基坑支护结构选型的探讨与实践
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摘要：军粮城发电厂铁路专用线改扩建工程中涉及一座顶进及现浇接长的框架涵工程，该工程位于淤泥质土层，基坑开挖和支护成为施工顺利进行的关键之一，本文仅就该桥的基坑支护设计作简要介绍，并结合工程实际情况对两种基坑支护结构提出了具体的比较分析和探讨。
关键词：基坑淤泥质土支护比选
1工程概况
军粮城发电厂铁路专用线改扩建工程是一项铁路综合改造工程，其中电厂站内DK2+794.05处设计一座顶进接长的3-4m框架涵，与线路平面角度90°，框架涵全长58.0m，其中37.5m为预制顶进部分，20.5m为现浇接长部分，框架涵底板厚60，顶板、侧墙和中墙厚度均为50，净空4m，即框架涵全高为5.1m，全宽为14m，总体结构尺寸不大，但所处的地形和地质条件比较差，施工难度比较大。
1.1有关技术标准
列车速度：10km/h～20km/h；
列车荷载：中－活载；
1.2工程水文、地质条件
工程位于天津市东丽区，地处渤海湾西部。沿线地形平坦，地势由西北向东南略呈微倾斜，地面高程一般在2米左右，多为苇塘和洼地。地下土质多以粉质黏土、淤泥质软土、黏性土为主，其承载力较小，基坑底土质承载力为65KPa。水面离自然地面约0.5米，区内水系发育，地下水埋藏较浅，埋深在1-2m之间，系松散层空隙潜水，其补给来源主要为大气降水。该场地埋深 25.00m深度范围内，地基土按成因年代可分为以下6 层，详列下表如下：
地基土承载力及各层土渗透系数及渗透性表
根据地形条件和设计要求，该框架涵的基坑深度为6.5m，基坑平面尺寸为18×42m，基坑边缘距既有铁路中心5m。
2基坑支护结构选型
2.1原设计基坑支护结构
（1）原设计方案中的框架涵工作坑深6.5m，平面尺寸为18×42m，靠线路一侧采用1:1.5坡度开挖，坡顶距线路中线不小于5m，其余3面采用直径Φ1250mm钻孔桩防护，桩长9m，间距1500mm，数量70根，工作坑底板面以下桩埋深2.5m；顶进后背桩的长度增加到12m，间距不变，数量15根，后背填土分层夯实，不得松填。钻孔桩顶以下1m处设2根P43钢轨“腰梁”，并按每2.4m距离设置拉锚一道。地基采用高压旋喷桩进行软基加固处理，以提高基底承载力。参见下图2：
基坑外周设置40口大口井降水。工作坑内降水在基底搅拌桩施工完成后进行，地下水位降至滑板1米以下后方能开挖工作坑，工作坑范围以外的降水在顶进施工前进行，确保顶进期间地下水位降至滑板1米以下。
（2）本基坑支护结构的支撑效果、稳定性与实际地质情况不吻合，工程所在位置的土质以淤泥质粉质粘土为主，流塑性强，因此基坑支护结构设计的决定因素不再是支护结构的强度，而是其稳定性，但埋深2.5m于淤泥质土下的稳定性是很灵敏的，与周边地区的类似工程相比，基坑支护钻孔桩在同等直径和间距的条件下，其埋深都在10m以上，因此按原设计支护结构施工的安全风险很高，监理工程师也提出了加大钻孔桩埋深的要求，如此必然大大增加工程造价。鉴于上述情况，项目部结合现场实际情况提出了基坑支护的优化方案。
基坑底部降起验算，按照汪正荣《建筑施工计算手册》的验算公式计算如下：
基坑范围内有多种土质，为简化计算，取比较有代表性的土计算，容重γ=19KN/m3，浮重度γ′=9 KN/m3，水容重γw=10KN/m3，内摩擦角φ=12°，粘聚力c=10KN/m3，基坑深h0＝6.5m，无水土层厚度h1=1m，含水土层厚度h2=5.5m，基坑深6.5m，抗管涌安全系数为2.0，则支护钻孔桩埋深t≥(Kh2γw-γ′h2)/2γ′=3.36m，因此2.5m的钻孔桩埋深是不可靠的。
2.2基坑支护结构优化方案
基坑地基加固和平面尺寸维持原方案不变，但设计并未提供抗移桩和防护桩，所以施工时采用工字钢代替顶进抗横移桩，用高压旋喷桩加固路基代替路基防护桩，直径0.6m，桩长超过桥涵底板底面6m。
基坑支护结构经检算认为原设计方案不可行，不仅不经济而且不安全，因此对基坑支护方案进行如下优化：两侧采用I40工字钢，桩长12m，两丁一横布置；后背桩采用两排I50工字钢，桩长12m，全部为丁字布置；既有线一侧采用I40工字钢防护，桩长12m，全丁布置；开挖过程中预备对支护桩进行斜撑和对顶横撑，确保基坑安全。基坑滑板完成后拆除支护桩周边的斜撑和横撑。如下图3、图4、图5：
开挖采用挖掘机，人工清底，开挖锚梁坑。基坑开挖后，在基坑内设置明排水两处。
2.3优化方案检算分析
（1）土压力计算
基坑范围内有多种土质，为简化计算，取比较有代表性的土计算，容重γ=19KN/m3，浮重度γ′=9 KN/m3，内摩擦角φ=12°，基坑深h0＝6.5m，无水土层厚度h1=1m，含水土层厚度h2=5.5m，则主动土压力系数Ka=0.656，被动土压力系数Kp=1.525，粘聚力计0，参见图6。
以既有线侧的土压力为计算依据，这是基坑四周最大的土压力点，即以下检算均从最不利情况考虑，基坑距线路中心5m，列车荷载按中―活载考虑，由于车速很低，故不考虑其冲击力，视为静载，线中按P50轨，Ⅱ级轨枕考虑荷载，土压力计算如下：
中―活载折算为土压力参数，产生的压力为q，
q=[5×220+(5×1.5×2×50+5×1.5/0.75×240)×0.01]/(5×1.5×2.5)=60.347KN/m2；换当量土层厚度h=q/γ=3.176m；作用角度β=45+φ/2=51°；
则BC=3.75tgβ=4.631m，BC′==6.25tgβ=7.718m，CC′=BC′-BC=3.087m，OC=OB-BC=1.869m；因此各部分土压力计算如下：
fa1=γh1Ka=12.46KN/m2；fa2=γ′h2Ka=32.46KN/m2；
fa3=γwh2=55.00KN/m2；fq=γhKa=39.57KN/m2；
总主动土压力Ea=fa1h1/2+fa1h2+fa2h2/2+fa3h2/2+fqOC=389.24KN/m；
作用点距O点y=1.888m；
因此，钢板桩的竖向分布荷载q′=Ea/h0=119.765KN/m。
（2）支护工字钢选用分析
以1延米4根工字钢为计算单元，则单根工字钢q=q′/4=29.94KN/m；
计算跨度按6.5m计，土压力产生的弯矩M=Ea•y=183.714KNm；钢材容许强度[σ]=200MPa；可选截面抵抗矩[W]=M/[σ]=1010.43cm3；
因此选用I40b工字钢支护基坑，W=1139.05cm3，I=22781cm4；
则I40b工字钢强度σ=M/W=161MPa，工作挠度ω=ql4/30EI=38mm。
（3）桩深稳定性验算
取用12m的I40b工字钢支护基坑，则工字钢埋深最小为h3=5.5m，则支护桩前的总被动土压力Ep=(γh3Kp+2c√Kp+2c√Kp)h3/2=574.08 KN/m,作用点距桩底D点yp=2.05m，距基底O点Sp=3.45m；如下图7：
同上述公式，工字钢后的总主动土压力Ea=1227.51KN/m，作用点距桩底D点ya=4.125m，距基底O点Sa=1.375m；
假定支护工字钢是稳定的，则对基底O点取矩计算：
主动土压力产生的力矩Ma=Ea•Sa=1687.83KN•m
被动土压力产生的力矩Mp=Ep•Sp=1980.58KN•m
因此基坑支护桩的土压力稳定系数K=Mp/Ma=1.17，即支护桩是稳定的。但需要有外力保持其平衡，即力矩总和为0。
工字钢稳定且平衡的方案是在基坑开挖阶段采用对顶支撑，当基坑开挖完成后浇筑完滑板，则工字钢支撑外力可由滑板代替，即使基坑空间全部释放，为箱体预制留出足够的空间。
本次检算以1延米4根工字钢为计算单元，因此在临近既有线侧的工字钢采用“全丁”布置，平均1延米至少5根工字钢。
3技术经济分析
上述两种基坑支护方案采用的支护结构材料不同，且支护结构的特点有较大差别，原方案采用的钻孔桩支护结构刚性比较大，但埋深不足；如果满足支护需求，则还要加深桩长，则费用和后期拆除作业量还要增大；而优化后的支护结构柔性比较大，整个支护体系更具有弹性，支护物资能周转使用，但在本工程中需进行一次支撑体系转换，且观测工作量较多。具体技术经济分析比较如下：
(1)两种支护结构针对的基坑深度、平面尺寸、水文地质条件和周边实际情况都一样，但两种支护结构相比，其各自的工料机指标相差比较大，参见表2。
从表2分析的结果可以看出，采用工字钢支护结构的工料机都比较节省，因而成本降低，减少了投资，经济效益是明显的。
(2)工字钢支护结构与钻孔桩支护相比，采用工字钢支护基坑是比较节能环保的，而钻孔桩比较污染环境，且所有工料机投入都是一次性消耗，不像工字钢可以周转使用，作业灵活，能加快施工进度。
(3)工字钢支护与钻孔桩相比，设备简单，施工方便，质量容易控制，更有利于随现场实际情况变化而随时调整，因此值得推广。
4结束语
(1)工字钢支护结构有些地方有待进一步改进、完善。如对顶支撑体系对基坑内的施工作业有影响，中间更换支撑体系增加了基坑支护的作业时间，如何采用可靠稳定的外支撑体系，达到既满足基坑支护需要，又不影响基坑内的空间作业的目的，值得进一步探讨。
(2)基坑支护方案的选择很重要，直接关系到工程造价、工程进度和施工安全。工字钢支护结构具有结构合理、受力明确、工艺简便、节约材料，施工周期短、安全可靠的特点。当前对于淤泥质土层基坑的支护普遍采用的是钻孔桩支护结构，该结构比较适合大面积的超深基坑作业，而对于深度不过7m的基坑支护，工字钢还是比较有优势的。应根据工程实际情况和具体条件，因地制宜地选用基坑支护方案。
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