[关键词]基坑支护 土钉墙 钻孔 灌注桩 启明星
1 工程概况
拟建北京地铁九号线位于北京城西部,呈南北走向,全线均为地下线,全长约16.5km,共设14 座车站。其中科怡路站共设有四个出入口和两个风道,车站平面布置图见图1。结构主体采用明挖顺做,基坑开挖最深处约为13m,属于深基坑开挖。潜水静止稳定水位标高位于结构底板之下,基坑开挖不考虑基坑降水。3 号出入口和2 号风道位于车站主体东北角,2 号风道距离东侧四层楼房约8.9m,距离北侧电信出局管线约5.07m,其施工场地北、东两侧较狭窄,南、西两侧较宽阔。
基坑3 号出入口坑深9.9m,南侧场地较为开阔,初步考虑采用土钉支护的方式,放坡70°,土钉共8 排,梅花形布置,水平竖向间距1.2m,与水平面夹角15°,上三排8m,下五排6m。土钉材料采用φ22 钢筋,土钉表面采用100mm 混凝土喷层,喷层布置φ8@150mm×150mm 钢筋网。
2 号风道北侧基坑较深,约为12.5m,由于临近有管沟和建筑物,基坑只能设计为直立边坡,采用钻孔灌注桩加锚杆形式进行支护。钻孔灌注桩直径0.8m,锚固深度3.5m,沿基坑东侧北侧水平间距均为1.6m。锚杆一端在桩上,另一端锚入土体,竖向间距4.5m,每根桩上共两道。锚杆采用6φ12.7 钢绞线,长度均为20m,其中锚固段15m,倾角20°。
基坑中心缓坡上部无地面超载,且高度不大,缓坡开挖坡度1∶0.75,表面网喷80mmC20 混凝土。
2 号风道及3 号出入口基坑支护典型剖面图见图2。
2 支护结构设计
2.1 土钉墙支护设计
计算采用启明星深基坑支护设计软件进行。计算时考虑地面超载20kPa。施工工序为每次开挖深度1.2m 后加一次土钉,土钉距坑底0.2m。计算将每道施工步序作为一种独立静止状态,按一种工况计算,计算工况参数详见表1。
计算时需保证每种工况下土钉承受荷载Tjk 小于土钉承载力Tuj 和土钉材料抗拉强度Tg,即Tuj/Tjk>K,Tg/Tjk>K(本工程土钉安全系数K 取1.25)。Tuj 指土钉整体不被拔出的极限,与土压力、土钉长度等因素有关;Tg 指土钉材料(钢筋)不被拉断的极限,与钢筋直径根数等有关。上述值由程序根据参数自动计算。有时会出现最后一工况满足Tuj/Tjk>K,但中间工况不满足的情况,此时可调整土钉长度重新计算,直到每一工况都满足要求为止。
2009 年第3 期黄 河 规 划 设 计总第149 期何楠等:地铁基坑支护结构计算与分析 经计算,结果如下:
每种工况每排土钉均Tuj/Tjk>1.25,Tg/Tjk>1.25。其中最后一工况土钉承载力见表2
除此以外还要对土钉墙整体进行稳定验算,整体抗倾覆/抗滑移验算。整体稳定验算采用传统的圆弧滑裂面条分法。整体抗倾覆/抗滑移验算与重力式挡土墙稳定计算类似,将土钉锚固的土体作为重力式挡土墙,最下排土钉末端作为模拟墙体的角点。
程序须选择以常数法或m 值法计算。“m 值”指土的水平抗力系数的比例系数(MN/m4),“常数”指土体水平弹簧系数k(MN/m3)。选用哪种方法计算,应结合地质资料以及经验综合选择,本工程结合地质资料,采用m 值法计算。程序提供由c、φ值估算m 值的公式,此公式需要结果位移参数,可采用试算法假定结果位移进行试算,根据试算结果调整m 值重新计算。
为了控制桩体侧向位移需要对锚杆预加轴力,《建筑基坑支护技术规程》规定宜取为锚杆轴向受拉承载力设计的0.5~0.65倍。计算时先不施加预加轴力,试算求得锚杆拉力,以此拉力值的一半作为预加轴力再次试算,试算两到三次即可满足要求。根据《建筑地基基础设计规范》要求,以其附录建议公式进行计算,结果如下:
整体稳定验算:K=1.41
墙底抗隆起验算:Prandtl 法,K=7.47
Terzaghi 法,K=9.31
坑底抗隆起验算:K=1.95
抗倾覆验算(水土合算):K=3.55
根据《建筑地基基础设计规范》式5.4.1 整体稳定安全系数K=1.2,式V.0.1 墙底抗隆起安全系数K=1.6,式T.0.1 抗倾覆安全系数K=1.3,因此钻孔灌注桩各项稳定计算满足规范要求。
程序生成桩体内力包络图见图3。根据内力包络图,求得钻孔灌注桩最终配钢筋1822,箍筋φ16@150。经过计算可知,基坑支护设计满足要求。
2 号风道东侧基坑为13.3m,设计沿用上述桩体加锚杆的形式,仅将桩体锚固深度调整为 3.65m,第一排锚杆长调整为23m,其中锚固段18m。经过计算,边坡稳定满足要求,计算过程不再详述。
3 结论
(1)基坑南侧9.9m 斜坡采用土钉墙支护,北侧12.5m 直立坡采用钻孔灌注桩加锚杆支护,中部缓坡采用喷混凝土支护,布置满足场地要求,方案合理可行。
(2)计算结果表明,加固后的土钉墙整体稳定、抗滑抗倾覆安全系数均满足规范要求。钻孔灌注桩整体稳定、墙底坑底抗隆起、抗倾覆安全系数满足规范要求,灌注桩上部最大水平位移17.1mm,工程设计安全可靠。
(3)根据锚杆从计算公式看出,锚杆越短对控制桩体位移越有利,但影响幅度很小。锚杆长度可根据拉拔试验或经验确定,当计算位移值超出允许值时,宜通过改变锚杆位置、排数、增加预加力等方式调整,不宜通过改变锚杆长度调整。
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