基坑装配式组合支护结构设计

栾先彬 王少帅

（青岛市地铁规划设计院有限公司，山东 青岛 266000）

随着城市人口的逐渐增多，城市空间的有效使用面临越来越大的压力[1]。在这样的情况下，城市交通向地下寻求空间已经成为一种必然趋势，地铁就在这样的背景下获得了快速发展。从我国的实际情况来看，北上广深等一线城市的地铁系统已经相当完备，且仍在进一步的扩建中。国内二线和有条件的三线城市，也都在陆续开展地铁建设，减少地面交通的压力、尽可能地提升城市空间的利用率[2]。从城市地铁系统的建设来看，逐渐完善城市地铁系统，进一步向深层次地下开发，获得更大的建设空间发展是必然选择[3]。为了满足地铁建设的深度和复杂化的需求，基坑深度也要随之增加，基坑形式更加多样，这就给基坑整体安全性带来了更大的挑战。尤其是随着挖掘深度增加，基坑建设可能会面临更加复杂和多样性的土层地质条件，这就给基坑的安全性造成了更大的隐患。为此，该文提出一种装配式组合支护结构，以期更好地满足基坑的安全性。

1 基坑支护结构的变形分析

基坑支护结构的合理设计，依赖于对基坑挖掘环境及地质条件的准确性，更依赖于支护结构建成后可能出现的变形分析的合理性，尤其是可能出现的变形分析，直接决定了支护结构如何选择设计方案，如何对可能产生变形进行最大的抵抗。因此，对于支护结构在基坑防护中使用的变形分析，具有非常重要的意义。对于基坑支护结构的变形分析，常见的有三类方法，包括基于极限平衡的支护结构变形分析、基于弹性基梁的支护结构变形分析和基于数值分析的支护结构变形分析。

1.1 基于极限平衡的支护结构变形分析

基于极限平衡的支护结构变形分析，从原理上看是假定基坑两个侧向的土质压力保持稳定，即不发生动态变化，相当于考虑静态土质压力对于支护结构变形产生的影响，去分析基坑支护结构合理的固定深度和实际使用时的内应力大小。在实际过程中，基于极限平衡的支护结构变形分析又可以分成3种类型：基于自由端的极限平衡分析，基于弹性曲线的极限平衡分析，基于等值梁的极限平衡分析。这里重点对第三种类型的极限平衡分析进行阐述。

这种方法的基本思路是将静态平衡下的基坑支护结构，看作是承受载荷的等值梁。支护结构的嵌入部分较深，支护结构支撑组件相当于起到了简支作用，也成为整个支护结构的固定约束。此时，整个支护结构对应一个等效的连续梁体，整个支护结构受到均匀分布的载荷的影响。

在采用等值梁法的过程中，为了计算的可实现性，一般对整个支护结构执行分段处理，从而形成了一个等效的分段简支梁。为了对支护结构的变形和合理嵌固深度进行计算，首先要计算土层给支护结构提供的主动压力和被动压力，对测量点到地表的距离进行计算，如公式（1）所示。

式中：ea代表支护结构在测量点所受的弯矩；γ代表支护结构受力调缩系数；Kp代表土层土质结构给基坑支护结构提供的被动压力；Ka代表土层土质结构给基坑支护结构提供的主动压力；h代表基坑支护结构测量点到地表的距离。

进一步可以计算支护结构支撑部分嵌固深度的最小合理值，如公式（2）所示。

式中：t代表支护结构支撑部分嵌固深度的最小值；h代表基坑支护结构测量点到地表的距离；γ代表支护结构受力调缩系数；Kp代表土层土质结构给基坑支护结构提供的被动压力；Ka代表土层土质结构给基坑支护结构提供的主动压力；Pd代表基坑支护结构测量点处所受的剪切力的数值大小。

1.2 基于弹性基梁的支护结构变形分析

基于弹性基梁的支护结构变形分析，其基本原理是将基坑支护结构看作只承受土层提供的侧向力的情况，这样支护结构整体上相当于一个竖直埋藏在土层中的弹性基梁，其所产生的挠度变形方程，如公式（3）所示。

式中：E代表支护结构整体的弹性模量的大小；I代表支护结构的截面惯性矩的大小；z代表基坑实际挖掘深度的大小；p（z）代表支护结构所承受的集中载荷的大小；q（z）代表支护结构的抗力集度；y代表支护结构产生的挠度变形大小。

2 装配式组合支护结构设计

目前，基坑支护结构有很多种常见的类型，包括基于锚喷联合的支护结构、基于复合土钉墙的支护结构、基于桩撑的支护结构、基于桩撑锚的支护结构以及基于吊脚桩的支护结构等。该文中研究的基坑是装配式地铁车站下的基坑，受车站长度和分段设计思路的影响，采用分段不同支护结构的方案。在车站两端的基坑，采用桩撑支护结构；在车站主体的基坑部分，采用桩撑锚组合支护结构。

2.1 车站两端基坑的桩撑支护结构设计

由于车站两端的情况相对简单，因此基坑支护结构中比较常见的是桩撑支护结构，这种支护结构的形式如图1所示。

图1 车站两端基坑的桩撑支护结构设计效果

从图1中可以看出，基坑的桩撑支护结构形式上比较简单，主要包括垂直向支撑组件和水平向支撑组件。其中，水平向支撑组件主要是横撑支撑构件，这种横撑构件可以采用钢材料或混凝土材料制成。垂直向支撑组件，主要包括围护桩构件和立桩构件，它们可以选择钢板桩结构、地连墙结构、钢筋混凝土结构。根据基坑长度的延伸，桩撑支护结构要按照一定规律完成围护桩和立桩的嵌固。基坑长度越大，围护桩和立桩的嵌固数量就越多。围护桩和立桩嵌固之后，再完成横撑构件的连接和固定，从而达到整体有效支撑的效果。如果基坑深度较深，可以采用多层桩撑支护结构。

2.2 车站主体基坑的桩撑锚支护结构设计

地铁车站主体基坑的安全性有更高的要求，因此对相应的支护结构也有相应的要求。该文中，考虑到地铁站主体基坑所在位置，既有较硬的岩石结构，又有软土土质，只采用一种形式的支护结构无法满足要求。为此，设计桩撑锚支护结构，如图2所示。

图2 车站主体基坑的桩撑锚支护结构设计效果

从图2中可以看出，基坑主体部分中既含有岩石区，又含有软土区。在软土区，仍然采用桩撑支护结构的形式，通过垂直向的围护桩插入，再通过水平向的桩撑完成连接。其中，垂直向支的围护桩构件，仍然可以选择地连墙结构、钢筋混凝土结构等支挡结构。水平向的横撑，采用钢材料或混凝土材料制成。在岩石区，由于岩体坚固，为了充分利用地质条件，采用锚固定，增加支护结构整体的安全性。在具体的施工阶段，桩撑锚的组合支护结构，要根据实际地质条件的变化，灵活地选择组合点位和组合方式。如果软土土质较长，那么桩撑结构就会被更多地采用，通过多嵌固围护桩实现。如果岩石区较长，就多采用锚固定形式。

3 装配式组合支护效果试验

在前面的工作中，对地铁基坑支护结构的变形，分别采用了极限平衡和弹性基梁的支护方法进行分析，为支护结构的设计奠定理论基础。其次，针对试验地地铁基坑的实际情况，采用分段针对性设计，在基坑主体部分采取了桩撑锚的组合支护结构设计方案。在这一部分的工作中，将采用试验对支护结构的性能加以验证。首先，来考察在该文设计的组合支护结构下，软土区内基坑所受的应力，如图3所示。

图3 软土区基坑支护结构所受的应力变化曲线

软土区支护结构中承受应力的主要构件是围护桩，因此图3中主要测定支护结构中围护桩所受的应力变化，其单位是kN，大小从200kN开始，逐渐增大。测量周期以天为单位，按一天内平均应力大小作为当日应力的测量结果。在测量过程中，设置2个测量点位，分别是第一测量点位和第二测量点位。因为测量位置的不同，2个测量点位上的应力变化处于不同变化范围。图中，粗实线代表了第一测量点位的围护桩应力变化，粗虚线代表了第二测量点位的围护桩应力变化。从2条曲线的对比结果可以看出，第二测量点位上，围护桩承受了更大的应力，基本维持在260kN，第一测量点位上围护桩承受的应力大于40kN。无论是哪个测量点位的测量结果，都证实了该文所设计的支护结构是安全的，可以保证基坑的稳定。

进一步分析在该文设计的组合支护结构中岩石区内基坑所受的应力，如图4所示。

图4 岩石区基坑支护结构所受的应力变化曲线

岩石区支护结构中承受应力的主要构件是锚，因此图4中主要测定支护结构中围护桩所受的应力变化，其单位是kN，从200kN开始，逐渐增大。测量周期以天为单位，按一天内平均应力大小作为当日应力的测量结果。测量过程中，设置两个测量点位，分别是第一测量点位和第二测量点位。因为测量位置的不同，两个测量点位上的应力变化处于不同变化范围。图中，粗实线代表了第一测量点位的锚应力变化，粗虚线代表了第二测量点位的锚应力变化。从2条曲线的对比结果可以看出，第二测量点位上，锚承受了更大的应力，基本维持在290kN，第一测量点位上锚承受的应力高出30kN。无论是哪个测量点位的测量结果，都证实了该文所设计的支护结构是安全的，可以保证基坑的稳定。

进一步比较支护前后基坑侧向位移的变化，如图5所示。

图5 支护前后基坑侧向位移的变化

从图5中2条曲线的对比可以看出：在支护前，随着基坑深度不断增加，侧向位移呈现不断增加的趋势，侧向位移的幅度越来越大，从地表处的 15mm，一直增至地下 12m处的 27m；采用该文设计的支护结构进行支护后，基坑稳定性明显加强，随着基坑深度不断增加，侧向位移在5mm～9mm波动。这充分表明了该文所设计的支护结构对提高基坑的稳定性有非常理想的效果。

4 结论

针对地铁基坑支护结构的变形，分别采用了极限平衡和弹性基梁的支护方法进行分析，为支护结构的设计奠定理论基础。针对试验地地铁基坑的实际情况，采用分段针对性设计，在基坑主体部分采取了桩撑锚的组合支护结构设计方案。试验结果显示，无论是软土区的围护桩，还是岩石区的锚，其承受的应力变化都在安全范围内变化，可以保障基坑安全、稳定地工作。