地铁基坑支护结构计算与分析

　　摘要：以北京地铁9 号线科怡路站3 号出入口基坑支护设计方案为例，介绍土钉墙支护、钻孔灌注桩支护结构设计的过程和方法。 

　　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[Page] 

　　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

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　　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。