閱讀 9872 次 西安地鐵1、2號線車站基坑圍護結構設計探討
摘要:西安地鐵1、2號線的車站基坑圍護結構多采用排樁加鋼管內支撐的方式,施工快、效果好。土體參數、計算理論的選擇是圍護結構設計中的一個難點。通過分析西安地區的地質特點,充分考慮黃土的“結構性”、“濕陷性”和“較強的豎向滲透性”, 結合地鐵施工的要求,得出幾個自己的觀點。...
西安地鐵1、2號線車站基坑圍護結構設計探討
席娜麗1 徐張軍2 尚正祥3
1.廣州市地鐵設計研究計院有限公司西安分公司 西安 710018;
2.陜西省榆林市建設工程質量安全監督中心站 榆林 719000;
3.中國電力工程顧問集團西北電力設計院 西安 710075
一、西安地鐵1、2號線站區黃土地層的地質特點
西安地鐵1、2號線分別從東西向和南北向橫穿西安市主城區。西安市位于渭河沖積平原——關中平原的中部。關中平原沉積了巨厚的第四系地層。主要地層為上更新統風積黃土、殘積古土壤及中更新統風積黃土、沖積粉質黏土(夾砂)。西安市100m深度內地層主要由全新統、上更新統及中更新統地層構成。地層由上至下分別為:全新統人工填土、第四系上更新底層(新黃土層、古土壤層)、第四系中更新地層(老黃土層、粉質粘土、中砂層)。站區地下水屬潛水類型,埋深大多在11~14.5m。
西安地鐵1、2號線車站基坑圍護結構所處的土層主要為黃土。黃土具有較好的結構性,這是區別于軟土的一個重要特點,對于基坑的穩定性是有利的。國內有很多專家學者對黃土基坑坑壁自立穩定高度的問題進行過研究。黃土的另一個特點是其濕陷性。發生濕陷后的黃土,其工程性質發生急劇的變化,可能對基坑結構的安全性造成不可估量的隱患。黃土的“結構性”與“濕陷性”同時存在,是西安地鐵基坑設計計算中重點注意的兩個特點。
二、西安地鐵1、2號線車站基坑的主要支護方式
西安地鐵1、2號線橫穿西安市主城區,不具備放坡開挖的條件。鉆孔灌注樁作為一種經濟、施工速度快、技術成熟的圍護結構形式,是西安地鐵1、2號線車站圍護結構的主要支護形式。
錨桿和內支撐作為圍護結構水平受力體系的有兩種基本形式,目前施工技術均已比較成熟,但考慮到錨桿施工對基坑周圍的建筑物地下室或深基礎有一定的限制,西安地鐵1、2號線車站基坑支護則主要采用鋼管內支撐的方式(圖1)。

選擇了已經完成主體施工的西安地鐵1、2號線中三個典型車站:鐘樓站、城運村站、勞動路站。以這三個車站為例,對1、2號線車站圍護結構的特點進行總結。三站的設計參數總結如表一:
表一 各車站圍護結構設計參數對比表
車站 |
基坑深度(m) |
圍護結構形式 |
灌注樁布置 |
支撐道數 |
嵌固深度(m) |
整體穩定安全系數 |
鐘樓站 |
17.5~22.5 |
排樁加鋼管內支撐 |
D1000@1350 |
3~4 |
7~10 |
1.343 |
運動公園站 |
16.8~17.5 |
排樁加鋼管內支撐 |
D1000@1300 |
3 |
7~9 |
1.473 |
勞動路站 |
15.74 |
排樁加鋼管內支撐 |
D1000@1500 |
3 |
6 |
1.411 |
三個車站均采用了排樁加鋼管內支撐的支護形式,排樁均采用了直徑1000mm的鋼筋混凝土灌注樁。但是排樁的間距和支撐的道數卻各不相同。
三、西安地鐵1、2號線車站圍護結構的參數化設計
3.1 土體力學參數的選取
在深基坑工程設計中,土體力學參數的選取會直接影響計算結果。而通常勘察報告所提供的抗剪強度參數有多組,包括直剪試驗測得的快剪、固結快剪、慢剪參數以及三軸剪切試驗測得的不不固結不排水抗剪強度(UU)、固結不排水抗剪強度(CU)、固結排水抗剪強度(CD)等參數。因此,要想準確地模擬出圍護結構的實際受力,就必須選擇合理的參數進行設計計算。針對西安地鐵1、2號線車站基坑工程的土體性質、排水條件和施工方法,筆者對土體參數做出選擇進行了分析。
1.深基坑開挖速率對參數選取的影響
西安地鐵1、2號線車站結構基坑一般采用機械開挖,施工速度較快,而黃土土層的透水性較差且排水條件不好,土體來不及固結就可能失去穩定。因此對于地下水位線以上的粘性土來說,宜采用快剪或UU試驗結果;對于粉土或粉細砂土而言,可采用固結快剪或CU試驗結果。
2.深基坑降水情況及土的滲透性
根據地下水位的埋藏條件,以上三站均采取了坑外深井降水的降水方案。西安地區的土層特點多為粉質粘土,橫向和豎向滲透性差別較大,尤其是橫向滲透系數較小,當基坑降水時,土體受荷以后來不及排水固結就可能破壞,故宜采用UU試驗結果。但是對于粉土或粉細砂土而言,因其滲透性相對較強,在開挖過程中,該土層既非完全不排水,又非完全排水,因而可采用CU或CD試驗方法。
當基坑不降水并采用止水措施時,由于基坑外側地下水位線以下土體處于飽和狀態,土體宜采用UU試驗結果。
3.應力路徑
基坑開挖屬于卸荷問題,對于基坑內側土體來說,土體中平均正應力下降,偏應力則增大。由圖可以看出,對于卸荷問題采用UU試驗結果偏于危險。特別是對西安地區常見的粘性土而言,受基坑開挖等因素的影響,將產生卸荷裂隙,再考慮到水滲入的影響,將會降低土的抗剪強度,因此采用CU偏于危險。
3.2 計算理論的選擇
計算土壓力時,理正深基坑軟件提供了“水土合算”和“水土分算”兩種方法。以勞動路站為例,該站的圍護結構所在的土層基本為粉質粘土,當采用“水土合算”計算基坑土壓力時,得到的樁體最大彎矩為1246.66KN.m,而采用“水土分算”法的結果為1342.08KN.m,兩者相差了近8%。
這兩種方法分別對應了土體抗剪強度的兩種表示方法,即總應力法和有效應力法。它們的表達式分別為:
總應力法: 
有效應力法: 

也就是說,總應力包含了有效應力和孔隙水壓力。
由于總應力法不需量測孔隙水壓力,故分析方法簡單。但是對于西安地區常見的粘性土,受排水條件影響較大,只能粗略的模擬地層在某特定固結狀態下的抗剪強度,不能反映地層在開挖施工過程中要經歷的不同固結狀態,因此該方法有一定的局限性。
深基坑工程中,對于地下水位以上的非飽和土和地下水位以下的飽和粘土、粉質粘土而言,由于土層中的水為孔隙水,不易對土顆粒形成浮力,可以采用總應力表示法,即“水土合算”。對于地下水位以下的粉土、砂土而言,土層中的水可對其土顆粒形成浮力,宜采用有效應力法,即“水土分算”。
四、降水措施對圍護結構安全性的影響
考慮西安地區地下水的埋藏特點,降水措施對基坑的穩定性影響很大。
一方面,地下水的存在,可導致土體抗剪強度指標值的降低,從而降低坑壁的自穩能力。仍以勞動路站為例,如果采用坑內外結合降水的方案,會對圍護結構的受力比較有利,圍護樁的縱向受力鋼筋最大截面只需要22Ф22,而如果采用坑內降水、坑外止水的方案,則基坑外側承受飽和土的側壓力,圍護樁的縱向受力鋼筋最大截面需要23Ф25,鋼筋面積增大了35%左右。
另一方面,基坑開挖后,如果基坑外不允許降水,由于黃土的垂直滲透系數較大,在一定的水力梯度的滲流作用下,圍護結構的薄弱部位極易發生管涌、流砂等現象(圖3),嚴重影響圍護結構安全。
同時,排水范圍內可能引起的地面附加沉降或不均勻沉降對鄰近建筑物的影響也不容忽視,施工過程中應加強監測。
五、結論
(1)由于土體的排水固結對對其抗剪強度影響較大,在實際工程計算中,應該結合具體工程特點和實際情況,采用合理的參數。
(2)地鐵基坑圍護結構通常需要設置多道支撐。考慮到地鐵結構的特點,支撐的架設必須與主體結構施工步驟密切的結合起來。
(3)黃土地區地下水對基坑安全影響較大,基坑開挖時應根據工程需要采取合理的降水措施。
參考文獻:
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(本文來源:陜西省土木建筑學會 文徑網絡:文徑 尹維維 編輯 劉真 審核)
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