不对称深基坑围护结构的设计分析

不对称深基坑围护结构的设计分析

摘 要: 结合深圳地铁 5 号线工程大学城站—塘朗站区间明挖过渡段基坑的设计，介绍了两侧不对称基坑围护结构的计算方法，为类似的两侧不对称基坑的设计计算提供工程类比和参考借鉴。

关键词: 不对称深基坑; 围护结构; 有限元; 地层结构模型

目前深基坑围护设计常用的结构计算软件有理正深基坑、同济启明星等。这些软件都是按对称结构考虑的，根据对称结构原理只计算单侧结构的受力与变形，而工程实际中经常会遇到基坑两侧地面标高不同的情况，但这些常用软件都无法准确地同时计算两侧围护结构的实际内力与变形。为了准确地计算出不对称深基坑两侧围护桩内力及变形的对应关系，以深圳地铁5 号线工程大学城站—塘朗站区间明挖过渡段基坑作为工程实例，采用有限元软件分别建立两侧对称基坑( 按较深一侧建模) 与两侧不对称基坑( 按本基坑的实际情况建模) 的地层结构模型，模拟基坑开挖施工的每个工况并对结果进行分析比较。

1 工程概况

深圳地铁5 号线工程大学城站—塘朗站区间明挖过渡段位于东西向的留仙大道北侧护坡及辅道上。右线隧道西端自暗挖区间结束起，以 2． 5% 的坡度向上，线路出地面后顺接高架桥起点; 左线隧道与右线隧道情况基本一致，但大部分区域左线地面高程较低。区间段的西端北侧留仙大道辅道路面高程约为36． 600 m，南侧留仙大道路面高程约为43． 707 m，基坑两侧高程差向东逐渐减小。基坑净宽约 16． 2 m，最深处基坑两侧土体高度分别为 17． 4 m、10． 3 m，高差达 7． 1 m，基坑安全等级为一级，重要性系数为 1． 1。设计要求围护结构顶部水平位移和地面沉降均 ＜30 mm。

2 工程地质

本区间穿过的岩土层自上而下分别为①1素填土，厚0．4 ～12．5 m，普遍分布于该段地表; ④9中砂，呈透镜体状; ④11砾砂，厚 3． 4 ～3． 9 m，呈透镜体状; ④12圆砾，厚1．2 ～10．0 m，呈透镜体状; ⑦1砾质黏性土，厚 2． 2 ～10． 6 m，主要分布在 DK14 + 690 里程以西; ⑦2砂质黏性土，厚5．5 ～9． 6 m，主要分布在 DK14 +690 里程以东;⑧1全风化花岗岩，厚 4． 5 ～12． 5 m，遇水易软化; ⑧2强风化花岗岩，厚4．5 ～20．9 m，分布在整个场地; ⑧3中风化花岗岩，局部有揭露，最大揭露深度7．5 m; ⑧4微风化花岗岩，局部有揭露，最大揭露深度9 m。

根据地质详勘报告，施工场地范围内有较厚的砂层及填土层，暗埋段结构底板下的土层大部分为砂层及填土层，局部也有残积层及全风化岩层。敞开段结构底板基本位于残积层上。

3 基坑支护方案的设计

区间处于留仙大道辅道与正道之间的绿化带内，基坑周围管线密集、没有条件放坡，故采用“排桩 + 内支撑”的基坑围护结构形式。工程西端的基坑南侧原地面( 即路面) 高于北侧原地面，最大高差约为 7 m。为在高边坡处施工排桩，须先挖槽施工挡土墙，平整坡度后再施工排桩。南侧围护桩顶面( 即冠梁底面)高于北侧围护桩顶面，最大高差为 4 m。为减小围护结构的整体水平位移，还在南侧围护桩的顶部设置1 ～ 2道锚索。基坑南、北侧的地面高差值由西向东逐渐减小，南、北侧围护桩顶面的高差也逐渐减小。

基坑围护桩采用Ф1 000 mm(Ф800 mm) 钻( 冲)孔灌注桩，钻( 冲) 孔桩间距为 1 150 mm( 950 mm) ，桩间采用Ф600 mm 双管旋喷桩止水，桩顶设 1． 2 m ×1． 0

m( 1． 0 m × 1． 0 m) 冠梁。支撑采用壁厚 14 mm 的Ф600 mm 钢支撑，钢支撑间距 3 m( 局部基坑深度较浅处间距适当加大) 。但在西端约 L/3 段( L 为明挖基坑的长度) ，由于基坑南侧围护桩顶面高出北侧围护桩顶面，故第1 道钢支撑南侧撑在混凝土腰梁上，北侧撑在混凝土冠梁上。最深处基坑围护结构横剖面图见图 1。

为防止基坑开挖时基底发生涌砂事故，所以在基底位于砂层( ④9、④11、④12) 地段时钻( 冲) 孔桩须伸入砂层下的不透水层 1 m( 桩间

600 mm 双管旋喷桩止水帷幕深

度相同) ，以切断坑内外的水力联系。施工中再进行井点降水，以确保基坑的安全施工［1］。

4 基坑支护计算

采用有限元软件，以两侧最大高差为4 m 的基坑为分析对象，分别建立 2 种地层结构模型。1 种为按较深一侧建模的两侧对称基坑，另1 种为按基坑实际情况建模的两侧

不对称基坑。模拟基坑开挖施工的每个工况，得到计算结果。图2 为不同模型的基坑位移云图。

计 算 显 示，对 称 模 型 的 最 大 水 平 位 移 为24． 34 mm，不对称模型的为 31． 45 mm。

图 3 为不同模型的有效主应力图，对称模型的最大有效主效力为 334． 59 kN/m2，不对称模型的为368． 17 kN / m2。

图 4 为不同模型的围护桩弯矩包络图，对称模型的最大弯矩为 303． 95 kN·m，不对称模型的左侧为177． 35 kN·m，右侧为 349． 98 kN·m。

通过对 2 类模型计算结果的比较，可以看出基坑两侧不对称情况下较深一侧围护桩的弯矩比同等深度对称基坑的弯矩大，在两侧高差4m的情况下，放大的比例约为 1． 15。同时，还可以得出不对称基坑两侧围护桩内力的对应关系。

采用理正深基坑软件按基坑较深一侧的深度对基坑进行常规计算。运用朗金土压力公式计算分析主动侧水土压力，其中砂层等透水性大的土层采用水土分算，黏性土等弱透水层采用水土合算，开挖面以下采用矩形分布; 施工期间路面超载按 20 kN/m2计。计算结果如图 5 所示，基坑内侧为负，外侧为正。

运用前面分析得出的基坑两侧对称与不对称两种情况的比例关系，对理正深基坑软件计算结果进行修正，从而可以得到基坑两侧围护结构的实际内力。

5 结语

本文应用有限元软件对基坑进行了分析计算，并运用了一些创新的设计手段，为类似的两侧不对称基坑围护结构的设计积累了一定的经验，并为复杂基坑工程的设计提供了新的思路。本文提供的计算方法取得了理想的效果，目前基坑已成功实施，各项监测指标均符合设计要求。

参考文献:

［1］刘国彬，王卫东． 基础工程手册［M］． 2 版． 北京: 出版社，2009．