珠海機場改擴建工程深基坑支護設(shè)計優(yōu)化

林師慧 韓慶 敖翔 桓忠雄 張樂樂

【摘要】本文以珠海機場改擴建深基坑工程為例，對工程周邊實際條件及原基坑支護AC區(qū)、N區(qū)設(shè)計方案進行分析，提出新的基坑支護優(yōu)化方案，通過相關(guān)驗算從理論上證明優(yōu)化后基坑支護完全滿足要求。最后將基坑支護優(yōu)化前后進行對比分析，總結(jié)出優(yōu)化后取得的相關(guān)效益。

【關(guān)鍵詞】深基坑支護;設(shè)計優(yōu)化;設(shè)計驗算;

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.08.057

引言：

基坑支護形式有懸臂式、水泥土重力式、內(nèi)撐式、錨拉式圍護結(jié)構(gòu)及土釘墻等。目前，最常用的基坑形式為內(nèi)撐式、錨拉式圍護結(jié)構(gòu)。內(nèi)撐式圍護結(jié)構(gòu)適用于各種地質(zhì)條件及各種開挖深度的基坑工程，但存在施工周期長等缺點。錨拉式圍護結(jié)構(gòu)便于基坑土方開挖和地下室施工，但錨拉式圍護結(jié)構(gòu)拉錨受地層條件和地下空間的限制。本文依托工程實例對原基坑支護形式進行優(yōu)化，并對優(yōu)化前后的基坑支護形式進行了工期及經(jīng)濟分析，總結(jié)出優(yōu)化后取得的相關(guān)效益。

1、工程概況

珠海機場改擴建工程T2航站樓工程位于廣東省珠海市金灣區(qū)，總建筑面積18.7萬m，由東西南三指廊及主樓四部分組成，分為地下2層地上4層。該工程基坑安全等級為一級，重要系數(shù)為1.10，基坑占地面積約10.3萬m，周長約2200m，深度約6.00～19.10m，其中AC區(qū)、N區(qū)支護形式采用灌注樁+大直徑攪拌樁止水+鋼筋砼內(nèi)支撐+上部放坡，基坑設(shè)計總平面如下：

2、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

擬建場地屬濱海平原地貌，地面標高5.98～7.50m，土層分布為①1素填土、①2雜填土、①3塊石素填土、②1粉細砂、②2淤泥質(zhì)黏土、②3粉質(zhì)黏土、②4細砂、②5中粗砂、③1粉質(zhì)黏土、③2礫砂、③3中粗砂、③4淤泥質(zhì)黏土、④礫質(zhì)黏性土、⑤全風化花崗巖、⑥強風化花崗巖、⑦中風化花崗巖、⑧微風化花崗巖。

場地地下水主要賦存在填土層、粉細砂②1層、細砂②4層、中粗砂②5層、③2礫砂層、③3中粗砂層和花崗巖風化帶風化裂隙中以及基巖節(jié)理裂隙中。

3、原設(shè)計方案及優(yōu)化分析

AC區(qū)原基坑支護設(shè)計為灌注樁+大直徑攪拌樁止水+2道鋼筋砼內(nèi)支撐及6根鋼格構(gòu)柱支撐+上部放坡，N區(qū)為灌注樁+大直徑攪拌樁止水+1道鋼筋砼內(nèi)支撐及4根鋼格構(gòu)柱支撐+上部放坡，具體見圖2。

AC區(qū)、N區(qū)基坑支護設(shè)計參數(shù)為：

①灌注樁φ1.2m間距1.4m（樁間掛網(wǎng)φ8@200×200噴射C20細石砼厚度80），嵌固深度進入基底以下不小于11.0m且累計入可塑性粉質(zhì)粘土層不小于9.0m，砼強度等級C30（水下）。

②大直徑攪拌樁φ0.8m間距0.6m，樁長暫定15.0m且穿過淤泥及砂層進入不透水層不小于1.0m。

③鋼筋砼內(nèi)支撐，尺寸分別為主撐（SC1）0.8m×0.8m，聯(lián)系撐（SC2）0.6m×0.6m，砼強度等級C30。

④冠梁、腰梁尺寸為1.2m×0.8m，砼強度等級C30。

⑤鋼格構(gòu)柱支撐，尺寸0.65m×0.65m，采用L160×16角鋼焊接組裝而成，錨入灌注樁內(nèi)3m，其中灌注樁φ1.2m，嵌入基坑底不少于20m且入強風化巖不少于2.0m，砼強度等級C30（水下）。

⑥放坡開挖（表面掛網(wǎng)φ8@200×200噴射C20細石砼厚度80），開挖高度2.5m，放坡比例1：1.80。

根據(jù)工程實際施工情況，鋼筋砼內(nèi)支撐及鋼格構(gòu)柱施工、拆除等涉及到多道工序，施工周期漫長，易對工期造成很大影響。通過對周邊環(huán)境進行分析AC區(qū)北面為機場客運大巴停車場，西面為在建國際樓，N區(qū)南面為T1航站樓飛行區(qū)，西面為在建國際樓。結(jié)合地勘資料及建設(shè)單位提供的周邊管線布置圖，AC區(qū)、N區(qū)南北面及西面自地面2m以下無任何管線布置。在充分考慮AC區(qū)底層內(nèi)支撐兩側(cè)壓力不平衡對基坑穩(wěn)定性的影響后，認為此區(qū)域可取消一道鋼筋砼內(nèi)支撐，采用2道預應(yīng)力錨索代替。

4、優(yōu)化后設(shè)計方案

結(jié)合工程實際情況對西指廊AC區(qū)、N區(qū)基坑支護方案進行優(yōu)化，AC區(qū)優(yōu)化為灌注樁+三軸攪拌樁止水+1道鋼筋砼內(nèi)支撐+2道預應(yīng)力錨索+上部放坡;N區(qū)優(yōu)化為灌注樁+三軸攪拌樁止水+2道預應(yīng)力錨索+上部放坡，具體見圖3。

AC區(qū)、N區(qū)基坑支護優(yōu)化后，原方案中 ①④⑥項設(shè)計內(nèi)容維持不變，僅對②③⑤項設(shè)計內(nèi)容做了如下改進：

②三軸攪拌樁φ0.85m間距0.6m，樁長暫定20.0m且穿過淤泥及砂層進入不透水層不小于1.0m。

③保留第二道鋼筋砼內(nèi)支撐，尺寸為主撐（SC1）0.8m×0.8m，砼強度等級C30。

⑤取消了第一道鋼筋砼內(nèi)支撐和格構(gòu)柱，新增預應(yīng)力錨索。第一道錨索（YM1）4*7φ5，L=32m間距1.5m且入可塑粉質(zhì)粘土層或粉細砂層不少于12.0m，自由段L=9mφ500鎖定值YF=400kN，軸向設(shè)計抗拔力650kN。第二道錨索（YM2）4*7φ5，L=26m間距1.4m.且入可塑粉質(zhì)粘土層或粉細砂層不少于12.0m，自由段L=7mφ500鎖定值YF=370kN，軸向設(shè)計抗拔力640kN。

5、設(shè)計驗算

本次設(shè)計驗算主要根據(jù)地質(zhì)勘察報告內(nèi)土層、水文等相關(guān)信息，結(jié)合理正深基坑支護計算軟件輔助運算，主要驗算深基坑支護整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力。

5.1整體穩(wěn)定性驗算

根據(jù)規(guī)范采用圓弧滑動條分法進行錨拉式支擋結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性驗算：

式中M—被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩;M—主動土壓力對樁底的傾覆彎矩;Kov—抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)，取Kov≥1.25。

綜合設(shè)計數(shù)據(jù)求出各工況抗傾覆（對支護底取矩）穩(wěn)定性安全系數(shù)，其計算結(jié)果如下表所示。

由表可知，安全系數(shù)最小工況為工況5，最小安全Kov=1.511>1.250，滿足規(guī)范抗傾覆要求，故所有工況均滿足穩(wěn)定性要求。

（2） 抗傾覆（踢腳破壞）穩(wěn)定性驗算：

分別根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[2]和《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[3]對多支點和單支點的最下道支撐或錨拉點進行抗傾覆穩(wěn)定性驗算，計算公式如下：

綜合設(shè)計數(shù)據(jù)求出各工況抗傾覆（踢腳破壞）穩(wěn)定性安全系數(shù)，見表2。表中安全系數(shù)最小工況為工況7，最小安全Kt = 1.351>1.250，滿足規(guī)范抗傾覆要求。

5.3嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力驗算

根據(jù)規(guī)范要求，作用在擋土構(gòu)件上的分布土反力按以下公式計算：

式中，P—分布土反力;K—土的水平反力系數(shù);v—擋土構(gòu)件在分布土反力計算點的水平位移值;P—初始土反力強度。綜合相關(guān)計算得出各工況P、E見圖4。圖中所有工況下;擋土構(gòu)件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)分布土反力P均不大于被動土壓力合力E，土反力滿足要求。

6、效益分析

6.1工期效益

優(yōu)化前，鋼筋砼內(nèi)支撐涉及到內(nèi)支撐施工及養(yǎng)護、旋挖灌注樁施工、鋼格構(gòu)柱加工安裝、換撐板施工及養(yǎng)護、拆撐等多道工序，其中第一道內(nèi)支撐施工用時約15天，10根旋挖灌注樁及鋼格構(gòu)柱施工用時約10天，內(nèi)支撐養(yǎng)護28天，砼換撐板施工用時約3天，砼換撐板養(yǎng)護28天，內(nèi)支撐拆除施工用時約20天。

優(yōu)化后，預應(yīng)力錨索涉及到錨索施工、腰梁施工及養(yǎng)護、錨索張拉鎖定，其中錨索及腰梁施工用時約20天，第一道冠梁及預應(yīng)力錨索達到標準期齡28天，第二道腰梁及預應(yīng)力錨索達到標準期齡28天，錨索張拉封錨施工用時約4天。

綜上分析采用鋼筋砼內(nèi)支撐施工總用時約104天，采用預應(yīng)力錨索施工總用時約80天。由此可見，優(yōu)化前后縮短工期約24天。

6.2經(jīng)濟效益

優(yōu)化前，鋼筋砼內(nèi)支撐涉及到現(xiàn)澆砼支撐梁、現(xiàn)澆砼冠梁、現(xiàn)澆砼腰梁、鉆孔成孔灌注樁、鋼格構(gòu)柱加工安裝、鋼筋砼內(nèi)支撐梁板拆除等工作。在僅考慮人材機的情況下，采用鋼筋砼內(nèi)支撐工程成本約161萬元。

優(yōu)化后，預應(yīng)力錨索涉及到預應(yīng)力錨索成孔灌漿、現(xiàn)澆砼冠梁、現(xiàn)澆砼腰梁、鋼絞線預應(yīng)力錨索加工安裝等工作。在僅考慮人材機的情況下，采用預應(yīng)力錨索工程成本約107萬元。

綜上分析采用預應(yīng)力錨索替換鋼筋砼內(nèi)支撐可節(jié)約工程成本約54萬元。

結(jié)語：

本文針對珠海機場改擴建項目中出現(xiàn)的深基坑支護工序復雜、耗時多、費用高等問題進行了優(yōu)化，優(yōu)化后深基坑支護形式在項目中順利實施完成，直至地下室肥槽回填至正負零標高，基坑一直處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。此次優(yōu)化在原有基坑安全等級不變的情況下，減少了工程成本，加快了施工進度，取得了良好的經(jīng)濟效益，縮短了工期。

參考文獻：

[1] 龔曉南主編，高有潮副主編.深基坑工程設(shè)計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018.

[2] GB50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3] JGJ120-2012建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

基金項目：

中國建筑第二工程局有限公司科技資助計劃（24296D 20 0012）