深圳地铁文化中心站土钉墙锚索组合支护设计
摘 要: 概括介绍了深圳地铁文化中心站基坑支护设计的结构选型、设计理论、计算方法、构造要求以及造价分析等,以期对同类型的基坑支护设计有所帮助。关键词:基坑支护;土钉墙;锚索;造价1 工程概况
地铁文化中心站是深圳地铁一期工程4 号线终点站,站址位于莲花山南侧,为台地地貌,地形较平坦,地面无建筑物。车站采用明挖法施工,基坑长169. 9 m , 宽36. 1～73. 6 m , 平均开挖深度为16. 8 m。站区内上覆第四系统中更新统残积层(Oe1 2) ,下伏燕山期花岗岩(γ3 5) ,局部夹辉绿岩岩脉,土层物理力学参数分述如下:
(1) 第四系中更新统残积层(Qe1 2)
① 砾质粘性土。坚硬至可塑,厚0～13. 4 m , fk = 230 kPa 。
② 砾质粘性土。硬塑至软塑,厚0～11. 8 m , fk = 200 kPa 。
(2) 燕山期花岗岩(γ3 5)
① 全风化岩。呈土夹砂砾状,厚0. 4～10. 5 m , fk = 300 kPa 。
② 强风化岩。呈碎块状,厚0. 4～10. 5 m , fk = 500 kPa 。
③ 中等风化岩。岩芯呈短柱状,厚0～1. 0 m , fk = 1 000 kPa 。
④ 微风化岩。岩芯呈柱状,节理裂隙发育,岩质较坚硬, fk = 1 500 kPa 。
(3) 辉绿岩
① 中等风化岩。岩芯呈短柱状,厚0～1. 2 m , fk = 1 000 kPa 。
② 微风化岩。岩芯呈柱状,节理裂隙发育,岩质较坚硬, fk = 1 500 kPa 。
车站范围内地下水为第四系孔隙潜水及少量基岩裂隙水,水位埋深2. 8～4. 3 m , 变幅1. 0 m 左右, 主要补给源为大气降水。砾质粘性土渗透系数为 0. 8 m/ d , 砂质粘性土渗透系数为0. 8 m/ d , 全风化花岗岩渗透系数为1. 0 m/ d , 强风化花岗岩渗透系数为2. 5 m/ d 。
2 基坑支护方案设计
文化中心站施工场地开阔,地面无建筑,施工与交通基本无干扰,故采用明挖法施工,基坑平均开挖深度为16. 8 m ; 结合深圳地区的基坑支护经验,根据该站位的地质资料,确定方案。由土钉墙+ 预应力锚索。边坡坡率为1∶0. 3 。见表1。
表1 支护结构方案优缺点比较表
同济大学,现从事城市轨道交通设计工作。
3 文化中心站土钉墙支护设计3. 1 支护形式设计
受用地红线的制约,并结合主体结构断面,文化中心站土钉墙支护设计为3 种形式:
(1) 坡率1 :0. 3 的单坡,共13 排土钉,从坡顶向下第3 排和第7 排跳打预应力锚索,锚索部位下设连续钢筋混凝土暗梁,暗梁尺寸300 mm ×400 mm 。
(2) 支护设计为上下两段墙体,中间设0. 63 m 宽的平台,上段墙体平均高为10. 33 m , 下段墙体高6. 42 m , 坡率为1 :0. 3 , 共13 排土钉,从坡顶向下第3 排和第7 排跳打预应力锚索,锚索部位下设连续钢筋混凝土暗梁,暗梁尺寸300 mm ×400 mm 。
(3) 支护设计为上下两段墙体,中间设2. 62～ 2.78 m 宽的平台,上段墙体平均高10. 33 m , 下段墙体高6. 42 m , 坡率均为1 :0. 3 , 共13 排土钉,从坡顶向下第3 排跳打预应力锚索,锚索部位下设连续钢筋混凝土暗梁,暗梁尺寸300 mm ×400 mm 。
3. 2 土钉设计
土钉是置于基坑边坡土体中,以较密间距排列的细长金属杆,土钉依靠它与土体接触面上的摩擦力,与其周围土体形成一个有自承能力的挡土墙体系。设计中考虑到场地土质条件较好,易于成孔,故采用注浆锚杆为土钉。根据深圳地区规范并结合当地经验,初步选定土钉长度L = 0. 8 h(h 为基坑高度),进而对土钉抗拔力作检算,使土钉长度同时满足基坑整体稳定和钉体内部稳定。从理论上讲,土钉的倾角为水平最好,但是考虑到诸多施工因素及注浆效果,土钉与水平面之间设计为10°的倾角。土钉采用C20 水泥砂浆为注浆材料,上墙段利用自重压力渗透注浆,下墙段土钉需要有较高的抗拔力, 故采用压力注浆,注浆压力为0. 3～0. 5 MPa 。
3. 3 锚索设计
预应力锚索与锚杆有相似之处,但作用机理不同,预应力锚索主要作用是约束土钉墙的位移,它分为锚固段和自由段。锚固段产生的拉力沿自由段并通过锚座传递到腰梁,再由腰梁传给土钉墙,决定拉锚结构安全与稳定的关键因素是相邻土体能否提供足够的抗力,以限制结构位移。文化中心站的预应力锚索采用3 根7Φ5 的钢绞线,锚索钻孔孔径150 mm , 锚索极限抗拔力为400 kN , 设计最大轴向力为250 kN , 张拉锁定拉力为200 kN 。
3. 4 网喷混凝土设计
喷射混凝土采用C20 早强混凝土, 厚度100 mm ; 钢筋网选用Φ8 Ⅰ 级钢,间距200 mm ×200 mm , 钢筋之间搭接考虑到方便施工的角度,没有要求做弯钢,长度定为400 mm , 网片的接头宜采用搭接加点焊,加强处采用焊接。
3. 5 降水井设计
在坑外设深井井点降水,井的深度根据降水曲线的坡度确定,为24 m ; 井点数量经基坑涌水量计算确定,共46 孔,井点间距为12～15 m 。由于基坑两端较宽,故有8 个井点布置在基坑内。
3. 6 监测设计
监测是土钉墙支护设计信息化设计得以实现的依托,还是土钉墙支护成功与否的保障。文化中心站基坑共设7 项监测内容,详见表2 。
表2 监测项目及频率
土钉墙支护结构有其特定的适用范围,对地质条件、地面及地下空间环境要求较高。但由于其设备投入少、工期短、造价省、无噪音,以及信息化设计施工、动态管理易于保证支护安全,正逐步得到研究和推广。通过文化中心站土钉墙锚索支护结构的设计,在土钉墙支护设计中应注意以下几个问题:
(1) 在设计中,主动土压力的计算是个关键。基坑分层开挖,土钉逐排安设,土压力是不断重新分布和变化的。这是因为在土压力作用下,土钉墙发生侧向位移,导致侧向土压力释放,不但减小了主动土压力,而且促使具有足够柔性的喷射混凝土面层通过钢筋网将土压力转移,并利用土钉传递回稳定
