基坑支护设计范例

苏州地铁一号线A标段基坑支护设计

绪论：

选择苏州一号线地铁支护设计作为毕业设计课题，主要原因有：一、考虑到国内一线城市为解决交通拥堵，实现快速通行，今后几十年的主要市政工程是地铁建设，故对地铁建设的有关内容进行了解是很有必要的；二、学校专业课程主要倾向路桥相关知识，关于地铁支护结构设计在我们本科阶段都未涉及，而支护结构设计几乎在所有工程中都会遇到，因此有必要研究一下地铁工程的有关设计，拓宽一下自己的知识面；三、本科阶段的课程设计内容包括了道路、小桥及基础，关于深基坑的支护为曾涉及，因此，对工程中的支护设计进行研究是很有意义的。综合上述因素，我选择这个设计知识点不是很熟的课题。

该毕业设计以苏州地铁一号线工程为背景，自主设计了苏州地铁一号线标段K+～14200.000

K+的支护结构，并对该段基坑支护工程进行了支护方1380.000

案比选。对支护结构进行内力计算和强度验算。此外，还做了有关降水设计、基坑底稳定性分析和地下连续墙的施工工艺和质量控制。并绘制了支护结构平面布置图、剖面图、有关详图及支撑结构的配筋图。

限于知识水平和时间有限，毕业设计中仍有很多不足之处，恳切希望各位老师批评斧正。

该毕业设计以苏州地铁一号线工程为背景，自主设计了苏州地铁一号线标段K+的支护结构，并对该段基坑支护工程进行了支护方1380.000

K+～14200.000

案比选。对支护结构进行内力计算和强度验算。此外，还做了有关降水设计、基坑底稳定性分析和地下连续墙的施工工艺和质量控制。并绘制了支护结构平面布置图、剖面图、有关详图及支撑结构的配筋图。

关键词：苏州地铁; 支护结构; 方案比选；地下连续墙; 内支撑；

基坑底稳定性；降水设计；施工工艺与质量控制

K+Key words: Suzhou Subway; Underground K+～14200.000

1380.000

continuous;

Route alternative; The underground concatenation wall;

Supporting structure in support；Foundation pit cutting of the stability;

Precipitation design; the construction technology and quality control

of drilling driven cast-in-place pile

目录

第1章工程概况 (5)

1.苏州地铁一号线工程简介 (5)

2.工程勘察质料 (6)

2.1.土层详细描述 (6)

2.2.土层特殊实验指标平均值 (6)

2.3.各层土主要物理力学指标综合建议值 (6)

2.4.地基承载力评估 (7)

第2章基坑围护、支护方案比选 (8)

1.围护结构方案比选 (8)

1.1.地下连续墙与钻孔灌注桩比选 (8)

1.2.地下连续墙与土钉墙 (9)

2.围护结构与支护结构体系方案综合比选 (10)

第3章地基基础与支护体系设计计算 (11)

1.持力层选择 (11)

2.基坑开挖土层分布及物理指标 (12)

图3-2-1 分层土压力计算示意图 (12)

3.分层土压力计算 (12)

4.基坑开挖各阶段连续墙受理情况及支撑结构内力计算 (14)

4.1.第一层开挖内力计算 (15)

4.2.第二层开挖内力计算 (18)

4.3.第三层开挖内力计算 (22)

4.4.第四层开挖内力计算 (26)

第4章支护体系布置及支撑结构配筋设计和强度校核 (31)

1.支护体系布置 (31)

1.1.支护体系的平面布置 (31)

1.2.支护体系的纵向布置 (37)

2.支撑结构配筋设计 (38)

3.强度校核 (43)

3.1.第一层支撑钢筋混凝土梁抗压强度验算 (43)

3.2.第二层～第四层钢管支撑抗压强度验算 (43)

第5章基坑底稳定性分析 (45)

第6章降水设计 (52)

第7章地下连续墙施工工艺及质量控制 (59)

1.地下连续墙施工工艺 (59)

2.地下连续墙质量控制 (60)

总结 (61)

致谢 (62)

附录 (63)

[参考文献] (64)

第1章工程概况

1.苏州地铁一号线工程简介

基坑底稳定性分析，降水设计，地下连续墙施工工艺及地下连续墙的质量控制。并且完成了苏州地铁一号线某标段深基坑支护结构的平面设计图和剖面图，以及支撑构件的配筋详图。

2.工程勘察质料

本工程重要性等级为一级，中等复杂地基，抗震设防类别为乙级。

2.1.土层详细描述

根据野外勘探、现场原位测试，结合土工试验成果综合分析，现自上而下详

细描述为：

①填土层

杂填土：杂色，稍~中密，以碎砖、碎石混粉质粘土填积，表层为0.5~1.0m

厚的压实填土（路基土）。厚度5.4m。

②晚更新世（Q32-3）冲湖积相沉积层

粉质粘土：黄褐色、灰黄色，可塑状态（局部硬塑），夹粘土，含铁锰结核，

切面较光滑，无摇振反应，韧性中等，干强度中等~高。层顶埋深5.4m，厚度7~9m。

③晚更新世（Q32-2）浅海相、海陆交互相沉积层

粉质粘土：灰色，软塑~流塑状态，低塑性，夹薄层粉土，稍有光泽反应，

摇震反应不明显，韧性较低，干强度较低~中等。层顶埋深14.4m，厚度5m。

④晚更新世（Q32-1）湖、冲湖积相沉积层

粉质粘土：暗绿色，硬塑～可塑，均质致密，夹粘土，切面较光滑，无摇振反应，韧性中等，干强度中等~高。层顶埋深19.4，厚度4.1m。

⑤晚更新世（Q32-1）冲湖积相沉积层

粉土：灰色，中密~密实，部分为粉砂，夹薄层粉质粘土，光泽反应弱，摇震反应迅速，韧性、干强度低。层顶埋深23.5m，厚度10m。

⑥晚更新世（Q31）泻湖相沉积成因土层

粉质粘土、淤泥质粉质粘土：灰色，软塑~流塑，土质不均匀，局部为软塑粘土，夹淤泥质粘土，见有贝壳碎屑，切面较光滑，韧性、干强度中等。层顶埋深33.5m，厚度9.0m。

⑦中更新世（Q22）冲湖积相沉积成因土层

粉质粘土：灰绿～青灰色，硬塑，局部可塑，偶夹薄层粉土，切面较光滑，无摇振反应，干强度、韧性中等~高。分布于场地西端。层顶埋深42.5m，厚度

17.2m。

⑧中更新世（Q21）的古沙洲相沉积成因土层

粉土：灰色，中密~密实，局部夹粉细砂和粉质粘土，稍有光泽反应，摇震

反应中等，韧性、干强度较低。层顶埋深59.7m左右，未钻穿。

苏州地铁一号线与四号线换乘站土层分布详图见图2-1。

图2-1-1 苏州地铁一号线某标段土层分布图

（图中单位：m）

2.2.土层特殊实验指标平均值

有关苏州地铁地质土层物理力学指标见效表2-1。

表2-1 土层特殊试验指标平均值

2.3.各层土主要物理力学指标综合建议值

有关苏州地铁一号线某标段土层主要物理力学指标见效表2-2。

表2-2 各土层主要物理力学指标

（2）压缩性指标、直剪固快为标准值；

（3）渗透系数为室内试验最大值。

2.4.地基承载力评估

按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002），根据各项现场原位测试、理论公式计算及地区经验综合评判提供的地基承载力特征值见表2-3。

表2-3

第2章基坑围护、支护方案比选

1.围护结构方案比选

1.1.地下连续墙与钻孔灌注桩比选

地下连续墙作为深基坑支护的多功能结构, 是在基坑周围的有一定厚度的封闭的钢筋混凝土墙, 其可以作为建筑物的外围结构也可以作为基坑的临时围护用墙;由于其是钢筋混凝土结构, 因此具有较大刚度, 能承受较大的垂直荷载和较大的土压力、水压力等水平荷载以及良好的抗渗性能;对临近建筑物影响小, 施工中无需放坡、支模等, 且土方工程量小, 资料记载在距离原来建构筑物仅20cm即可进行深基坑施工且对建构筑物无影响;墙体深度、宽度及形状可以任意控制, 其在平面布置上可以呈H形、T形, 三角形、圆形、放射形等各种形状和曲线;地下连续墙施工中使用的机械设备较多, 导致造价较高, 但其与较大沉井工

程比较其工程造价可降低25 - 45% ,若将地下连续墙作为建筑基础结构墙体则可在更大程度上降低造价;施工所用泥浆配制较高, 并且施工中应有泥浆回收重复使用系统;适应性强, 该种施工工艺可以适合于各种土质, 不仅适用于软弱土层且穿过砂、砾石等坚硬地层, 尤其在软土地质中更有利于施工以发挥其优越性,当深度较大进入地下水位以下时也不受地下水的影响, 可不降低地下水而进行施工;施工过程全部在地面以上进行, 使劳动条件得到改善,过程中产生的振动及施工噪音较小, 能够适宜于对环境要求较严格的地区施工; 其可以与锚杆等支护形式联合施工,并可以在基坑内作内支撑;施工技术要求较高, 若土质条件复杂且施工不当等原因则往往会造成墙体表面粗糙、超挖以及相邻墙段不能连锁合拢等缺陷;施工中若遇到含有较高承压水头的砂砾层, 不辅以其它措施则难以成槽进行连续墙浇筑施工;施工需要专门的施工机械设备, 其各种设备相互配套且各个施工环节紧密配合, 若施工组织管理不善则往往造成现场泥泞, 施工效率低下, 施工质量差等后果。

该种施工工艺具有较大的使用范围, 大量工程实践及资料显示, 只有当土层中含有较多的大粒径块石、大量植物根茎或有较高的有机质以及地下水流速过大甚至已经造成涌水的工程应根据现场试验结果来确定其适用性外对于其它土层都具有较好的适应性;施工方便、工艺简单, 施工工期短, 对地基加固见效快并且其耐久性好;该种施工工艺可以提高并能够保持地基的抗剪强度,可以重组土体结构, 改变土层的变形性质, 减少土层的沉降量的作用;可以通过固结原理和挤压作用来消除软土的各种不良特性, 同时可起到阻截地下水流、减少振动、防止土层液化或流砂等作用, 同其它桩型比较具有良好的加固作用,且具有良好的防渗作用;高压旋喷桩施工质量控制严格, 若施工控制不当则容易发生渗漏等工程质量问题;造价较低, 资料显示钻孔桩与旋喷桩组合工艺同以往的施工工艺比较能节约10%～30%的工程造价;施工过程中设备振动较小、产生的施工噪音较小, 对临近建筑物影响小, 对软土、砂土及城市密集区的基坑支护有更为显著的支护效果。

综合比较，围护结构更宜选用地下连续墙。

1.2.地下连续墙与土钉墙

土钉墙围护结构基坑深度不宜超过18m，使用期限不宜超过18个月。土钉墙围护通常采取土中钻孔置入变形钢筋即带肋钢筋并沿孔全长注浆的方法做成。土

钉依靠与土体之间的界面粘结力或摩擦力，在土体发生变形的条件下被动受力，并主要承受拉力作用。土钉也可用钢管角钢等作为钉体采用直接击入的方法置入土中土。由苏州地铁一号线某标段的土层勘察质料可知，土层以软土居多，不能提供足够的摩擦力，故不宜采用土钉墙支护。

2.围护结构与支护结构体系方案综合比选

据了解，目前国内基坑开挖深度超过15m，支护结构多采用锚杆（或内支撑）和地下连续墙相结合的方案居多。

2.1.锚杆和地下连续墙相结合

采用锚杆（预应力锚杆居多）和地下连续墙相结合，这一类支护结构宜用在浅层地质条件较好的地区，但由于场地周围条件（建筑物、管线等设施）的限制以及锚杆和连续墙作为临时设施，相对造价还是比较昂贵的。

2.2.“二墙合一”

地下连续墙作为挡墙（或兼作地铁车站的外墙），同时采用桁架或内环式现浇钢筋混凝土（或钢）结构作为临时内支撑，由于这类支撑断面均较大，制作安装拆除费工费料，全部支撑占整个临时设施费用的比例也是较高的。

2.3.“三墙合一”

由于地下连续墙成本较高，施工工艺较复杂。本工程可采用钻孔灌注桩加内支撑的支护结构体系。但是在基坑开挖完成之后，还需要重新建造地铁车站的外墙，综合比较，这种方案的造价也不低。此外，该工程场地地下水位较高，基坑开外工程中还要做好基坑降水、排水工作。

经多方案比较，最后选定的围护、支护结构方案主要内容如下：

①利用水下浇筑钢筋混凝土地下连续墙作为施工期间的挡墙，同时兼作地铁车站的外墙和部分作为上部结构承重墙的“三墙合一”方案。

②该工程第一层内支撑采用现浇钢筋混凝土梁作为内支撑，剩下的三层采用钢管支撑。这样的支撑方案费用较小，拆除方便，经济实用。

全部临时支挡结构均被利用为地铁车站的永久工程结构，其中包括墙、柱、梁，这样可以大大地降低临时工程的造价和加快施工进度。

第3章 地基基础与支护体系设计计算

1. 持力层选择

该工程采用明挖施工，连续墙+内支撑围护结构，预开挖深度16.0m ，结合勘探结果，选择持力层。第③层软～流粉质粘土，该层粘土强度大，摇震反应不明显，韧性较低，压缩性中等偏低，其物理力学指标非别为：孔隙比0.801e =，三轴剪切试验测试其强度统计指标325.0C kPa =，317.0φ=?。按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002），根据现场原位测试、理论公式计算及地区经验综合评判提供的地基承载力特征值表2-3可知：第③层软～流粉质粘土承载力特征值

150ak f kPa =。

故持力层应选择为第③层软～流粉质粘土上（见图3-1-1）。该土层承载力特

征值150ak f KPa =。

图3-1-1 持力层土层分布详图

（注：1.填土层；2.晚更新世冲湖积相沉积层；3.晚更新世浅海、海陆交互相沉积层）

2. 基坑开挖土层分布及物理指标

地面附加荷载2020/q KN m =，苏州地区地下水位高，在计算中各层土都是出于饱和状态。第①层土，饱和重度3118.7/KN m γ=，内摩擦角112?=?，内聚力2110/C KN m =；第②土层，饱和重度3117.6/KN m γ=，内摩擦角18?=?，内聚力216/C KN m =；第③层土，饱和重度3119.4/KN m γ=，内摩擦角117?=?，内聚力2125/C KN m =；第④层土，饱和重度3119.0/KN m γ=，内摩擦角127?=?，内聚力219.5/C KN m =。分层情况及有关参数见图3-2-1。

图3-2-1 分层土压力计算示意图

()3:,::KN

m C KPa γ?度；

3. 分层土压力计算

在实际工程中，基坑周边土层一般为成层结构，分层土的土压力计算一般以分层土的重力密度，内摩擦角，内聚力，应用下式计算：（参见《深基坑支护工程设计技术》，黄强编著，2.4分层土土压力计算） 第n 层土底面对墙的主动土压力为：

21()tan (45)2tan(45)2

2

n

n

n

an n i i n i E q rh C ???

?==+-

--

∑ （3-3-1）

式中n q ：地面附加荷载传递到n 层土底面的垂直荷载；

i r ：i 层土的天然重力密度（3/KN m ）

； i h ：i 层土的厚度（m ）；

n ?：第n 层土的内摩擦角（?）；

n C ：第n 层土的内聚力（2/KN m ）。 第n 层土底面对墙的被动动土压力为：

1

21

(

)t a n (45)2

t a n (45)2

2

n m n n pn i i n i E rh C ?

?

=+?

?

==+

-+∑

（3-3-2） 结合图3-2-1各土层主要物理力学指标和公式（3-3-1）、（3-3-2），计算结果见下：

在距地表面5.4m 处的主动土压力强度1a E 、1a

E '： ()

211212(2018.7 5.4)tan (45)210tan(45)2263.16a E KN m ??=+??--???-=

()

2188(2018.7 5.4)tan (45)26tan(45)2281.03a

E KN m ??

'=+??--???-= 在距地表面14.4m 处的主动土压力强度2a E 、2a

E '： ()

2288(2018.7 5.417.69.0)tan (45)26tan(45)22200.78a E KN m ??=+?+??--???-=

()

221717(2018.7 5.417.69.0)tan (45)225tan(45)22116.10a

E KN m ??

'=+?+??--???-=

在距地表面19.4m 的主动土压力强度3a E 、3a

E '： ()

231717(2018.7 5.417.69.019.4 5.0)tan (45)225tan(45)22169.26a E KN m ??=+?+?+??--???-=

()

232727(2018.7 5.417.69.019.4 5.0)tan (45)29.5tan(45)22129.87a

E KN m ??

'=+?+?+??--???- 在距地表16.0m 的主动土压力强度16E ：

()

2161717(2018.7 5.417.69.019.4 1.6)tan (45)225tan(45)22133.11E KN m ??=+?+?+??--???-=

则基坑的主动土压力强度分布图形如图3-3-1所示。略去不计填土和墙背之间的拉应力，则得基坑开挖16.0m 连续墙背承受的主动土压力a E 等于

()()()111

63.16 5.481.03200.789.0116.10133.11 1.6

222170.531268.15199.371638.05a E KN m =??+?+?+?+?=++=

图3-3-1 主动土压力分布图

（长度单位：m ，主动土压力单位：KPa ）

4. 基坑开挖各阶段连续墙受理情况及支撑结构内力计算

苏州地铁一号线与四号线换乘站基坑工程，挖土深度（开挖深度）

16.0H m =，土质情况如图3-4-1所示。支护结构体系采用地下连续墙加4道支撑体系。

图3-4-1 基坑地质及开挖情况

（图中单位：m ）

挖土和支撑的程序为：

第一阶段挖土→第一层支撑→第二阶段挖土→第二层支撑→第三阶段挖土→第三层支撑→第四阶段挖土→第四层支撑→加垫层→拆除第四层支撑。 现分别对各阶段的连续墙受力情况进行分析：

4.1. 第一层开挖内力计算

为计算方便，首先计算如下变量：

11tan(45) 1.235, 1.525;2P K ?

=?+==

22tan(45) 1.150, 1.323;2P K ?

=?+==

33tan(45) 1.351, 1.826;2P K ?

=?+==

44tan(45) 1.632, 2.663;2P K ?

=?+==

55tan(45) 1.364, 1.860;2P K ?

=?+==

11tan(45)0.810,0.656;2

a K ?

=?-==