廣州地鐵二號線江南西站南站廳基坑支護結構設計
摘 要; 介紹基坑工程中組合式支護結構的設計方法
在基坑工程支護結構的設計中，當采用單一支護結構體系不能滿足基坑支護的安全、經濟及工期要求時，可考慮在同一基坑中采用兩種或兩種以上不同支護型式的組合式支護體系，如在基坑工程中經常采用的上部放坡或土釘墻+下部樁墻、上部樁墻+下部錨噴支護等。在廣州地鐵二號線江南西站南站廳基坑支護結構設計中，結合場地基巖面較高、起伏大的實際情況，在南站廳圍護結構設計中采用了上部排樁+下部錨噴支護的階梯型組合式支護結構，本文介紹了此類支護結構的設計方法以供探討。
一、概 述
廣州地鐵二號線江南西站位于江南大道與江南西路交叉路口以北的江南大道下，車站全長180.7m，呈南北走向。采用了站臺與站廳分離布置的方式，站臺層由兩個礦山法施工的單跨單層馬蹄形隧道組成，左右線間距28.2m，站廳及設備用房位于車站南北兩端，為地下三層框架結構，南、北兩個站廳規模相當，基坑開挖尺寸分別為51.3x18.2m、52.5x19.2m，基坑底面埋深24m。
車站所在路口西北角為二十層南海石油大廈，其北為高層住宅和南豐商場，東北角為多層住宅和鄰街商業。沿江南西路南側是海珠涌。由于江南大道為城市南北主干道，站址地面交通繁忙，為確保交通暢通，采用蓋挖順作法施工。其作業順序是：先后分三次倒邊作好外圍結構，架設軍用梁及路面蓋板覆蓋路面，之后恢復地面交通，在臨時路面下方順序進行土方開挖及車站主體結構的作業。
雖然南、北站廳的基坑規模、形式相同，但由于場地地層起伏較大，南站廳所處東湖段地層強風化帶頂面埋深較淺，埋深只有8.3m~13.6m，北站廳所處西濠段地層強風化帶頂面埋深較深，為26.6m~27.5m。針對不同的工程地質條件，在圍護結構設計中因地制宜，分別采用了不同的支護形式。北站廳風化帶埋深較深，采用直徑1.4m、間距1.6m的排樁支護，南站廳風化帶頂面埋深較淺，采用上部直徑1.2m、間距1.5m排樁+下部錨噴的階梯型組合式支護結構。
二、地質概況
（一）地貌、地層
場地原始地貌為殘丘和平緩坡地，后經填筑平整為寬闊街道，車站南端臨海珠涌，地表普遍為厚0.2m的水泥路面。本站場屬白堊系紅砂巖地層，基巖主要為泥質粉砂巖，局部為泥巖、泥灰巖。基巖面起伏較大，南段東湖段地層強風化帶頂面埋深8.3m~13.6m，北段西濠段地層強風化帶頂面埋深26.6m~27.5m。兩巖段強度差異大，其中東湖段地層巖石較軟，西濠段地層含鈣質較多，強度相對較高。場區內未發現斷層破碎帶，巖石裂隙不發育。
（二）工程地質分層
（1）人工填土：主要為雜填土，層厚1.0~7.2m之間,較常見為2.5~4.0m。
（2-2）淤泥層:為灰黑色淤泥質土,土質較均勻細膩,粘性強,下部常有粉細砂,主要分布在海珠涌及其兩側附近。
（4-1）沖積粘性土層：紅白色粉質粘土，軟~可塑。層厚0.5~9.5m，頂面埋深1.0~5.9m。
（4-2）沖積砂層：灰~灰白含粗砂、礫砂、中細砂。層厚0.5~1.6m，頂面埋深5.0~7.1m。
（5-1）殘積可塑土層：棕紅色粉土、粉質粘土，可塑，砂質含量高，風化透徹。層厚0.9~14.1m，頂面埋深1.7~10.5m。
（5-2）殘積土硬塑層：為紫紅~灰色粉質粘土、粘土，粘性差，硬塑。層厚0.5~7.6m，頂面埋深5.1~20.3m。
（6）全風化帶：全風化泥巖、粉細砂巖、砂巖、砂礫巖。原巖礦物大多風化成土。層厚0.5~8.2m，頂面埋深7~23.5m。
（7）強風化帶：強風化泥巖、砂巖、泥質粉砂巖。場區普遍分布，層厚1.2~23.5m，一般厚度為1.4~4m。頂面埋深6.4~27.5m。
（8）中風化帶：中風化泥巖、砂巖、泥灰巖。巖石裂隙不發育，完整性較好，較硬。本層分布廣，厚度變化大。層厚2.0~17.6m，頂面埋深7.7~31.5m。
（9）微風化帶：微風化泥質砂巖、泥巖、泥灰巖。巖石完整性好。層頂面埋深17.5~34.5m。
本工程場地基巖強風化巖風化裂隙發育，但延伸短，產狀雜亂，裂隙面多有泥質、鈣質充填及鐵銹質渲染；中~微風化巖石裂隙較發育，主要為傾角5°~30°的緩傾角裂隙，少量中等及陡傾角裂隙，裂隙面多充填鈣質薄膜，沿裂隙面巖層易開裂成塊狀。巖層產狀受珠江向斜構造的控制，巖層往北傾斜，傾角5°~35°。
（三）水文地質
地下水有孔隙水和裂隙水 兩種。孔隙水主要儲存于第四系地層中。土層透水性差，富水性差，水量較貧。地下穩定水位埋深為2.2~6.0m。基巖裂隙水貧乏。地下水對砼無侵蝕性。
（四）工程地質評價
本站場地質條件簡單~較簡單。
各土層物理力學指標
三、車站南站廳基坑圍護結構方案
南站廳圍護結構，對于中風化巖層以上的上覆土層，圍護結構由排樁及鋼支撐組成，下部的中風化巖層邊坡采用錨噴支護。
車站位于交通繁忙的江南大道下方，圍護結構的施工要盡可能減小對地面交通及環境的干擾。根據廣州地區的工程實踐經驗，人工挖孔樁具有剛度大、布置靈活、施工器具簡單、占地面積小、噪音及費用較低等優點，因此站廳基坑排樁采用人工挖孔灌注樁。排樁樁徑1.2m，護壁厚0.15m，樁間距1.5m，樁身插入中風化巖2m。根據排樁圍護的基坑深度，分別設置2~4道Φ600鋼管支撐，鋼管壁厚14mm。由于上覆土層中有淤泥及細砂層，地下水與海珠涌相聯系，因此在排樁外側設置一道定噴（擺噴）樁，起到基坑外止水帷幕的作用。
下部基坑的錨噴支護由系統錨桿及噴射混凝土組成。系統錨桿采用φ22@1.5mx1.5m的
水泥砂漿錨桿，錨桿長3m，傾角15°，鉆孔直徑40mm。對于巖石破碎地段或軟弱夾層及樁前巖石采用5m長φ22@1.5mx1.5m錨桿進行加固。C20噴射混凝土厚度0.15m，鋼筋網采用φ8@200mmx200mm。圍護樁根部設置一道4x7φ5間距1.5m的預應力1860級高強錨索，傾角15°，鉆孔直徑130mm。預應力錨索錨固段長度12.5m，自由段長度4m。由于巖石邊坡頂部拉應力的存在，頂部易出現拉伸裂隙，因此在樁腳處設置5m長φ22@1.5mx1.5m錨桿進行加固，以加強巖石邊坡頂部的支護結構。
四、圍護結構設計中需要解決的問題
階梯型組合支護結構是在基坑側壁上、下分別采用不同的支護型式的結構，各支護結構分別按單一的結構進行設計。隨著基坑的開挖，支護結構體系發生變化，因此上、下部支護結構單元除了滿足按單一結構作用的條件外，還要考慮各支護結構單元的相互作用。計算下部支護結構的荷載時，應考慮上部支護結構及后側土體的超載作用。
（一）排樁入土深度確定
一般支護結構入土深度必須滿足墻體抗滑動和抗傾覆穩定、坑底隆起穩定以及坑底抗滲流穩定的要求。本工程上部基坑圍護結構型式為設置2～4道支撐的多支點排樁，樁端均插入中風化巖層中，基坑底面為厚度較大、較均勻的中風化巖層，基坑失穩形態以由于樁底巖體發生剪切破壞造成基坑整體滑動失穩為主，因此采用圓弧滑動簡單條分法確定入土深度。
假定基坑失穩的滑動面為圓柱面，按平面問題進行分析，將滑動面以上土體等分為n個土條，根據極限平衡條件求得土體對滑動面原點O的抗滑力矩與下滑力矩，抗滑力矩與下滑力矩之比即為穩定安全系數K。
Wi — 第i土條的重量；
q — 作用于第i土條上的地面超載；
ci ji— 第i土條滑動面土層的內聚力、內摩擦角；
θi — 第i土條弧線中點切線與水平面夾角；
li bi — 第i土條的弧長、寬度。
根據基坑開挖深度、支撐體系、巖層風化程度，結合廣州地區類似工程經驗，初步擬定排樁嵌入中風化層2m，按總應力法求得基坑穩定安全系數K如下表：
在軍用梁、臨時路面、地面超載及樁身自重等豎向荷載作用下，樁底壓應力為1038kPa，小于巖石地基允許承載力。為防止樁底泥巖遇水軟化，避免地下水沿樁與巖土的界面滲入樁底，在排樁外側設置一道擺噴樁止水帷幕。
（二）排樁支護結構計算
多支點排樁的受力與基坑開挖過程和架設支撐的時間、順序有密切關系，支撐架設之前排樁已經產生了先期位移和內力。如采用等值梁法簡化計算，其假定條件與排樁在施工過程中的受力情況不符，因此采用彈性地基梁桿系有限元法，根據施工順序分階段按增量法原理進行內力計算。
取1m寬度支護結構按平面問題分析，排樁在基底以上部分采用梁單元，基底以下部分作為文克勒彈性地基梁，將基坑開挖面以下土體視為彈性變形介質，其水平基床系數按m法確定，并在計算中對土彈簧剛度取值加以限制，最大值不超過實際工程勘察結果。支撐按彈性支座考慮。施工期間排樁背側的主動土壓力按朗金公式計算，土壓力隨基坑開挖深度增加逐漸增加，對地下水位以下的土體采用總應力強度指標水土分算。
根據實際施工順序將每一開挖階段作為計算工況，每一工況需考慮前后工況土壓力的增加量以及位移增量，當前工況下的實際內力和位移為與前幾步工況內力和位移增量的累計值。此種計算方法反映了土壓力隨基坑開挖深度增加逐漸增加的實際情況，在計算中計入結構的先期位移值以及支撐的彈性壓縮，符合先變形、后支撐的實際施工工況。為減少樁身在
基坑開挖期間的位移，對鋼支撐施加設計軸力50%的預應力，在計算中考慮支撐預應力的作用。
排樁內力、位移計算結果
整體穩定性計算結果
排樁結構的構件按其在施工和使用的不同階段可能出現的最大內力進行截面設計。內力設計值按下式確定：
M=1.25γ0Mu
M —— 單樁樁身彎矩設計值；
Mu—— 按土壓力強度標準值計算的樁身彎矩標準值；
γ0—— 基坑側壁重要性系數。
排樁鋼筋配置按彎矩方向采用沿圓周非均勻布置，將圓截面同剛度等代成矩形截面（b = h = 0.876 d ），按《混凝土結構設計規范》中矩形截面受彎構件承載力公式計算。如WZ-1樁彎矩設計值為1917 kN·m（-995 kN·m），等代成矩形截面按受彎構件計算出受拉鋼筋面積As=6905mm2（As=3376mm2），實配鋼筋13Φ28（9Φ28），分別在正負彎矩方向受拉區（約120°范圍）內按計算結果布置鋼筋，其余部位按構造要求配置鋼筋。
（三）樁前巖體開挖后排樁支護結構分析
樁前巖體開挖后，由于失去被動土壓力，結構受力體系發生變化，因此需對排樁支護結構體系進行結構計算及穩定性分析。
1． 排樁支護結構計算
在原支護結構體系的基礎上增加錨索的水平支撐力，并去掉被動區水平方向的土彈簧，仍采用增量法計算支護結構的內力與變形。求得錨索最大水平支撐力標準值為280kN/m，并按下式確定錨索錨固段長度為12.5m。根據巖體可能發生的破裂面確定錨索自由段長度為4m。
N ——錨桿軸向拉力設計值；
D —— 錨桿錨固體直徑；
Lm —— 錨固段長度；
τ —— 巖體與錨固體間極限摩阻力標準值
2． 抗滑移穩定性驗算
排樁的抗滑移穩定性按下式驗算：
G —— 樁身自重
μ——樁底與基巖的摩擦系數，對于軟質巖石取0.4～0.6
Ti —— 各支點水平力標準值
Eai —— 各土層主動土壓力
3． 抗傾覆穩定性驗算
各土層主動土壓力Ea，各支點水平力標準值Ti作用下，對樁端B點的力矩比需滿足下式：
（四）巖石邊坡穩定性分析
根據場地工程地質條件及支護形式，本工程巖石邊坡在上覆土層荷載作用下，可能有兩種破壞形式：
一是沿軟弱夾層或結構面控制的可能滑動面發生剪切破壞，滑動面以上的巖體沿此平面下滑，造成了邊坡破壞，即平移滑動，此種滑坡的特點為滑動面為直線或折線形。MBZ3-9地質鉆孔顯示，在中風化泥巖中，埋深19~19.6m處夾強風化巖，巖芯呈碎塊狀，RQD=30%。對于基坑南側邊坡，強風化巖軟弱夾層外傾，傾角小于坡角，穩定性較差，所以該軟弱夾層面為邊坡的危險滑動面。由于排樁除承受水平土壓力外，臨時路面的豎向荷載通過排樁傳至基底，造成樁底基巖應力集中，在集中豎向荷載作用下可能會沿基巖結構面發生剪切破壞。
二是在泥巖這種巖性大致均一的軟質巖層中易發生滑動面為圓弧形或近似圓弧形的均質滑坡，即旋轉滑動。本工程巖石邊坡主要為中風化泥巖，巖質較軟，易發生旋轉滑動破壞。
因此在巖石邊坡的穩定性分析中，需根據以上兩種破壞形式，按滑動面的形狀采用合理的計算指標與公式進行驗算。
對于平移滑動破壞，取被滑動面、臨空面及中風化層頂面切割而成的三角形不穩定結構體作為隔離體，采用塊體極限平衡方法進行穩定性驗算，邊坡的安全系數K為作用于滑動面的抗滑力與滑動力之比。為便于計算，將巖層以上土體的滑動面簡化為庫侖破壞面傾角的直線形，滑動面傾角為45°+φ/2，并采用分段計算剩余下滑力的方法考慮相鄰巖土體的荷載作用。
分段計算剩余下滑力的方法：將滑坡體沿滑動面折線轉折處條沿主軸方向分成若干塊段，取每一段條塊作為隔離體按極限平衡理論，從上至下逐塊計算推力，每一塊體向下滑動的力與巖土體阻擋下滑的力之差，即剩余下滑力。剩余下滑力逐塊向下傳遞，當最終一塊土體的剩余下滑力為負值或零時，表示整個邊坡體是穩定的。剩余下滑力計算公式為：
式中 Ei，Ei-1—第i塊和第i-1塊巖土體的剩余下滑力；
k—安全系數，取1.05～1.25；
Wi—第i條塊巖土體的重量；
Qi—第i條塊巖土體的地面超載；
θi—第i塊和第i-1塊巖土體的滑動面與水平面的夾角；
φi—第i塊巖土體沿滑動面巖土的內摩擦角，取殘余抗剪強度；
ci —第i塊巖土體沿滑動面巖土的內聚力，取殘余抗剪強度；
li —第i塊巖土體滑動面長度；
ψ—傳遞系數，ψ=cos(θi-1-θi)－sin(θi-1-θi) tgφ；
Tm—錨桿拉力，α—錨桿傾角
對于巖體沿弧形滑面的旋轉滑動，采用簡單條分法進行穩定性驗算，中風化層以上覆土按超載考慮。
巖石邊坡抗滑動安全系數
五、結 論
針對工程場地基巖面較高的工程地質特點，在圍護結構設計中因地制宜，采用了上部排樁+下部錨噴支護的階梯型組合式支護結構，既降低了工程造價，又縮短了工期。由于巖層的復雜性造成當前對巖體結構的認識還不一致，在工程設計中通過調查分析，根據場地工程地質條件，結合工程經驗類比，進行簡化計算分析并適當提高安全系數基本能滿足安全要求。
本文的編寫得到王元湘、黃美群高工的大力支持幫助，在此表示感謝！
參考文獻
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