(jīng)計(jì)算7.982.0sK=≥,即基坑抗隆起滿足要求。3.2.2抗傾覆(踢腳穩(wěn)定性驗(yàn)算本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下,基坑土體有可能在支護(hù)結(jié)構(gòu)底部因產(chǎn)生踢腳破壞而出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。通常是繞最下一道支撐轉(zhuǎn)動(dòng)而失穩(wěn),其抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)滿足:apTMMK=(3-2式中TK為抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)(二級(jí)基坑取1.1;pM為基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力對(duì)最下層支點(diǎn)的力矩;aM為基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力對(duì)最下層支點(diǎn)的力矩。經(jīng)計(jì)算,2.01.1TK=≥,所以整體抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。3.2.3整體圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算有支護(hù)的基坑的整體穩(wěn)定分析,采用圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行驗(yàn)算。分析中所需地質(zhì)資料要能反映基坑頂面以下至少2~3倍基坑開挖深度的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。當(dāng)考慮內(nèi)支撐作用時(shí),通常不會(huì)發(fā)生整體穩(wěn)定破壞。因此,對(duì)只設(shè)一道支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu),需驗(yàn)算整體滑動(dòng),對(duì)設(shè)置多道內(nèi)支撐時(shí)可不作驗(yàn)算[5]。本車站基坑采用多道支撐,故不進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。3.3支撐內(nèi)力變形計(jì)算3.3.1支撐內(nèi)力計(jì)算圍護(hù)擋土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力采用山肩邦男近似解法進(jìn)行計(jì)算。通過比較計(jì)算,坑底彎矩最大。彎矩軸力圖如圖1所示。中國(guó)科技論文在線圖1截面軸力彎矩圖Fig.1Diagramofsectionalaxialforceandmoment3.3.2鋼支撐強(qiáng)度驗(yàn)算據(jù)上節(jié)可知,標(biāo)準(zhǔn)段支撐軸力最大3342.64kN/mN=,進(jìn)行驗(yàn)算。按照取最大間距的支撐(間隔3m計(jì)算,樁傳遞的軸力有一道支撐承擔(dān),所以支撐的實(shí)際軸力為:342.6431027.92kNN=×=根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]+nxnxNMfAWγ≤(3-3式中N為支撐實(shí)際軸力,N;nA凈截面面積,mm2;nxW為對(duì)x軸的凈截面模量,mm3;xγ為截面塑性發(fā)展系數(shù),這里取1.15;f為鋼材的抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,Q235鋼取215N/mm2,經(jīng)驗(yàn)算:+nxnxNMAWγ251.98[]215N/mmf=≤=(考慮最不利組合條件下即強(qiáng)度滿足要求。3.3.3支撐平面整體穩(wěn)定性驗(yàn)算根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》壓彎構(gòu)件平面內(nèi)的穩(wěn)定計(jì)算式如下:1'(10.8mxxxxExMNfAWNβ?γ+≤?(3-4式中N為所計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)軸向壓力的設(shè)計(jì)值,KN;xM為所計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)最大彎矩的設(shè)計(jì)值,KN/m;x?為彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù),取0.95;xW1為彎矩作用平面內(nèi)對(duì)較大受壓纖維的毛截面模量,取4.3×106mm3;xEN'為參數(shù),2'21.1ExxEANπλ=;mxβ為等效彎矩系數(shù),設(shè)計(jì)中取1;xλ為長(zhǎng)細(xì)比,xlrλ=。經(jīng)驗(yàn)算:中國(guó)科技論文在線NβmxM+=36.20N/mm2≤[f]=215N/mm2NA?xγW(1?0.8x1x'NEx整體穩(wěn)定性滿足要求。4結(jié)