城市框架下穿隧道基坑支护工艺对比研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.1（上）-111-工 程 技 术1 工程简介成都市五环路双流段项目拟建的成新蒲下穿隧道长度为 810m，其中某段（220m）下穿成新蒲大道入城段。下穿隧道采用明挖顺筑法进行施工，因此需在成新蒲大道与下穿隧道交叉范围进行基坑开挖，为框架隧道提供工作面。基坑开挖深度为 8.0m9.6m，属于深基坑，安全等级为一级。基坑西侧距已建成的中电科大楼约为 60m，东侧距现有双楠大道约为 65m、距中铁大楼约为 35m。由于下穿隧道施工周期较长且周边建（构）筑物众多，因此当基坑支护设计时应该重点考虑开挖支护对基坑自身及周边建（构）筑物的影响，保证基坑稳定。2 基坑支护方案对比分析根据基坑支护工艺技术成熟性的要求，框架段下穿隧道基坑支护工艺可选用放坡开挖、灌注桩支护、地下连续墙支护以及钢板桩支护等 4 种支护工艺。拟建隧道与既有成新蒲大道接近正交且框架段基坑开挖深度为 8.0m9.6m，若放坡开挖，则横向会大量占用既有道路，导致纵向与周边建（构）筑物安全距离不足。当采用灌注桩支护工艺时基坑可接近垂直开挖，不额外占用既有道路及周边用地1。其较好的抗变形能力可保障基坑安全，但现浇结构因混凝土龄期特性所以会导致施工周期较长，制约项目工期及材料投入。虽然地下连续墙支护结构刚度大，抗渗性、挡土和隔水效果好，但是当地下连续墙遇到坚硬土体或是岩层时施工较困难，需要特殊的成槽设备且施工费用较高2。结合下穿隧道框架段地质情况，地面下约 46m 为超厚卵石层且基坑开挖深度较深，采用钢板桩不仅难以抵抗巨大的土压力，还在卵石层中难以顺利打拔，不能保障基坑安全性。通过上述分析，结合五环路双流段项目建设要求，初步拟定采用灌注桩支护及地下连续墙支护，具体结构形式及参数如下。支护工艺 1：灌注桩支护。采用 1.2m 灌注桩及桩间挂网喷浆防护，桩顶设置冠梁，基坑横向设置两道格构柱，其下设置 1.0m 立柱桩，其顶设砼支撑，沿基坑纵向间距 8m共计 12 排。支护工艺 2：地下连续墙支护。采用厚 800mm 的自立式地下连续墙，“I”形断面，墙体为 C35 混凝土，接头形式为钢筋混凝土接头。3 支护结构稳定性分析根据上文基坑支护方案对比分析结果，重点对灌注桩支护及地下连续墙支护这两种工艺的稳定性进行分析。3.1 灌注桩支护稳定性分析3.1.1 计算嵌固稳定性灌注桩支护工艺属于单层支撑的支挡结构，根据文献3要求，其嵌固深度应符合下列嵌固稳定性的要求。结构受力简图如图 1 所示，计算嵌固稳定性如公式（1）所示。22pkpemakaE ZKE Z （1）式中：Kem为嵌固稳定安全系数；当基坑安全等级为一级时，Kem 1.25；Eak、Epk分别为基坑外侧主动土压力和内侧被动土压力合力标准值，kN；Za2、Zp2分别为基坑外侧主动土压力和内侧被动土压力合力作用点至支点的距离，m。根据公式（1）和灌注桩支护工艺结构物参数，计算灌注桩嵌固稳定安全系数 Kem=2.471.25，满足规范要求。城市框架下穿隧道基坑支护工艺对比研究林齐鸣万历唐瑜（中电建路桥集团有限公司，北京 100048）摘 要：在城市下穿隧道施工过程中，受工程地质条件、周围建（构）筑物以及既有道路的影响，在基坑支护工艺选择上有很多限制。通过对常见基坑支护方案进行对比，拟定适宜的支护工艺，进而通过理论计算得出利用灌注桩支护及地下连续墙支护工艺的嵌固稳定性、抗隆起稳定性及整体稳定性安全系数，并通过建立有限元数值模型对拟定的支护结构坑外深层土体位移变化进行分析验证，最终确定适合工程项目的最优支护工艺，在指导工程施工的同时，也为类似工程项目在基坑支护工艺选择上提供思路。关键词：市政工程；下穿隧道；基坑支护；灌注桩；地下连续墙；稳定性分析；数值模拟中图分类号：U45文献标志码：A注：q0为地面均布荷载，kPa；h为基坑开挖深度，m；ld为挡土构件的嵌固深度，m；Pak为主动土压力强度标准值，kPa；Ppk为被动土压力强度标准值，kPa。图 1 单层支撑的支挡结构嵌固稳定性计算结构简图ldhZa2Zp2PpkEpkEakpakq0中国新技术新产品2024 NO.1（上）-112-工 程 技 术3.1.2 计算坑底隆起稳定性单层支撑的支挡结构嵌固深度应满足坑底隆起稳定性要求，结构受力简图如图 2 所示，计算抗隆起稳定性如公式（2）公式（4）所示。注：q0为地面均布荷载，kPa；h为基坑开挖深度，m。图 2 挡土构件底端平面下土的抗隆起稳定性计算结构简图Dhq0m2Dm1D（h+D）+q0?m2m1DNcNhDqKqche?0 （2）（3）Ntgq?2452?etanNc=（Nq-1）/tan （4）式中：Khe为抗隆起安全系数，当基坑安全等级为一级时，Khe 1.8；m1、m2分别为基坑外和基坑内挡土构件底面以上土的重度，kN/m3；D 为基坑底面至挡土构件底面的土层厚度，m；h 为基坑深度，m；q0为底面均布荷载，kPa；Nc、Nq为承载力系数；c 为挡土构件底面以下土的黏聚力，kPa；为挡土构件底面以下土的内摩擦角，。根据公式（2）公式（4）以及灌注桩支护工艺结构物与土层参数，计算灌注桩抗隆起安全系数 Khe=3.601.8，满足规范要求。3.2 地下连续墙稳定性分析3.2.1 嵌固稳定性计算地下连续墙支护工艺属于悬臂式支挡结构，根据规范要求，嵌固深度应符合下列嵌固稳定性的要求。结构受力简图如图 3 所示，计算嵌固稳定性如公式（5）所示。11pkpemakaE ZKE Z （5）式中：Kem为嵌固稳定安全系数；当基坑安全等级为一级时，Kem 1.25；Eak、Epk分别为基坑外侧主动土压力和内侧被动土压力合力标准值，kN；Za1、Zp1分别为基坑外侧主动土压力和内侧被动土压力合力作用点至挡土构件底端的距离，m。根据公式（5）以及地下连续墙支护工艺结构物参数，计算地下连续墙嵌固稳定安全系数 Kem=1.771.25，满足规范要求。3.2.2 整体稳定性计算悬臂式支挡结构应当满足整体稳定性要求，可采用圆弧滑动条分法进行整体稳定性计算，其结构受力简图如图 4 所示，计算整体稳定性如公式（6）、公式（7）所示。注：1为任意圆弧滑动面；2为锚杆（悬臂式支挡结构可不考虑）；qj为作用在第j土条上的附加分布荷载标准值，kPa；h为基坑开挖深度，m；ld为挡土构件的嵌固深度，m；Rk，k为第k层锚杆对圆弧滑动体的极限拉力值，kN；Sx，k为第k层锚杆的水平间距，m；hwa，j为基坑外地下水位至第j土条滑弧面中点的垂直距离，m；k为第k层锚杆的倾角；O为第j土条滑弧面中点处的法线与垂直面的交点。图 4 圆弧滑动条分法整体稳定性计算结构简图O12qjjhwa,jRk,k/Rx,kldhjbjkRiGjKc lq lGu lq bGs ij jj jjjj jjjjjj,costansin?（6）minKs，1，Ks，2Ks，iKs （7）式中：Ks为圆弧滑动整体稳定安全系数，当基坑安全等级为一级时，Ks 1.25；Ks，i为第 i 个滑动圆弧的抗滑力矩与滑动力矩的比值；cj为第 j 土条滑动弧面处土的黏聚力，kPa；j为第 j 土条滑动弧面处土的内摩擦角，；bj为第 j 土条的宽度，m；j为第 j 土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角，；lj为第 j 土条的滑弧长度，m，取 lj=bj/cosj；qj为作用在第 j 土条上的附加分布荷载标准值，kPa；Gj为第 j 土条的自重，按天然重度计算，kN；uj为第 j 土条在滑弧面上的孔隙水压力，kPa；坑底在地下水位以上时其值取 0。根据公式（6）、公式（7）和地下连续墙支护工艺结构物与土层参数，计算地下连续墙整体稳定安全系数KS=2.331.25，满足规范要求。另外，根据规范要求，可不计算悬臂式支挡结构的抗隆起稳定性。3.3 有限元数值模拟对比分析3.3.1 有限元数值模型建立通过上文理论计算得出灌注桩支护和地下连续墙支护各自的稳定性安全系数，为进一步验证在两种支护工艺情注：q0为地面均布荷载，kPa；h为基坑开挖深度，m；ld为挡土构件的嵌固深度，m。图 3 悬臂式的支挡结构嵌固稳定性计算结构简图中国新技术新产品2024 NO.1（上）-113-工 程 技 术况下，基坑外侧土体变形数值及规律，采用 MIDAS 软件，根据地基土物理力学指标及基坑支护结构物材料参数，用1m1m 的微小单元模拟基坑土体，分别建立两种基坑支护工艺有限元数值模型，模型 X 方向为基坑横断面，Y 为纵断面，Z 向上为正。设置模型横向范围为 50m，纵向选取15m。有限元数值模型如图 5 所示。（a）灌注桩支护数值模型（b）地下连续墙支护数值模型图 5 基坑支护有限元数值模型3.3.2 模型计算结果及分析基坑开挖完成后，在不同基坑支护工艺情况下，基坑外侧土体变形将呈现不同规律4。通过有限元模拟，建立距基坑边缘不同距离工况，得到不同支护工艺情况下坑外深层土体位移变化曲线，如图 6 所示。由图 6 可知，基坑外侧深层土体距基坑越近，位移变形越大，反之越小。但不同的是，在灌注桩支护情况下，基坑外侧土体水平位移在地面下约 6m 处出现最大值，约为 2.4mm；而地下连续墙支护在地面下约 8m 处出现最大值，约为 6.3mm。这种差别是因为灌注桩支护工艺嵌固深度较大且桩顶设有冠梁及横向砼支撑，所以可大幅度抵抗基坑周围的主、被动土压力；而地下连续墙主要作用为抵抗主动土压力，较难影响基坑底面以下部分土体产生的被动土压力5。因此两者土体最大位移值均出现在基坑开挖深度范围内（基坑开挖深度为 9m），但处于不同深度轴线上。4 结论经过对五环路双流段下穿隧道基坑支护方案进行对比分析，通过理论计算与有限元模拟对拟定的支护结构稳定性及坑外深层土体位移变形进行验证，可以看出，灌注桩支护工艺在支护结构稳定性方面，各项安全系数均大于地下连续墙支护，基坑外深层土体的位移变形远小于地下连续墙支护工艺。综合考虑工程项目建设相关规定、不同支护工艺各自的安全系数、施工内容、工期进度以及施工成本等，项目最终采用灌注桩支护工艺作为基坑支护首选方案。参考文献1 黄盛锋.基坑开挖对邻近既有隧道的影响分析 D.福州：福州大学，2021.2 袁伟.紧邻高层建筑物的深基坑地下连续墙施工技术 J.中国建筑金属结构，2023，22（6）：68-70.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基坑支护技术规程：JGJ120-2012S.北京：中国建筑工业出版社，2012：9-21.4 吴起飞.深基坑与地铁区间隧道交叉施工影响及保护分析 J.福建建设科技，2022（4）：37-42.5 王升，王小丁，周王鹏，等.地连墙补强桩对填海区深基坑的稳定性影响分析 J.工程建设，2022，54（11）：42-48，78.（a）灌注桩支护土体位移变化曲线（b）地下连续墙支护土体位移变化曲线图 6 不同支护工艺下坑外深层土体位移变化曲线0-2-4-6-8-10-12-14-16-180-2-4-6-8-10-12-14-16-18土体水平位移/mm土体水平位移/mm001.02.03.04.05.06.01.02.00.51.52.5土层深度/m土层深度/m距基坑5m 距基坑10m 距基坑15m距基坑5m 距基坑10m 距基坑15m