【基坑围护结构设计18000字（论文）】

第1章绪论1.1研究背景随着城市人口的增长，交通拥堵己经成为制约城市发展的主要因素，为了缓解这一压力，越来越多的城市投入到城轨交通的发展热潮当中。城市轨道交通的发展不仅缓解了交通拥堵难题，而且还提高了城市功能，在很大程度上促进了城市集约化和可持续发展。近年来，发展地铁己变为我国各大城市用来缓解交通拥堵环境状况的途径之一。我国的城轨交通起步于1965年，北京成为国内首个建设条地铁的城市，随后上海、天津、广州、深圳、南京、青岛等城市也修建了地铁，这些城轨交通的快速发展对于该城市的经济建设发挥着举重轻重的推动作用。目前，我国大部分省会城市和一线城市都修建了地铁，随着城市的进一步发展，在未来的几十年中，部分非省会中心城市也会发展地铁，届时地铁建设将增加到一个难以预知的水平。地铁飞速发展能够促进城市经济快速发展，但是城市地铁穿过繁华地段，修建地铁过程中也会存在不少难题，例如地铁车站深基坑的围护结构设计和施工问题，该难题目前己经成为城轨交通修建中要研究的热点。地铁车站由于主体结构复杂，致使深基坑的设计深度往往很大，要想保证深基坑在土方开挖及支护扰动下围护结构和周围邻近建筑物的安全稳定，势必就要合理设计支护方案和施工方案。深基坑工程涉及岩土工程多个方面，包含多个学科，主要有工程地质学、弹性力学、土力学、结构力学以及监测技术等多个领域。大量工程实践表明，基坑工程施工过程中，倘若围护结构设计不当、施工工艺不合理以及施工管理不到位，必然会引起基坑周边土体发生失稳破坏，从而导致基坑邻近楼房受扰动而发生墙体开裂、倾斜或者地下管网断裂等问题，造成重大经济损失，严重时可能威胁到作业人员的生命安。尽管深基坑支护技术经过这么多年的发展，并且己发展得相当成熟，但无论哪种支护技术都不能完全避免施工对土体产生扰动，也不能避免施工造成不同程度的基坑变形。深基坑变形超过其允许变形时，就会对坑壁周围邻近楼房和地下管网的安全稳定和正常使用带来重大隐患。1.2研究意义深基坑工程早己成为地铁建设过程中的重要研究课题之一，关于深基坑围护结构设计优化和深基坑变形规律这方面的研究己经不少，也取得了诸多成果，指导了工程实践。深基坑工程是一个十分庞大而又复杂的系统工程，其支护体系主要发挥临时围护基坑稳定作用，但它们往往会在基坑施工完成以后被拆除。不同于其他工程的是，深基坑工程不仅施工周期长、规模大，而且涉及面广、技术难题多，增加了工程施工难度。深基坑工程实际过程中非常重要的一个环节就是支护结构设计中，需要综合考虑安全、经济、施工便捷、环保等多方面。首先，充分依据深基坑周边环境状况，对比分析各个支护方式的适用范围。其次，在满足经济、安全、科学的必要条件下选出适合本工程最科学的支护方案。大量工程实践证明，合理的支护方案既能够满足深基坑施工过程中的安全稳定，又可以节约成本，从而实现双赢。近些年来，由于地铁快速发展，一些大中城市随处可见地铁深基坑的开挖，开挖过程中也经常会出现一些基坑安全事故，这些事故的频繁发生不得不引起专家和学者的认真研究，同样引起了行业的普遍重视。2008年11月，杭州地铁一号修建过程中，造成起始站深基坑周边道路出现发大面积沉陷，引起的沉陷面积达到1000m2左右，塌陷深度达到15m，引起过往的10余辆汽车追入坑内，掩埋至少50位行人和施工人员，事故最终造成21人死亡、重伤4人。事后经过评估，直接经济损失5000万元，事故现场见图1.10支护结构破坏（b）基坑开挖造成道路坍塌图1.1事故现场照片2014年河南某地进行深基坑开挖过程中，突然造成基坑支护结构发生坍塌，致使附近道路塌陷，引起多台车辆坠入坑内，事故影响很大。2015年杭州某深基坑发生重大坍塌事故，造成邻近的多栋楼房发生倾覆和破坏，造成多人受伤，直接造成经济损失2500万元，见图1.2。事后调查分析，得知拟建场地地基淤泥质土层厚度变化非常大，再加上地下水的影响，致使在基坑北侧和西侧位置处的软土层厚度相对较薄的情况下发生坍塌。深基坑事故已经严重的威胁工程建筑的安全施工，文本基于基坑围护结构设计能够有效的提升深基坑的稳定性，对我国建筑行业的发展有着重要的意义。第2章深基坑围护结构变形模式及影响因素分析深基坑工程意义重大，大面积开挖土方，容易造成深基坑发生变形、失稳，甚至威肋、周围临近建筑物的安全稳定，造成重大经济损失。因此，针对具体基坑工程，须作出合理有效的支护设计，然而支护结构在施工扰动下发生的变形破坏受很多因素影响。因此，本章主要从深基坑变形破坏形式和变形破坏影响因素两大方面展开分析，为深基坑围护结构设计提供依据。2.1深基坑围护结构形式众所周知，深基坑围护结构大部分承受来自背侧土体的土压力和水位以下的孔隙水压力两种作用。因此，将深基坑支护体系的研究成果从发挥功能角度进行划分，可以分为挡土墙和止水两种。实际工程中，有的围护结构只承受两者之一的作用，有的承受两种共同作用，最常见的为围护结构加止水帷幕，两者构成一个稳定完整的支护体系。深基坑经过多年地发展，己经形成了众多种支护形式，任何一种支护型式都有自身应用范围。比较常见的支护型式主要有：灌注桩+内支撑、SMW工法、钻孔咬合桩、地下连续墙、桩锚式支护结构、土钉墙支护结构、其它型式支护结构。根据深基坑施工经验可知，在进行基坑开挖之前往往需要在基坑开挖面周围人工形成一圈围护结构，用来抵抗主动土压力。本节重点阐述较为常用的几种深基坑围护形式，分析他们的优缺点，便于后面的围护结构方案比选。2.1.1灌注桩+内支撑该围护结构形式见图2.1。它的优点在于不受拟建场地限制，且施工期间中产生的振动小、噪音污染低，而且自身的刚度强，可以做到就地施工，机械化程度高，不会对邻近环境产生大的不利影响。此外，因为钢支撑可以回收利用，它也比较经济。但是，也存在一定的缺点，比如排桩与内支撑形成的支护体系整体刚度不高，而且不可成为主体结构的一部分，内支撑需要拆卸。目前度多应用于软土地区和黄土地区。图2.1灌注桩+内支撑围护结构形式2.1.2SMW工法（劲性水泥土搅拌连续墙）该围护结构形式见图2.2。它的优点在于占用场地少；施工速度快；对环境污染小，无废弃泥浆；操作工艺不复杂，容易上手，重要的是对邻近楼房和管线影响程度低；此外，耗用水泥钢材少，造价低，且具有止水和挡土的双重作用。缺点在于自身结构的刚度低，极易出现较大位移。在国内，多用于6~10m基坑开挖。图2.2SMW工法围护结构形式2.1.3钻孔咬合桩图2.3钻孔咬合桩围护结构形式该围护结构形式见图2.3。它的优点体现在能够作为主体结构承受作用力的一部分，同时具有止水和挡土两种性能，施工污染少。缺点在于施工工艺较复杂，进度慢，而且深度越大则造价就会越高。应用范围十分广泛，并不受地层条件限制。2.1.4地下连续墙该围护结构形式见图2.4、图2.5。多应用于沿海软土地区深基坑的结构，优点在于整体刚度大，止水帷幕性能非常好，且可作为主体结构；缺点在于施工工艺较为复杂，机械化程度要求高，且造价高，施工对周边环境影响较大。图2.4地下连续墙施工图2.5地下连续墙围护结构形式科学技术的飞速发展带动着深基坑支护型式的不断更新，深基坑支护工程中涌现出了许多新技术，它们的引进自然也就形成了许多新的支护形式。主要有沉井式、门架式等支护方式。2.2深基坑围护结构变形影响因素影响深基坑围护结构发生变形破坏的因素很多，正因这些因素地存在，使得深基坑成为一个复杂工程，其稳定性是施工期间技术管理人员最为关心的焦点。从现场实践和大量围护结构变形监测数据可以得到，其主要因素包括工程地质和水文地质条件、基坑几何形状、设计因素、施工因素以及外荷载和温度变化等。2.2.1工程地质、水文条件土层的物理力学性质对基坑稳定性有着很大影响，其决定着基坑周围土体抵抗变形能力的大小。对于软土地区来说，由于土层的强度参数较低致使基坑周围地层发生变形，从而影响到基坑的稳定性；而对于黄土地区，相同围护结构形式下，其深基坑稳定性要好于软土地区。相对于土层性质来说，地下水对围护结构变形的影响更大，主要体现在两个方面：其一，地下水的存在降低了土体的重度及其抗剪强度参数；其二，倘若土体渗透性强，围护结构同时受到土压力和水压力的双重作用，对于围护结构产生的变形影响也会更加明显。对于西安黄土地区，地下水对深基坑的稳定性影响更大，黄土存在湿陷性，基坑开挖时必须保证地下水位在开挖面0.5m一下。因此，进行深基坑开挖及施工时，需进行降水，从而保证干法施工。2.2.2基坑的稳定性基坑规模对深基坑稳定性的围护十分重要，其围护结构的变形形式和变形特征就越复杂，其空间效应也就更加体现的明显，给深基坑围护结构设计增加难度，也给施工带来难题。规模较大的深基坑一般多出现在换乘站，由于设计要求，基坑的规模不得大，见图2.12。规模很大的深基坑围护结构除了挡土围护结构和必要的支撑系统外，一般还会在围护结构的顶部增加一道冠梁，提高围护结构的整体稳定性。图2.12某地铁换乘站深基坑开挖当地质条件比较差且开挖深度较大时，除了设置冠梁还应在一定深度的围护结构上设置足够的腰梁，减少围护结构的变形，增加围护结构的刚度、整体性和稳定性。进行基坑围护结构设计时应该考虑空间效应，以便能够做出对结构的安全性做出合理的评价，控制成本。2.2.3设计因素实践证明，设计因素对基坑的影响十份显著，倘若设计不合理，就会增大施工难度，增加施工成本，甚至引起基坑事故发生。据统计，我国由于设计原因造成基坑事故的比例几乎占到整个基坑事故比例的50%，由此可见围护结构设计对基坑变形的影响是多么的大。围护结构设计中需要考虑的因素很多，主要包括围护结构形式、开挖深度、围护结构嵌入深度、支撑的位置和层数、施加在支承上的预紧力大小等。（1）围护结构的形式基坑围护结构的形式从根本上决定了围护结构的刚度，刚度较大的围护结构有助于降低围护结构在土压力作用下所发生的位移。根据经验，盲目的为了减小变形而选用刚度大的围护结构形式也对基坑稳定不利，原因在于刚度过大对控制围护结构变形的作用不明显，徒增造价。因此，再进行设计时，要综合考虑各方面因素，选用合适的围护结构。（2）围护结构的嵌入深度围护结构嵌入深度影响基坑稳定性的一个十份重要的设计参数，在允许范围内适当增加围护结构的嵌入深度，可以达到抑制基坑外部土体移动进入坑内和降低坑外地表沉降的效果，还能阻止坑底部的土体在土压力作用下发生回弹。（3）支撑方案在围护墙挡土作用下，支撑方案也会对基坑的变形造成重大影响，其影响因素包括支撑形式、支撑作用位置和支撑层数等。首先，支撑形式从根本上决定了支撑刚度大小，在合理范围内其刚度越大，抵抗变形的能力越大，自身变形越小，有效控制围护结构变形。其次，支撑的疏密也会对基坑围护结构变形产生重大影响，但是并不是说支撑越多就会越好。经验证明，过多的支撑不但有碍开挖影响工程进度的快速推进，还会增加是工程造价。次外，支撑层数也是支撑方案确定的一个重要参考因素。（4）支撑预紧力在进行内支撑支护时，必须对其施加预紧力，以便内支撑与围护结构之间紧密相接。施加了预紧力，使得支撑对围护结构有了一个反作用力，当围护结构收到土压力作用而要发生向坑内变形时，内支撑予以阻止，从而有效地控制了围护结构的变形，减少了坑外土体地表沉降，提高基坑整体稳定性。2.2.4其他因素（1）施工因素施工单位的施工水平和管理水平也会对深基坑变形产生重大影响，根据相关数据统计可知，除了设计原因造成的基坑事故之外，绝大部分的基坑事故发生的根源在于施工水平低或者管理不当。实际工程中，施工因素主要体现在施工方案的选择、施工队伍水平的好坏、开挖后是否及时支护以及施工现场的管理是否到位等。（2）外界荷载在施工场地受限时，在基坑周边常常堆放一些原材料或者设置一些塔吊、搅拌机等临时设施，这些东西自重往往较大，通过土体对围护结构产生压力。第3章以某地铁工程为例基坑围护结构设计3.1工程简介某地铁车站为地下2层岛式车站，车站主体结构外包尺寸长125.2米，结构底板最大埋深约16m，拟采用明挖法施工。拟建场地为软弱土地基，抗震设防烈度为6度。车站主体结构采用钢筋混凝土单柱双跨结构，采用地下连续墙作为施工阶段的围护结构。基坑采用明挖顺作法施工，标准段开挖深度16.6m，端头井开挖深度18.6mo图1.1某地铁站周边环境简图3.2工程地质条件（1）场地地形地貌本车站坐落于广阔的冲湖积平原，场地第四系覆盖层厚度大，水系发育，地势平坦，系典型的水网化平原。车站区域地面标高在3.12~3.97m之间，地势较平坦。（2）主要工程地质土层①填土层，厚度0.70~6.60m之间，压缩性中等偏高，强度低，均匀性差，属弱透水土层，勘区内均有分布。③1粘土层，层厚0.50~2.40m，压缩性中等，强度中等一高，粘土层分布稳定，为不透水层。③2粉质粘土层，层厚层厚2.00~2.80m，压缩性中等，强度中等一高，粉质粘土层分布稳定，为微透水层。④粉质粘土层分布稳定，厚度1.60~4.40m，压缩性中等，强度中等，为微透水土层。④1粉土层厚度1.30~3.60m，分布尚稳定，压缩性中等偏低，强度偏低，为透水土层。④2粉土夹粉砂层厚度1.40~10.20，场地内局部缺失，压缩性中等偏低，强度偏低，为透水土层。⑤粉质粘土层场地内均有分布，厚度1.80~18.20m，压缩性中等偏高，强度中等偏低，为微透水土层。⑥1粘土层，层厚1.40~2.30m，该层分布欠稳定，局部缺失，压缩性中等，强度中等一高，为不透水土层。⑥2粉质粘土层，层厚1.10~4.OOm，该层分布欠稳定，局部缺失，压缩性中等，强度中等一高，为微透水土层。⑦2粉土层场地内均有分布，厚度5.20~17.OOm，压缩性中等偏低，强度中等，为弱透水土层。⑧1粉质粘土层场地内均有分布，厚度3.50~14.10m，压缩性中等，强度中等。⑩粉细砂层分布尚稳定，主要由孔深55m左右的控制性钻孔揭示，控制最大厚度5.80m，压缩性中等偏低，强度中等。表1-1车站土层主要物理力学指标表土层代号及名称含水量w（%）土重度（KN/m）孔隙比eoC（kpa）内摩擦角（°）垂直渗透系数（m/d）水平渗透系数（m/d）填土33.418.80.95115.010.0③1黏土28.219.60.79945.011.06.4e-81.0e-7③2粉质粘土29.619.40.82625.011.05.2e-73.5e-6④粉质粘土31.419.20.85629.310.44.1e-67.3e-6④1粉土29.719.10.8317.629.43.08e-33.08e-3④2粉土夹粉32.018.70.9208.730.93.08e-33.08e-3⑤粉质粘土32.219.10.88723.711.34.0e-62.9e-6⑥1粘土23.820.30.67561.913.15.2e-86.3e-8⑥2粉质粘土27.219.40.78426.815.03.4e-69.7e-6⑦1粉质黏土31.220.51.0615.231.63.78e-43.65e-4⑦2粉土32.518.50.9369.528.73.08e-43.08e-4⑧1粉质粘土32.018.90.89524.211.4⑩粉细砂26.719.20.7837.929.0注：含水量、重度、孔隙比为平均值；C、值为直剪固快标准值；渗透系数为室内试验采用最大值3.3水文地质条件潜水含水层主要由填土层组成，勘察区域内均有分布。某地历年最高潜水位标高2.63m，最低潜水位标高为0.21m，车站抗浮设防水位为地面下0.5m。微承压水含水层由晚更新统沉积成因的土层组成，主要为④1粉土及④2粉土夹粉砂层，其透水性及赋水性中等。微承压水头埋深约2.0m左右，相应标高在1.25-1.42m之间。据区域资料，年变幅lm左右。承压水含水层由晚更新统沉积成因的土层组成，主要为⑦2粉土层，承压水头标高在-1.10m左右，年变幅lm左右。对于本地铁车站施工，需考虑承压水的突涌问题，该含水层隔水顶板为⑥1粘土层。3.4采用的设计规范和标准（1）《地铁设计规范》（GB50157-2013）（2）《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）（3）《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）（2006版）（4）《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）（5）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）（6）《上海市基坑工程设计规程》（DBJ08-61-2010）（7）《建筑基坑工程技术规范》（YB9258-97）（8）《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）（9）《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）（10）《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）（11）《人民防空地下室设计规范》（GB50038-2005）（12）《地下防水工程质量验收规范》（GB50208-2011）（13）《混凝土外加剂应用技术规范》（GB50119-2013）（14）《建筑与市政降水工程技术规范》（JBJ/T111-98）（15）《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999（2003版）3.5设计标准（1）主体结构的设计使用年限为100年，在设计使用年限内、在正常使用和围护的条件下，主要结构构件应不需要进行大修加固而能保持使用功能；次要构件可进行维修以保持其使用功能。具体包括：a、主要构件：结构顶底板、各层楼板、框架梁柱、中墙等，设计使用年限为100年。b、次要构件：自成结构体系的内部梁、柱、墙、楼梯、站台板等，设计使用年限为50年。（2）主要结构构件的安全等级为一级。按荷载效应基本组合进行承载能力计算时重要性系数为1.1；临时构件的安全等级为三级，相应的结构构件重要性系数0取0.9；在人防荷载或地震荷载组合下，相应的结构构件重要性系数0取1.0。（3）地下结构抗震设防烈度为6度，场地土类别属工Ⅳ类，抗震等级为三级，结构设计应采取相应的构造措施，提高结构和接头处的整体抗震能力。当地下车站上部建有地面建筑时，应当增加验算整体结构的抗震能力。（4）车站的环境类别按照一般环境条件考虑，当地下水无侵蚀性时，地下结构中处于干湿交替环境的混凝土构件的环境类别为I-C类，设有环控系统的车站结构内部混凝土构件的环境类别为工一B类。（5）钢筋混凝土构件（不含临时构件）正截面的裂缝控制等级一般为三级，即允许出现裂缝。正常使用极限状态验算的明挖结构最大裂缝宽度允许值蕊0.3mm，处于干湿交替环境的结构或当地下水对钢筋有腐蚀性时，迎土面结构最大计算裂缝宽度允许值蕊0.2mm。裂缝宽度计算时，当保护层厚度超过30mm时，按30mm取值。（6）车站结构设计应按最不利情况进行抗浮稳定验算。在不考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.05。当适当考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.150当结构抗浮不能满足要求时，应采取相应的工程措施。（7）基坑开挖面有（微）承压水含水层时，应按最不利情况进行基坑底部抗承压稳定验算，其稳定性安全系数不得小于1.10。当基坑抗承压水稳定不能满足要求时，应采取隔水或降水等有效的地下水控制方案及措施，并尽量减小对周边环境的不利影响。3.6设计流程首先，根据水文地质条件，根据各规范以及工程类比等方法，选取合适的典型断面以及支护结构尺寸，确定典型断面的插入，根据确定的插入比对典型断面的稳定性进行验算。然后，在稳定性验算符合规范的基础上，根据工程类比，选取适当的基坑开挖支撑位置以及确定支撑类型，进而利用SAP2000对地下连续墙进行内力计算，得到地下连续墙的弯矩，进行支护结构的配筋。接下来，确定典型断面主体结构尺寸，在不同工况下利用SAP2000进行内力分析，得到各构件的弯矩包络图，取最不利情况对各构件进行配筋。完成某地铁站地下车站的结构设计，图3.2为某站施工期结构设计流程。图1.2主基坑支护结构设计流程示意图第4章主基坑支护结构设计4.1确定基坑保护等级4.1.1基坑工程安全等级根据《基坑工程技术规范》（DGTJ08-61-2010）的规定，根据基坑的开挖深度等因素，基坑工程安全等级应分为以下三级：①基坑开挖深度大于、等于12m或基坑采用支护结构与主体结构相结合时，属一级安全等级基坑工程；②基坑开挖深度小于7m时，属三级安全等级基坑工程；③除一级和三级以外的基坑均属二级安全等级基坑工程。4.1.2基坑工程环境保护等级《基坑工程技术规范》（DGTJ08-61-2010）规定，根据基坑周围环境的重要性程度及其与基坑的距离，基坑工程环境保护等级应分为以下三级，如表2-1所示，相应的基坑变形控制指标应按本规范第17.1节的规定采用。表2-1基坑工程的环境保护等级环境保护对象保护对象与基坑的距离关系基坑工程的环境保护等级优秀历史建筑、有精密仪器与设备的厂房、其他采用天然地基或短桩基础的重要建筑物、轨道交通设施、隧道、防汛墙、原水管、自来水总管、煤气总管、共同沟等重要建（构）筑物或设施S=<H一级H<S=<2H二级2H<S=<4H三级较重要的自来水管、煤气管、污水管等市政管线、采用天然地基或短桩基础的建筑物等S=<H二级H<S=<2H三级车站围护结构地下连续墙作为主体结构的一部分且主体结构基坑开挖深度最浅处为16.6m，西北角临近某精密仪器有限公司厂房，东北角临近某新区自来水厂，东南角是商业广场，建筑物较密集。综合车站周边环境和工程特点，确定此车站的保护等级为一级，考虑1.1的重要性系数，基坑环境保护等级为一级，即地面最大沉降量蕊0.2%H，围护墙最大水平位移蕊0.3%H（H为基坑开挖深度），且蕊30mm。施工过程中对于周边建（构）筑物和管线须根据监测数据采取跟踪注浆等相应保护措施。2.2典型断面选取由于车站所处场地地质条件比较均匀，因此分别在标准段和端头井段各取一断面进行设计。在标准段中选择车站中心点为典型断面；端头井选择东侧端头井为典型断面进行结构计算。典型断面地质剖面图如表2-2所示：项目断面1断面2所在位置标准段端头井地质剖面示意图基坑深度16.60m18.60m坑底土层⑤层粉质粘土⑤层粉质粘土4.2设计条件（1）围护结构采用杆系弹性有限元法进行结构计算，开挖期间围护结构作为支挡结构，承受全部的水土压力及路面超载，使用阶段和主体结构一起承载，按可能出现的最不利的荷载组合进行强度、变形及稳定性计算。（2）施工阶段土压力对于砂性土根据地质报告中各土层的物理力学参数按水土分算进行计算，水压力按静水头压力计算，地下水位按地表以下0.5m计，基坑开挖前20天须进行基坑内降水，降水后水位位于坑底下1.0m；对于粘性土则采用水土合算的原则进行计算，地面超载按20KPa计算。（3）地下连续墙及钻孔灌注桩混凝土强度选用水下C30，地下墙抗渗等级>=S6，钢筋混凝土围擦、支撑的混凝土设计强度等级为C30，底板下素混凝土垫层强度为C20o（4）钢支撑采用Q}609钢管支撑，壁厚t=16mmo（5）施工阶段土压力对于砂性土根据地质报告中各土层的物理力学参数按水土分算进行计算，水压力按静水头压力计算，地下水位按地表以下0.5m计，坑内lm；对于粘性土则采用水土合算的原则进行计算，地面超载按20KPa计算。4.3围护结构选型根据分析某地铁车站其土质为软土，所以选取软土地区车站围护型式进行类比由于该车站若支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周围的环境以及地下施工会产生严重影响，考虑到基坑开挖深度为16.6~18.6m，通过工程类比划分，选择地下连续墙结构作为围护结构。4.4支撑结构选型及设计4.4.1支撑围模设计（1）围擦结构比选采用坑内支撑和围擦结构体系时，围擦结构的常用形式有钢结构和钢筋混凝土结构。钢结构和钢筋混凝土结构的特点见表2-6所示。结构优点缺点适用范围钢1.安全，拆卸方便；2可重复利用，使用和围护成本低；对施工的干扰小。1.强度不如钢筋混凝土；2.对于形状不规则的基坑，架设较为困难。深度较小，形状较规则的基坑钢筋混泥土1.材料的强度较大，安全系数高；2.对于形状不规则的基坑使用更方便。1.安装、拆除比钢结构困难；2.不能重复利用，使用成本较高3.钢筋混凝土结构的尺寸大，对施工的干扰大开挖深度大，形状不规则的基坑《建筑基坑工程技术规程（JGJ120-99>》中规定：通常情况下应利用围护墙顶的水平圈梁兼做第一道水平支撑的围擦。在该车站基坑设计中，采用车站基坑的顶圈梁兼做第一道水平支撑的围擦。除顶圈梁外，在架设其它道钢筋混凝土支撑时，也需设置围擦。基坑开挖深度最大达到18.60m，基坑所处区域地层为软弱土层，根据以上条件，采用钢筋混凝土结构作为车站基坑的围擦形式。在架设其它各道钢支撑时，可将钢支撑直接架设在地下连续墙开挖面，在设计时均不单独设置围擦结构。（2）围擦结构尺寸确定顶圈梁的结构尺寸，主要受基坑形状、基坑场地范围内土层情况和基坑开挖深度的影响，当基坑开挖深度大、基坑形状不规则、所处地层为软弱土层时，顶圈梁的结构尺寸要适当增大以承受地下连续墙传递来的应力。该车站基坑围擦结构的剖面尺寸见表2-7。表2-7车站围檀结构剖面尺寸断面围檀尺寸端头井1000×800标准段1000×800在架设其它各道钢支撑时，可将钢支撑直接架设在地下连续墙开挖面，在设计时均不单独设置围擦结构。4.4.2支撑竖向布置（1）软土地区设计经验表2-8中列出了部分软土地基地区的车站基坑支撑布置，用以进行工程类比。表2-8部分软土地区车站基坑竖向支撑型式及参数（2）车站结构位置初步拟定值根据标准和相关设计要求，参考类似工程的经验，结合该车站的基坑安全等级和车站所在地区的土层情况，在保证安全的前提下尽量方便施工，初步拟定车站主体结构顶板、中板、底板的位置见表2-9。表2-9车站主体结构形式以上图表中的数值为车站主体结构顶板、中板、底板在地面开挖面以下的深度。在该开挖深度范围内，不允许施做基坑的支撑结构。参考规范给出的建议值，结合软土地区的设计经验，可以初步确定车站基坑的支撑形式和道数。（3）车站支撑位置初步拟定值硅支撑水平距离一般取8mo，钢支撑水平距离确定：围护墙为地下连续墙时为保证在每个槽段的墙体稳定，一般设置至少2个支撑点，每幅墙长为6m，则每道支撑的水平距离为3m。计算端头井时，支撑水平间距按照标准段取值，支撑长度按照标准段支撑长度加上端头井加宽距离取值。基坑净宽18.7m，端头井每侧加宽2m，则端头井宽为：18.7+2+2=22.7（m）支撑竖向布置按照根据工程类比法，初步拟定各支撑如下，标准段共设4道支撑，1道硅支撑，3道钢管支撑；端头井共设5道支撑，1道硅支撑，4道钢管支撑。支撑位置对应的标高如表2-10、图2-1，2-2所示。表2-10支撑位置对应标高及埋深图2.1标准段土层与支撑位置设计剖面图图2.2端头井土层与支撑位置设计剖面图4.5围护插入比以及地墙厚度拟定4.5.1地连墙插入比设计总结软土地区工程实例，得到表2-11：注：（二）指2号线车站；（六）指6号线车站根据工程类比，软土地区地下车站基坑围护结构插入比一般取值为0.8~1.0之间。拟选取围护结构插入比如表2-12所示：表2-12地下连续墙插入比初步拟定4.5.2地连墙厚度设计总结软土地区工程实例，得地下连续墙厚度与埋深的关系如表2-13所示：表2-13地墙厚度与深埋关系工程类比根据工程实践经验，地下连续墙的深厚比有如下关系：墙厚600mm时地墙最深可达28m；墙厚800mm时地墙最深可达45m，墙厚1000^-1200mm时地墙最深可达50m。该车站地下连续墙深度最大为34m，且标准段和端头井墙底土层都为⑦，粉质粘土，因此可采用800mm厚地下连续墙。2.7基坑加固2.7.1标准段基坑加固某地铁车站基坑标准段设置一定范围的搅拌桩加固，加固参数取加固宽度3m，间距5m，加固深度3m左右。坑内加固采用搅拌桩，施工工艺为三轴深层搅拌桩。加固区域如图2.3所示。图2.3标准段基底加固俯视图4.5.3端头井基坑加固采用与标准段相同的方法对端头井进行加固，加固区域如图2.4示。图2.4端头井基底加固俯视图4.6围护结构稳定性验算4.6.1整体稳定性验算考虑内支撑作用时，通常不会发生整体稳定破坏，因此对只设一道支撑的支护结构需验算整体滑动，而对设置多道内支撑时可不作验算。本次围护结构设计需要多道支撑，所以不用再做整体稳定性验算。4.6.2围护墙体抗倾覆稳定验算图2.5围护结构抗倾覆检算示意图根据《上海市基坑工程设计规程（DBJ08-61-97>》可知，抗倾覆稳定性计算公式：（2.1）MRC：抗倾覆力矩MRC=FPZP，取基坑开挖面以下围护墙入土部分坑内侧压力，对下一道支撑或锚钉点的力矩。MOC：倾覆力矩MOC=FaZa。取最下一道支撑和锚钉点以下围护墙坑外侧压力，对最下一道支撑或锚钉点的力矩。：抗倾覆稳定性安全系数，一级基坑工程取1.20，二级基坑工程取1.10，三级基坑工程取1.05。本站为一级基坑工程取1.20。其中计算点处的被动土压力计算公式如下：式中Pp一计算点处的被动土压力（kPa）γi一计算点以上各土层的天然重度（kN/m3）水下重度———计算点以上各层土的重度（m）；——计算点处的被动土压力系数，由下式计算得到：（2.3）（2.4）一一计算点处的土的粘聚力（kPa）和内摩擦角（°）——计算点处的地基土与墙面之间的摩擦角（°），土质较差时取大值，反之取小值。围护结构为地下连续墙，取。计算点处主动土压力计算公式如下：（2.5）其中q一一地面超载，此处取q=20KN/m2。计算时，采用水土分算的原则，潜水水位以下土的重度使用浮重度。根据勘察资料，潜水位埋深为0.5m。基坑降水后基坑内水位在基坑底板以下1.0米。表2-18土体性质计算表土层代号及名称含水量W（%）土重度（KN/m）空隙比eoC（kpa）内摩擦角（°）γ'KaKpKph①填土33.418.80.95115.010.09.060.701.631.95③1粘土28.219.60.79945.011.09.840.681.722.10③2粉质粘土29.619.40.82625.011.09.600.681.722.10④粉质粘土31.419.20.85629.310.49.330.691.672.01④1粉土29.719.10.8317.629.49.370.345.9813.73④2粉土夹粉砂32.018.70.9208.730.99.060.326.8717.20⑤粉质粘土32.219.10.88723.711.39.250.671.752.15⑥1粘土23.820.30.65761.913.110.540.631.932.47⑥2粉质粘土27.219.40.78426.815.09.750.592.152.89⑦1粉质粘土31.220.51.0615.231.610.860.317.3519.23⑦2粉土32.518.50.9369.528.78.900.355.6212.43⑧1粉质粘土32.018.90.89524.211.49.140.671.762.17表2-19主动土压力计算表计算断面土层编号厚度h（m）γ'qcKAPa上限Pa下限标准段①0.518.89.402015.00.7000地下水位以下①1.39.0621.182015.00.7003.72③12.80.8448.732045.00.6800③23.89.6085.212025.00.685.5130.31④5.169.33133.352029.30.6923.9257.14支撑以下④1.349.33145.862029.30.6957.1465.76⑤7.19.25211.532023.70.6772.32116.33⑥13.510.54248.422061.90.6347.6070.84⑥23.79.75284.502026.80.59117.20138.48⑦11.810.86304.042015.20.3177.4783.53端头井①0.518.89.402015.00.7000地下水位以下①0.29.0611.212015.0.07000③13.19.8441.722045.00.6800③24.19.6081.082025.00.680.7427.50④6.99.33145.452029.30.6921.0765.49⑤0.769.25152.482023.70.6772.0576.77端头井支撑以下⑤5.549.25203.732023.70.6776.77111.10⑥15.310.54259.592061.90.6342.6977.88⑥22.29.75281.042026.80.59123.79136.44⑦15.410.86339.682015.20.3176.4094.58表2-20主动侧水压力计算表表2-21被动土压力计算表表2-22被动侧水压力计算表表2-26水压力抗倾覆力矩计算表综合以上表格，可以得到总的倾覆力矩和抗倾覆力矩，从而计算得到车站标准段和端头井的抗倾覆稳定安全系数，如表2-27所示：表2-27抗倾覆力矩、倾覆力矩及安全系数经验算，该车站标准段和端头井的抗倾覆稳定安全系数都大于1.20，所以，抗倾覆稳定性都符合要求。4.6.3抗滑移稳定性验算抗滑移稳定性验算主要考察重力式围护墙体沿底面滑动的可能性。本车站围护结构为板式有支撑围护结构，可不作抗滑移稳定性验算。4.6.4抗隆起稳定分析将墙底面作为求极限承载力的基准面，采用地基承载力模式计算按以下公式验算围护墙底地基承载力，计算图式见图2.6：（2.6）式中：D一一围护墙在基坑开挖面以下的深度（m）；ho一一基坑开挖深度（m）；1一一坑外地表至围护墙底，各层土天然重度的加权平均值（kN/m3）；2一一坑内开挖面以下至围护墙底，各层土天然重度的加权平均值（kN/m3）；图2.6围护墙底地基承载力验算图示Nq、Nc一一地基承载力系数。根据围护墙底的地基土特性计算，Nq，、Nc分别为：（2.7）（2.8）：分别为围护墙底地基土粘聚力（kPa）和内摩擦角一一围护墙底地基承载力安全系数。一级基坑取2.5，级基坑取1.7。计算结果见表2-28：表2-28抗隆起稳定性计算由于该车站工程为一级基坑工程，围护墙底地基承载力安全系数为2.5，所以，标准段和端头井的抗隆起稳定性均符合要求4.6.5抗渗透稳定性分析A.抗渗流稳定性计算计算图式见图2.7：图2.7抗渗流稳定性检算示意图抗渗流稳定性计算主要是针对基坑坑底土体在内外水头差作用下是否会发生流土现象。板式围护结构的抗渗流稳定性系数：（2.9）式中：ic一一坑底土体的临界水力坡度，由坑底土的特性计算：一一坑底土的比重；e一一坑底土的天然孔隙比；i一一坑底土的渗流水力坡度，一一基坑内外土体的渗流水头（m），取坑内外地下水位差；L一最短渗径流线总长度（m），一一渗径水平段总长度（m）；一一渗径垂直段总长度（m）；m一一渗径垂直段换算水平段的系数，单排帷幕墙时m=1.5；多排帷幕墙时m=2；一一抗渗流稳定性安全系数，取1.52.0，基坑底土为砂性土、砂质粉土或粘性土与粉性土中有明显薄层粉砂夹层时取最大值。本例抗渗流稳定性安全系数取200根据资料，取潜水位埋深0.5米，基坑降水后基坑内水位在基坑底板以下1.0米。计算参数见表2-29：表2-29抗渗流稳定性验算计算参数计算结果见表2-30：表2-30抗渗流稳定性计算结果经验算，标准段和端头井抗渗流稳定性均符合要求。B.抗突涌计算图2.8抗突涌稳定性检算示意图根据本区钻探资料及附近水文地质孔资料，拟建场地埋藏分布有三层孔隙承压含水层，主要为浅部③层微承压水，深部承压含水层可划分为第工含水层组（}3）和第且含水层组（Q2）。（1）孔隙微承压水浅层微承压水主要赋存于③层含粘性土粉砂或粉土层中，埋深较浅，被围护结构隔断，此层承压水降水方法与潜水层降水方法相同，采用降水井（疏干井）降水。（2）I层孔隙承压水具体参数见表4-30，计算结果见表4-31。承压水含水层由晚更新统沉积成因的土层组成，主要为⑦2粉土层，承压水头标高在一1.lOm左右，年变幅lm左右。对于本地铁车站施工，需考虑承压水的突涌问题，该含水层隔水顶板为⑥1粘土层，具承压性。根据《基坑工程技术规范（J08-61-2010）》，当基坑开挖面以下存在承压水含水层且其上部存在不透水层时，应按下列公式验算开挖过程中此不透水层的抗承压水稳定J胜，计算图示见图2.8：式中：γspwk一一承压含水层顶部的水压力标准值（kPa）；γi一一承压含水层顶面至坑底间各土层的重度（kN/m3）；hi一一承压含水层顶面至坑底间各土层的厚度（m）γRy一一抗承压水分项系数，取1.05；表2-30承压水水压力计算表表2-31抗承压水总抗力计算表由此可见，标准段和端头井的承压水水压力都大于总抗承压力，所以需要设置降压井。每口降压井作用范围按200m2计算，基坑外包尺寸长125.2m，每侧端头井长15.7m，标准段开挖过程净宽18.7m，端头井开挖过程净宽22.7m，则供需布置降压井数量为：因此需布置13个降压井。4.6.6计算结论经验算，某车站标准段围护结构采用800mm地下连续墙，插入比为0.83，端头井围护结构采用800mm地下连续墙，插入比为0.87，符合各项稳定性要求。表2-32各处安全系数汇总与插入比最终值第5章围护结构内力及支撑内力计算A.计算参数在SAP模拟时，还需要将每个工况的土压力求出。在计算土压力时，需要将墙底以上的土层进行加权平均，求出⑦，土层以上各土层的加权平均重度以及加权平均内摩擦角，进而得出主动土压力系数。端头井以及标准段的各项加权平均值见表2-33，2-34。表2-33标准段基坑外地下连续墙底以上各土层情况主动土压力系数Ka=tan2（45°-/2）=0.637表2-34端头井基坑外地下连续墙底以上各土层情况续表2-34主动土压力系数Ka=tan2（45°-/2）=0.594本次车站设计中有两个典型断面，就需对两种不同高度的地下连续墙进行内力计算。分别是标准段处连续墙，东端头井处连续墙。地下使用C30混凝土，E=3.Ox104MPa。使用HRB335钢筋，E=2.Ox105MPa。端头井与标准段的参数见表2-35：表2-35各支撑弹簧系数计基坑开挖面以下，水平弹簧支座和垂直弹簧支座的压缩弹簧刚度KH、Kv，可按下式计算。（2.12）（2.13）式中：KH、Kv一一分别为水平向和垂直向压缩弹簧系数（kN/m）；KH、Kv一一分别为地基土的水平向和垂直向基床系数（kN/m3，开挖面以下一定深度内的水平向基床系数取为三角形分布，三角形分布区内的水平向基床系数kH=mz；m为水平向基床系数沿深度增大的比例系数；z为影响深度，一般取开挖面以下3~5m，坑底地基土软弱或受扰动较大时取大值，反之取小值；b，h一一分别为弹簧的水平向和垂直向计算间距，此处均为lm。取z=4。根据《某地铁车站岩土工程勘察报告（2007-K-413-3）》，可得各土层的水平向以及垂直向压缩弹簧系数见表2-36：表2-36某车站各土层压缩弹簧系数层号岩性名称水平压缩弹簧刚度垂直压缩弹簧刚度比例系数KH（KN/m）Kv（KN/m）M（KN/M4）①填土10000120002500③1粘土20000240005000③2粉质粘土16000180004000④粉质粘土12000140003000⑤粉质粘土10000120002500⑥1粘土26000320006500⑥2粉质粘土22000250005500⑦1粉质粘土30000360007500B.计算工况在进行支护结构的内力计算时，采用增量法进行计算，增量法图示见图2.10第一步第二步第三步第四步图2.10增量法图示车站施工工况划分：A.车站标准段施工共分为8个工况，其中开挖阶段分为5个工况：（1）开挖至第一道支撑位置下0.5米；（2）架设第一道支撑，开挖至第二道支撑位置下0.5米；（3）架设第二道支撑，开挖至第三道支撑下0.5米；（4）架设第三道支撑，开挖至第四道支撑下0.5米；（5）架设第四道支撑，开挖至基坑底。标准段主体结构施工阶段分为3个工况，分别为：（6）内部结构施工完成第一层，拆除第三、四道支撑；（7）内部结构施工完成，拆除第二道支撑；（8）拆除第一道支撑，顶板上覆土回填。B.车站端头井施工共分为9个工况，其中开挖阶段分为6个工况：（1）开挖至第一道支撑位置下0.5米；（2）架设第一道支撑，开挖至第二道支撑位置下0.5米；（3）架设第二道支撑，开挖至第三道支撑下0.5米；（4）架设第三道支撑，开挖至第四道支撑下0.5米；（5）架设第四道支撑，开挖至第五道支撑下0.5米；端头井主体结构施工阶段分为3个工况，分别为：（6）架设第五道支撑，开挖至基坑底。内部结构施工完成，拆除第二道支撑；拆除第一道支撑，顶板上覆土回填。端头井主体结构施工阶段分为3个工况，分别为：（7）内部结构施工完成第一层，拆除第三、四道支撑；（8）内部结构施工完成，拆除第二道支撑；（9）拆除第一道支撑，顶板上覆土回填。在围护结构内力计算期间，先进行开挖阶段的工况计算。由于工况一是从地面开挖至第一道混凝土支撑以下0.5米处，故需要考虑地面超载的影响。而从工况二开始，土压力均是从上一道支撑处开始计算，此时最小土压力为零，每一个工况均是开挖到支撑以下0.5米处，故每一个工况的最大土压力在开挖面处取得，并且在以下的土体中保持最大土压力。采用水土合算的方法，取提高的主动土压力来计算水土压力，公式如下：5.1围护结构内力计算流程A.基坑开挖阶段标准段围护结构内力计算本章主要对开挖阶段围护结构的内力进行分析，由于对于主体结构施工阶段围护结构内力的分析涉及到主体结构的尺寸拟定等内容，所以将在第三章继续分析，采用SAP进行内力计算，各工况内力计算如下：（1）工况1：开挖到第一道撑下0.5米，该工况计算模型和围护结构内力图如图2.11所示：图2.11工况1计算模型及围护结构内力图（2）工况2：架设第一道支撑，开挖至第二道支撑位置下0.5米，该工况计算模型和围护结构内力图如图2.12所示图2.12工况2计算模型及围护结构内力图（3）工况3：架设第二道支撑，开挖至第三道支撑下0.5米，该工况计算模型和围护结构内力图如图2.13所示：图2.13工况3计算模型及围护结构内力图（4）工况4：架设第三道支撑，开挖至第四道支撑下0.5米，该工况计算模型和围护结构内力图如图2.14所示：图2.14工况4计算模型及围护结构内力图（5）工况5：架设第四道支撑，开挖至基坑底，该工况计算模型和围护结构内力图如图2.15所示：图2.15工况5计算模型及围护结构内力图综合以上数据，得到标准段开挖阶段支护结构的弯矩和剪力包络图如2.16所示：图2.16某车站标准段开挖阶段围护结构内力包络图分析数据可得，标准段最大正剪力出现在工况4，为259.80kN，最大负剪力出现在，工况5，为一378.36kN；开挖面最大弯矩出现在工况5，为682.57kN·迎土面最大弯矩出现在工况5，为278.85kN·m。迎土面最大弯B.基坑开挖阶段端头井内力计算：端头井开挖阶段的内力计算与标准段方法一样，共分为6个工况，通过SAP2000进行模拟，最终得到端头井围护结构的弯矩和剪力包络图2.17，所示：图2.17某车站端头井开挖阶段围护结构内力包络图分析数据可得，端头井最大正剪力出现在工况5，为246.43kN，最大负剪力出现在工况6，为一395.79kN；开挖面最大弯矩出现在工况6，为658.82kN·m，迎土面最大弯矩出现在工况5，为350.15kN·m。综合以上包络图，得到开挖阶段标准段和端头井的各个极值如下表：表2-38断面极值5.2基坑内支撑体系设计本工程根据基坑的开挖深度和主体结构的实际情况主要是连续墙布置和楼板的设置情况，设置有一道钢筋混凝土支撑，其他均为钢管支撑，第一道钢筋混凝土支撑采用现浇混凝土结构支撑，刚度比较大，适用与各种复杂基坑形状，节点不会产生松动，具有很高的可靠性，支撑型式为水平支撑体系，由围擦、水平支撑和立柱组成，水平支撑分为对撑和角撑，并且中间留出可以供大型挖土设备