安西地铁三桥站基坑开挖支护设计城市地下空间工程设计--毕业设计.doc

毕业设计（论文）题 目 西安地铁三桥站基坑 开挖支护设计 2013 年摘 要 基坑工程是指在地表以下开挖的一个地下空间及其配套的支护体系。而基坑支护就是为保证基坑开挖，基础施工的顺利进行及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁以及周边环境采用的支挡，加固与保护措施。基坑支护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大风险，基坑工程具有很强的区域性。不同水文，工程地质环境条件下基坑工程的差异很大。基坑工程环境效应复杂，基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全稳定，而且要有效的控制基坑周边地层移动以及保护周围环境。本文先介绍了三桥站的工程概况，包括水文地质和周围环境，然后通过结合对现有基坑开挖支护工法和车站实际情况的比较选择出了适合本站的开挖支护方案。下来通过土压力的计算、结构内力的计算，配筋、验算、支撑设计、变形估算等对基坑的开挖支护作了理论上的数据分析，最后通过施工组织说明了各个工序施工的工法和应注意的问题。关键词：支护方案，地下连续墙，支撑，施工组织目录第一章 工程概况11.1 工程简介11.2 工程地质与水文地质条件11.2.1 车站工程地质层分布与特征描述11.2.2 水文地质条件21.2.3 特殊地质条件3第二章 支护方案的选择与比较42.1 基坑支护的类型及其特点和适用范围42.1.1 深层搅拌水泥土围护墙42.1.2 土钉墙42.1.3 排桩支护52.1.4 槽钢钢板桩52.1.5 钻孔灌注桩52.1.6 钢板桩62.1.7 SMW工法62.1.8 地下连续墙62.2 方案的比较及确定72.2.1 基坑的特点72.2.2 支护方案的选择8第三章 土压力计算103.1 地面荷载的确定103.2 按分层土计算土压力103.3 土层力学参数平均值13第四章 结构内力计算154.1 计算理论的确定154.2 结构内力计算及配筋154.2.1 土压力计算154.2.2 用等值梁法计算弯矩184.3 地下连续墙的配筋计算254.3.1 纵筋配置254.3.2 水平筋配置28第五章 基坑稳定性分析295.1 基坑的整体稳定性验算295.2 基坑的抗隆起稳定验算295.3 基坑的抗渗流稳定性验算31第六章 支撑设计326.1 方案比较326.2 围檩设计326.3 支撑设计34第七章 基坑变形估算及控制367.1 概述367.2 基坑的变形估算367.2.1 水平位移估算367.2.2 基坑隆起估算367.2.3 地表沉降估算37第八章 施工组织设计388.1 施工场地的布置388.2 地下连续墙的施工388.2.1导墙施工388.2.2 槽段开挖408.2.3 地下墙接头形式438.2.4 钢筋笼整幅吊装措施448.2.5泥浆系统448.3工程质量的保证488.4 文明施工措施488.5 环境保护措施49结论50致谢51参考文献52附录54第一章 工程概况1.1 工程简介三桥车站位于三桥路武警工程学院门前。该车站起点里程YCK8+649.000，终点里程YCK8+851.000，中心里程YCK8+750.000，全长202.0m，主体宽度15m，车站沿三桥路东西布设，为地下站，拟采用明挖法施工。车站底板埋深约1416m，高程374.050375.722m。顶板埋深约1.43.0m左右，东西两端分别与盾构区间相接。车站主体位于三桥主干道，附属工程多位于两侧建筑物下部，需要大面积拆迁。主要为：车站北部三个出入口分别位于乐童幼儿园、未央区公路段家属院、三桥老街服装市场及装载机市场院内；南部两个出入口的位置是混二的建筑物，还有部分距离车站较近的建筑物等需拆迁。基础形式以灰土垫层或复合地基为主。车站主体位于交通主干道，不具备放坡开挖条件，应采取基坑支护措施。该段地层014m为黄土状土，1416m为细砂，1619m为粉质粘土，1930m主要中粗砂，水位埋深较大，砂层非常干燥，施工中极易出现坑壁坍塌或桩身掏空现象，应采取有效措施。基坑开挖时，可考虑采用围护桩与内支撑相结合的方法，建议围护桩应尽量密排，间距不宜太大，对桩间砂层及时挂网喷砼等，合理安排施工顺序。1.2 工程地质与水文地质条件1.2.1 车站工程地质层分布与特征描述1.地质条件拟建区间地貌单元属渭河皂河一级阶地，场地地形呈东高西低，勘探点地面高程388.52390.50m。主要工程地质特征如下：014m主要为全新世黄土状土，属中压缩性土，可塑状态；6.5m以上具湿陷性，局部夹薄层中砂透镜体，越向下部夹层越多。1416m主要为全新世密实状态的细砂。1619m主要为全新世可塑状态的粉质粘土。1932m主要为全新世密实状态的中砂、粗砂等，局部夹数层粉质粘土，断续状分布。3235m主要为14m厚度不等的粉质粘土，基本呈连续状态，属中压缩性土，可塑硬塑状态；该层土不具湿陷性，地下水位位于该层附近。3540m主要为密实状态的中砂夹薄层粉质粘土2水文地质条件拟建区间地下水水位埋深为31.332.4m，水位高程357.45358.11m，局部地段存在上层滞水，水位埋深11.012.0m；属第四系孔隙潜水，据区域水文地质资料，水位年变幅2.0m左右。局部地段存在上层滞水，水位埋深11.013.0m。地下水的补给、径流、排泄条件本地区潜水主要来自大气降水入渗补给及上游径流补给。地下水的总体迳流由南东向西北。潜水的排泄方式为人工开采、蒸发、向下游径流排泄等。水、土的腐蚀性及评价1.地表水该场地地表水对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性，场地地下水对混凝土结构无腐蚀性，在干湿交替环境下对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性；该场地水位以上土层对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性。2.地下水勘察期间在钻孔中取扰动土样对水位以上土质进行了易溶盐含量分析.。根据水质分析结果，依据规范岩土工程勘察规范（GB 200212001）第12.2.1条至12.2.4条判定：该场地地下水对混凝土结构无腐蚀性，在干湿交替环境下对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性。该场地水位以上土质对混凝土结构和钢筋凝土结构中的钢筋均无腐蚀性抗浮、抗渗水位依据陕西工程勘察研究院2008年7月提交的西安市地铁一号线一期工程设计抗浮水位研究报告，三桥车站的抗浮水位可按384.0m考虑，抗渗水位按382.0m考虑。特殊岩土及特殊工程地质问题10.1湿陷性黄土10.1.1湿陷性土层分布本次勘察对自然地面以下、水位以上的地基土取土样进行了湿陷性试验，试验结果表明场地内1-2层素填土和2-1黄土状土具湿陷性，湿陷性土层分布深度为5.5左右，地基土的湿陷起始压力均大于150kPa。10.1.2场地湿陷性评价根据场地探井和钻孔取样结果，地基土的自重湿陷系数zs均小于0.015，依据GB 50025-2004规范第4.4.3条判定：拟建工场地为非自重湿陷性黄土场地。10.1.3地基湿陷等级地基湿陷量计算自天然地面算起，累计至湿陷性土层底面，湿陷量计算值为23225mm。计算结果见表30。依据规范第4.4.3条、4.4.7条综合判定：拟建场地为非自重湿陷性黄土场地，地基湿陷等级为级（轻微）。地基处理针对不同的建筑类型和基础埋深按照相关规定执行。10.2人工填土目前场地为三桥街道和周围的民房，从勘探资料看，场地内有0.73.2m厚的人工填土，道路上主要为沥青路面和路基垫层，岩性不均，其余地段主要为粘性土夹大量砖瓦碎块等。10.3地面植被根据本次调查，三桥路南北两侧各有一条绿化带，宽约1.5m。第二章 支护方案的选择与比较2.1 基坑支护的类型及其特点和适用范围2.1.1 深层搅拌水泥土围护墙深层搅拌水泥土围护墙是采用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强行搅拌,形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。水泥土围护墙优点:由于一般坑内无支撑,便于机械化快速挖土;具有挡土、止水的双重功能;一般情况下较经济;施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微,因此在闹市区内施工更显出优越性。水泥土围护墙的缺点:首先是位移相对较大,尤其在基坑长度大时,为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移;其次是厚度较大,只有在红线位置和周围环境允许时才能采用,而且在水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。2.1.2 土钉墙土钉墙是一种边坡稳定式的支护，其作用与被动的具备挡土作用的围护墙不同,它是起主动嵌固作用,增加边坡的稳定性,使基坑开挖后坡面保持稳定。土钉墙主要用于土质较好地区,我国华北和华东北部一带应用较多,目前我国南方地区亦有应用,有的已用于坑深10m以上的基坑,稳定可靠、施工简便且工期短、效果较好、经济性好、在土质较好地区应积极推广。采用土钉墙的一般要求，土钉墙可适用于塑，不塑或坚硬的粘性土；在有地下水的土层中，土钉支护应该在充分降排水的前提下采用；土钉墙容易引起土体位移，采用土钉墙支护应慎重考虑，墙体变形对周围环境的影响。 2.1.3 排桩支护基坑开挖时，对不能放坡或由于场地限制不能采用搅拌桩支护，开挖深度在610m左右时，即可采用排桩围护。排桩可采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土板桩或钢板桩等。当基坑开挖深度较大时，可设置多道支撑，以减少内力,采用冲钻孔桩能够穿越条石、旧基础。在护壁桩间做旋喷帷幕达到止水的效果，但由于基坑开挖深度大护壁不可能采用锚拉或内支撑，锚杆无法施工，也无法采用锚拉，南北两侧亦无法对称采用排桩，在设立支护时没有合适的支护方式。2.1.4 槽钢钢板桩这是一种简易的钢板桩围护墙,由槽钢正反扣搭接或并排组成。槽钢长610m,型号由计算确定。其特点为：槽钢具有良好的耐久性,基坑施工完毕回填土后可将槽钢拔出回收再次使用;施工方便,工期短;不能挡水和土中的细小颗粒，在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施；抗弯能力较弱,多用于深度小于4m的较浅基坑或沟槽,顶部宜设置一道支撑或拉锚;支护刚度小,开挖后变形较大。2.1.5 钻孔灌注桩钻孔灌注桩围护墙是排桩式中应用最多的一种,在我国得到广泛的应用。其多用于坑深710m的基坑工程,在我国北方土质较好地区已有89m的臂桩围护墙。钻孔灌注桩支护墙体的特点有:施工时无振动、无噪音等环境公害,无挤土现象,对周围环境影响小;墙身强度高,刚度大,支护稳定性好,变形小;当工程桩也为灌注桩时,可以同步施工，从而施工有利于组织、方便、工期短;桩间缝隙易造成水土流失,特别时在高水位软粘土质地区,需根据工程条件采取注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩等施工措施以解决挡水问题;适用于软粘土质和砂土地区,但是在砂砾层和卵石中施工困难应该慎用;桩与桩之间主要通过桩顶冠梁和围檩连成整体,因而相对整体性较差,当在重要地区,特殊工程及开挖深度很大的基坑中应用时需要特别慎重。2.1.6 钢板桩采用钢板桩支护针对本基坑为临时支护的特点，施工方便，工期短，在基坑施工完毕回填土后将槽钢拔出，重新利用，可以将支护费用降到最低。但采用钢板桩支护有一致命的弱点，即不能挡水和土中的细小颗粒，且在地下水位高时还要求降水或隔水，这与本工程地下水位高，地水丰富的地质条件极不相称。另钢板桩支护抗弯能力较弱，开挖挠曲变形较大，一般适用深度不超过4m。很显然本基坑软弱含水的地质条件10m的开挖深度，以及地处城市建筑密集区对挠曲位移的严格要求等均不适宜采用钢板桩支护，一经采用必将造成严重后果。2.1.7 SMW工法型钢等(多数为H 型钢,亦有插入拉森式钢板桩、钢管等) ,将承受荷载与防SMW工法亦称劲性水泥土搅拌桩法,即在水泥土桩内插入H渗挡水结合起来,使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙。SMW支护结构的支护特点主要为:施工时基本无噪音,对周围环境影响小;结构强度可靠,凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可使用,特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层;挡水防渗性能好,不必另设挡水帷幕;可以配合多道支撑应用于较深的基坑;此工法在一定条件下可代替作为地下围护的地下连续墙,在费用上如果能够采取一定施工措施成功回收H 型钢等受拉材料;则大大低于地下连续墙,因而具有较大发展前景。2.1.8 地下连续墙通常连续墙的厚度为600mm、800mm、1000mm，也有厚达1200mm的。地下连续墙刚度大，止水效果好，是支护结构中最强的支护型式，适用于地质条件差和复杂，基坑深度大，周边环境要求较高的基坑，但是造价较高，施工要求专用设备优点：施工时振动小，噪音低，非常适合本基坑的开挖支护设计；墙体刚度大，特别适合本基坑复杂的地质条件，尤其是对松散填土及软塑淤泥质粉质粘土的支挡效果明显，基坑安全性能够得到保证；防渗性能好，地下连续墙现今工艺已成熟，在墙体结头和施工方法上都得到改进，墙体几乎不透水。占地少，本工程地处城市建筑密集区，空间狭小，采用地下连续墙可以充分利用建筑红线以内有限的地面和空间，能够充分发挥其经济效益，在施工过程中，不会引起地面沉降，因此对周围建筑没有丝毫影响；工效高，工期短，质量可靠，经济效益高。采用地下连续墙是真正的优质高效，符合现代都市的竞争理念，业主容易接受。缺点：对废泥浆处理，不但会增加工程费用，如泥水分离不完善或处理不当，造成新的环境污染；槽壁坍塌问题。如地下水位急剧上升，护壁泥浆液面急剧下降，土层中有软弱的砂性砂层，泥浆的性质不当或已变质，施工管理不当等均可能引起壁槽壁坍塌，引起地面沉降，危害邻近工程结构和地下管理的安全。同时也可能使墙体混凝土体积超方，墙面粗躁结构尺寸超出允许界限；采用地下连续墙费用要相对较高，但为保证安全稳定及效率，费用仿高5-10%的预算之内，同时采用连续墙施工，工序简单，变更较少，费用易于控制。2.2 方案的比较及确定2.2.1 基坑的特点综合分析本工程的地理位置、土质条件、基坑开挖深度及周围环境的影响，有以下的特点：（1）基坑开挖面积较大，下方市政管线较多。（2）基坑开挖深度范围内的土层的工程性较差。开挖层包含较多层不同性质土层。（3）基坑周围存在高层建筑及待建高层，对沉降要求较高，且可能牵扯到文物的保护，环境条件复杂。（4）开挖深度超过17.4米，属一级基坑。（5）基坑所在地地下水在24米以下，而开挖深度在17.4米，所以无需作降水处理.2.2.2 支护方案的选择根据本工程的特点，设计时此基坑有可能采用的几种支护形式从技术上和经济上进行了分析比较。1采用钻孔灌注桩作为挡土结构、深层水泥搅拌桩为止水帷幕及结合三道钢管内支撑的支护体式。优点：钻孔灌注桩施工容易、造价较低，目前此种技术比较成熟。另深层水泥搅拌桩为止水帷幕时有好的效果防水。钢管内支撑具有拼装方便、施工速度快并可以多次重复使用等优点，并可施加预应力。此时支护结构有一定的安全性和经济性。缺点：主体结构深度太大，地下水位较高，施工难度较大。2主体采用地下连续墙及钢支撑优点：施工振动小，噪音低，非常适于城市施工；墙体刚度大，防渗性能好，可以贴近施工；适用于多种地基条件，可以作为刚性基础；占地少，可以充分利用建筑红线以内有限的地面和空间；工效高，工期短，质量可靠，经济效益高。本方案充分考虑了基坑上层土层滞水，面积大（在交通干线旁），高度大等特点。主体采用地下连续墙强度高又可以止水，并成为基础的结构部分，与后浇的内衬共同组成永久性结构的侧墙。机械化程度高，能保证工期，是比较安全可靠的施工方法。交通层高度不大，采用人工挖孔桩是安全有效的，并在一定程度上降低了工程造价。缺点：地下连续墙作为挡土结构时造价比较高；在一些特殊地质条件下施工难度大；还须有泥浆处理条件，对废泥浆的处理会造成环境污染。施工中如出现槽壁坍塌问题会引起邻近地面沉降，墙体混凝土超方。第三章 土压力计算3.1 地面荷载的确定车站主体位于三桥主干道，车站北部三个出入口分别位于乐童幼儿园、未央区公路段家属院、三桥老街服装市场及装载机市场院内；南部两个出入口的位置是混二的建筑物。三桥路为交通要道，车流量、人流量均较大，修建地铁车站对最终的施工方法、工艺选择及施工组织（施工设备、工期等）产生直接影响。因此取上部荷载为20kpa。由于勘察期间测得地下水潜水位埋深31.332.4m，而三桥车站基坑开挖深度为14.61m，地下水对基坑的开挖和支护影响不大，故选择水土分算的原则计算。3.2 按分层土计算土压力 本工程场地平坦，土体上部底面超载20kPa，在影响范围内无建筑物产生的侧向荷载，且不考虑施工荷载及邻近基础工程施工的影响，假定支护墙面垂直光滑，故采用郎肯土压力理论计算表3.1 土体物理学参数层号及土层名称厚度（m）重度kN/m3直剪（固块）静止土压力系数K0粘聚力C（kPa）内摩擦角1-1杂填土Q4ml 1.8185100.72-1黄土状土Q4al39.418.838230.382-5-1中砂Q4al50.4200300.42-1黄土状土Q4al34.418.838230.382-4细砂Q4al40.418.20300.42-2粉质粘土Q3al13.420.532200.422-5-2中砂Q4al52.419.30300.42-2粉质粘土Q3al13.320.532200.42（1） 计算方法：按朗肯理论计算主动与被动土压力强度，其公式如下： (3.1) (3.2)式中 、 朗肯主动与被动土压力强度，； 地面均匀荷载，； 第 层土的重度，； 第 层土的厚度，；、 朗肯主动与被动土压力系数； (3.3) (3.4)式中、 计算点土的抗剪强度指标d =18 kN/m3 C=5 kPa j =10d =18.8 kN/m3 C=38 kPa j =23d =20 kN/m3 C=0 kPa j =30d =18.8 kN/m3 C=38 kPa j =23d =18.2 kN/m3 C=0 kPa j =30d =20.5kN/m3 C=32 kPa j =20d =19.3 kN/m3 C=0 kPa j =30d =20.5 kN/m3 C=32 kPa j =20 1800 9400 14610 400 24610 4400 400 3400 2400 33003.3 土层力学参数平均值（1）参数加权平均数由于各土层物理力学参数相差不大，故采用加权平均法计算土压力，各加权平均参数计算为：平均容重： =19.25 kN/m3迎土区：=22.2=29.33 kPa （2）土压力计算土压力系数：主动土压力系数： 被动土压力系数：计算下墙板嵌固深度：由经验公式法计算嵌固深度公式为：H基坑开挖深度 容许变形量；根据建筑基坑工程技术规范有：为了施工方便，取8.5m墙体埋深：16.11+8.5=24.61m抗隆起计算：同时考虑c，的抗隆起，兵按普朗特尔地基承载力公式进行验算，公式为： 如图式中，=坑外地表至墙底，各土层天然重度的加权， =坑内开挖面一下至墙底，各土层的天然重度加权的平均，地基极限承载力的计算系数，抗因此，地下连续墙埋深D=8.5m满足要求，为施工方便，可取24.6。抗渗流不考虑。主动土压力地面均布荷载：q=20kpa墙顶：h=0m取坑底：h=16.11m墙底：h=24.61m被动土压力：墙底：结构内力计算：土压力计算：(1） 确定临界深度，由，得（2） 各支点及坑底处的土压力：O点：A点：B点：C点：坑底：（3） 土力零点：土力零点距离基坑底的距离，可根据静土压力零点处墙前被动土压力强度与墙后主动土压力强度相等的关系求得：（4） 基坑支护简图：（1） 用分段等值梁法计算弯矩1） OA段：OA段为悬梁臂）AB段：）BC段：） 段：从建筑结构静力计算手册、可以查得：求分配系数：固定端B：，固定端C：DBC传递函数00.50分配函数0.48150.5185 0.67620.3238固定弯矩-32.8+32.8 +60.76-89.97 +110.35 -587.55D一次分配+161.34 +322.68+154.52C一-63.62-68.51 -34.255D二+11.58 +23.165+11.09C二-5.58-6 -3D三+1.02 +2.03+0.97C三-0.49-0.53-32.8+32.8 -8.93+8.93 +420.97-420.97通过以上计算：求支座反力OA段：AB段：BC段：CDE段：反力核算：土压力及地面荷载共计：支总反力共计：误差（富裕度）：保护层：主筋HRB335CII级 安全系数查表：有效高度：查表17混泥土结构上册所以：选配：622 土侧：所以选配622 ，水平筋最小率需求：当，采用间距s=200mm基坑变形估算及控制基坑可挖深度：16.11m水平位移估算：L分段开挖坑底长度，经验系数，取0.8地表沉降估算：修正系数，K取1.0H开挖深度底层沉降量与基坑开挖深度之间的百分比，黄土地压取1.0隆起：隆起量H：开挖深度P：底面超截地表沉降估算：修正系数，对于连续墙，属板桩支护，取1.0；H基坑开挖深度；底层的沉降量与基坑开挖深度之比%，黄土地区取1.0；根据底下连续墙设计施工与应用依据地铁规范和结合三桥站周边环境的实际情况，地表沉降量满足要求。支撑设计：初拟采用H型钢，由于八字撑与支撑及围檩链接的整体性不易做好，故围檩的计算跨度取相邻的支撑与八字撑围檩的平均值。围檩的最大弯矩：围檩的最大剪力：初拟选用， 图1.1 工字钢其相关参数查表：钢结构P323 表1.1表1.1 工字钢参数表单位重量截面面积回转半径截面惯性矩截面模量（2）验算钢，查钢结构P322附表1.1有：强度设计值：抗弯，压，拉 ：抗剪： 满足6.3 支撑设计本基坑按照国内通常做法，采用钢管，同时根据建筑基坑技术设计规范YB9258-97对支撑的相关规定，合理布置支撑，如总图1，平面支撑规范跨度为5-6m，竖向距离不超过5m，本站根据实际工程情况，横向跨度最小取值4.5m，最大6m；竖向设4层支撑，竖向深度分别为1m、4m、10.5m、及13.8m，至上而下距离有所减小，已适应侧向土体压力的增大和基坑实际情况。其计算跨度为安全起见，取较长的为准，即取，钢管壁厚， 每根支撑的最大轴力为（支撑的水平距离为4m）： 则：钢管支撑的应力： 满足稳定系数（一般为0.60.9之间，此处取0.742）支撑的最大轴力：