地下鐵道課程設計--基坑圍護設計

1、<p><b>　　地下鐵道課程設計</b></p><p>　　設計時間：2009年12月28日——2010年1月10日</p><p>　　設計題目：**地鐵1號線科技園站基坑圍護設計</p><p>　　**地鐵1號線科技園站基坑圍護設計</p><p><b>　　目 錄</b&g

2、t;</p><p>　　第一部分 圍護設計說明 </p><p>　　一、工程概況 ---------------------------------------------------------------03 </p><p>　　二、設計依據(jù)----------------------------

3、------------------------------------- 03 </p><p>　　三、場地現(xiàn)狀及工程地質情況 ---------------------------------------------------03 </p><p>　　四、圍護方案選擇及介紹-------------

4、------------------------------------------03 </p><p>　　第二部分 圍護體系計算說明</p><p>　　一、計算方法說明-------------------------------------------------------------05 </p&g

5、t;<p>　　二、計算參數(shù)及土工指標--------------------------------------------------------05 </p><p>　　三、基坑圍護體系計算分析內(nèi)容-------------------------------------------------05 </p><p>　　第

6、三部分 基坑圍護工程設計圖</p><p>　　一、基坑圍護總平圖-----------------------------------------------------------10</p><p>　　二、基坑圍護縱斷面圖---------------------------------------------------------10</p><p>　

7、　三、基坑圍護橫斷面圖---------------------------------------------------------10</p><p>　　四、基坑圍護人工挖孔樁鋼筋構造圖----------------------------------------------10</p><p>　　第四部分 附錄-計算書</p><p>　　工程概況

8、-------------------------------------------------------------10</p><p>　　地質條件 -------------------------------------------------------------11</p><p>　　工況模擬 -------------------------------------

9、-----------------------11</p><p>　　工況內(nèi)力計算 ---------------------------------------------------------13</p><p>　　土壓力及基坑穩(wěn)定計算--------------------------------------------------16</p><p>

10、　　人工挖孔樁配筋計算 ---------------------------------------------------26</p><p>　　設計總結--------------------------------------------------------------28</p><p>　　第一部分 圍護設計說明</p><p><b>

11、　　一、工程概況</b></p><p>　　**地鐵1號線科技園站深基坑場址位于**一游樂場和沙河立交橋之間,基坑兩側各有兩棟在建工程。基坑向西為**機場方向，向東為世界之窗方向。基坑開挖深度大,一般開挖深達19m ,為超深基坑，其地理位置十分重要，南側距深南大道越40m。現(xiàn)地面高程約5m ,地鐵基坑底設計標高為-14m。圍護結構安全等級為一級。</p><p><b&

12、gt;　　二、設計依據(jù)</b></p><p>　　**地鐵二期1號線續(xù)建工程詳勘階段《科技園站巖土工程勘察報告》</p><p>　　《**地區(qū)建筑深基坑支護技術規(guī)范》（SJG05-96）</p><p>　　建設部標準“建筑基坑支護技術規(guī)程” （JGJ120-99）；</p><p>　　鋼筋混凝土結構設計規(guī)范》（GB5001

13、0-2002）；</p><p>　　三、場地現(xiàn)狀及工程地質情況</p><p>　　站址區(qū)為海沖積平原，地勢西高東低，現(xiàn)地面高程3.93～6.52m地勢略有起伏。站區(qū)范圍內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層，海沖積層及第四系殘積層。</p><p>　　本場地地質類別為Ⅱ類（普通土：主要成分為粉質粘土的素填土、中密狀態(tài)的園礫粉質粘土等）。</p><p

14、>　　水文地質特征勘測期間地下水埋深0.9～5.30m 水位高程1.01～4.58m 水位變幅0.5～2m。按賦存介質分為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，主要補給水源為大氣降水。孔隙潛水主要賦存在第四系沙層等，地下水總的徑流方向為由北向南。站端東側約480m處為大沙河，常年有水。</p><p>　　設計參考鉆孔資料主要有ZD-KJY-02、ZD-BK-38、ZD-BK-37，計算采用地質資料以ZD-KJY-

15、02為主。</p><p>　　四、圍護方案選擇及介紹</p><p><b>　?。ㄒ唬﹪o方案選擇</b></p><p><b>　　1. 圍護結構設計</b></p><p>　　本站主體基坑開挖深度約為18.4～20.5m ，根據(jù)戰(zhàn)區(qū)的實際情況，按照《**地區(qū)建筑深基坑支護技術規(guī)范》（SJ

16、G05-96）規(guī)定，本站基坑工程安全等級為一級，基坑長226.38m、標準段寬20.2m,， 東端設盾構始發(fā)井，西端為接收井。</p><p>　　基坑采用人工挖孔樁圍護，挖孔樁的嵌固深度應滿足基坑整體穩(wěn)定、抗傾覆、抗管涌、抗隆起要求?；影粗黧w結構斷面形式、地質條件、支撐布置方式從西向東依次分為A、B、C、D、四個區(qū)，在此僅根據(jù)A區(qū)的地質條件進行設計。</p><p><b>

17、　　2.荷載</b></p><p><b>　?。?）永久荷載</b></p><p>　　結構自重按實際重量計算，鋼筋混凝土重度按25KN/m3 計：</p><p>　　側向土壓力按采用彈性計算中的“矩形分布模式”。側壓土分層計算，地下水位以下的粘性土采用水土合算沙土及碎石水土分算。 在進行圍護結構計算時，按施工順序逐階段計

18、算，并考慮了支撐設置時已有的位移、支撐的彈性變形及預加軸力的影響。 水土分算是凈水壓力采用勘探期間的穩(wěn)定高水位的全水頭進行計算。</p><p><b>　?。?）可變荷載</b></p><p>　　施工期間基坑側面超載一般按20kpa計， 盾構井側面超載按30kpa計;</p><p>　　3.基坑圍護結構方案的選擇（人工挖孔樁的優(yōu)點）&l

19、t;/p><p>　　地下水位較高地層上軟下硬淤泥，淤泥質細砂較厚，在這種場地進行深基坑開挖對圍</p><p>　　護結構的擋土功能要求很高，對其止水功能要求更高，因此把既可擋土又可止水作為圍護結構的選擇原則，從安全、經(jīng)濟、方便施工、因地制宜加之本設計中的深基坑,地理位置十分重要,且設計深度較大,地下水位較高的角度來看,只能垂直開挖。根據(jù)車站所處地質條件結合現(xiàn)場施工基坑支護的工程經(jīng)驗，選擇人

20、工挖孔樁作為車站的圍護結構。</p><p>　　挖孔樁的特點挖孔樁與其他深基礎尤其是預制樁相比，主要有以下特點。1.1受力性能好：由于挖孔樁直徑大，所以單樁承載力高。挖孔樁一般直徑為0.8~2.4米，可承幾千千牛至幾萬千牛的力，適用于上部傳來的荷載大而集中的結構。由于其嵌入巖層一定深度，所以能承受較大的水平荷載，擴底挖孔樁還可抵抗很大的上拔力。其抗震性能好，沉降量小，能防止不均勻沉降。1.2施工方便，造價

21、低。挖孔樁成孔大，容易檢查樁底持力層情況及側面土質情況，并易于混凝土澆注、振搗；施工僅需輕型工具，不需大型施工機械，適于人工費較低的地區(qū)；各樁可分別同時施工，施工速度較快；預制樁打樁時會造成相近的樁側移或向上浮起，挖孔樁則無此問題，且無噪聲污染；在密實的砂層及卵石層或有孤石的地基中，打預制樁十分困難，而挖孔樁則易于施工；持力層有一定傾斜時，預制樁會長短不齊，大量截樁、接樁，挖孔樁則無上述問題。1.3下述情況不宜使用挖孔樁；建筑層數(shù)少，

22、荷載?。粓杂渤至雍苌?，樁太長，造價高；地下水位高，特別是海邊回填場地應注意。</p><p>　　4.基坑支撐方案的選擇</p><p>　　在地鐵車站深基坑的支撐結構中常用的支撐是鋼管支撐和錨桿支撐 ，鋼管支撐既能解決防水問題又能及時提供支承力是普遍看好的一種支撐形式。從地鐵一號線使用支撐情況看除少數(shù)車站用錨桿支撐和型鋼支撐外大多數(shù)用鋼管支撐且效果較好而且現(xiàn)有大量鋼管支撐庫較多因此選擇

23、鋼管支撐既能滿足基坑支撐要求又能利用現(xiàn)存的鋼管支撐降低投資。</p><p><b>　　（二）圍護方案介紹</b></p><p>　　基坑圍護體系具體做法如下：</p><p><b>　　1、人工挖孔樁圍護</b></p><p>　　人工挖孔樁直徑為1000mm，間距均為1200mm，樁長3

24、5m?；炷翉姸鹊燃墳镃30。</p><p><b>　　2、內(nèi)支撐體系</b></p><p>　　設四道鋼管內(nèi)支撐，采用11排橫撐（直徑800mm，最大長度40m，最小長度20m），在基坑四周設有角撐，橫撐與橫撐之間設有角撐和托梁，橫撐、托梁直接作用在四道腰梁（腰梁寬0.5m、高1m）上，腰梁將支撐內(nèi)力傳遞給腰梁，再通過腰梁傳遞給人工挖孔樁。為確保人工挖孔樁排樁

25、的整體穩(wěn)定性，在人工挖孔樁樁頂設有圈梁（圈梁寬1.5m、高1.5m）。</p><p><b>　　3、中間豎向立柱</b></p><p>　　豎向立柱上部均采用井字型鋼構架，下部為直徑1000mm鉆孔灌注樁。鋼構架上部伸入支撐400mm，下部插入立柱樁內(nèi)2000mm。</p><p>　　第二部分 圍護設計計算說明</p>&

26、lt;p>　　一、基坑圍護體系計算方法說明</p><p>　　1、圍護體系側壓力計算根據(jù)朗肯土壓力理論，按水土分層計算的原則進行計算。</p><p>　　2、圍護結構受力變形分析采用同濟啟明星FRWS4.0計算，該軟件經(jīng)眾多圍護工程運算與開挖驗證，具有很好的可靠性。計算方法采用彈性地基梁法，坑底土體彈簧常數(shù)采用m法。</p><p>　　二、計算參數(shù)及土工

27、指標</p><p>　　1、基坑計算開挖深度為19m，樁長35m，嵌固深度為16m。計算中考慮地表施工堆載20kPa。</p><p>　　2、土壓力計算采用土體快剪指標，各土層物理力學性質指標根據(jù)浙江城建勘察研究院有限公司提供的本工程地質勘察報告取值，并進行適當折減。</p><p>　　三、基坑圍護體系計算分析內(nèi)容</p><p>　　

28、1、基坑圍護結構方案的選擇</p><p>　　本設計選人工挖孔樁，詳見設計說明</p><p>　　2、基坑圍護結構支撐體系的選擇</p><p>　　本設計選擇四道支撐，詳見設計說明</p><p>　　3、圍護結構插入深度及其在各工況下的內(nèi)力和變形分析</p><p>　　本設計人工挖孔樁插入深度為16m。內(nèi)力和

29、變形通過同濟啟明星FRWS4.0計算。</p><p>　　同濟啟明星FRWS4.0輸入基本參數(shù)如下圖。</p><p><b>　　土層參數(shù)輸入如下圖</b></p><p><b>　　工況模擬如下圖</b></p><p>　　各工況內(nèi)力和變形分析（可以生成詳細計算結果）詳見附錄——計算書&l

30、t;/p><p>　　4、計算分析基坑穩(wěn)定性</p><p><b>　　荷載選擇 </b></p><p>　　用戶點中“R計算”菜單中各子菜單，分別可以計算“整體穩(wěn)定性驗算”、“墻底抗隆起驗算”、 “坑底抗隆起驗算”、“極限平衡嵌固深度驗算”、“帶支撐抗傾覆驗算”、“管涌驗算”。各詳細計算結果詳見附錄——計算書，在此不續(xù)。</p>

31、<p>　　5、圍護結構人工挖孔樁配筋計算</p><p>　　本設計中的人工挖孔樁為圓形截面的鋼筋混凝土受彎構件。對于這類構件的配筋計算在我國現(xiàn)行的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTJ023-85 )中并未列出有關條款和計算公式。本設計中配筋計算問題主要是參考論文“鋼筋混凝土圓形截面受彎構件正截面配筋計算，中南公路工程，第26卷第3期，2001年9月，陳浩軍、雷光宇(長沙交通學院，

32、長沙市，410076)。其基本思想如下：</p><p><b>　　1 基本假定</b></p><p>　?、?混 凝 土軸心受壓的應力與應變關系曲線為拋物線，其極限壓應變?nèi)?.002;相應的最大</p><p>　　壓應力取混授土軸心抗壓設計強度值R,;對非均勻受壓構件，當壓應變E}簇0.002時，應力與</p><p

33、>　　應變關系曲線為拋物線;當壓應變s,> 0.00 2時，應力與應變關系曲線呈水平線，極限壓應變</p><p>　　取。.0033，相應的最大壓應力取混凝土軸心抗壓設計強度Ra(圖1)</p><p>　?、?鋼筋為環(huán)形均勻分布。計算時用等效鋼筋代替(見圖2)</p><p>　?、?計算時，受壓區(qū)混凝土的應力圖形用等效的矩形應力圖代替(見圖3)&l

34、t;/p><p>　　2 計算公式的推導 根據(jù) 圖 4所示的極限狀態(tài)分別建立了彎矩及力的平衡方程:</p><p><b>　　計算公式如下：</b></p><p><b>　　相關的附表見計算書</b></p><p><b>　　3 配筋計算</b></p>

35、<p><b>　　計算 步 驟 :</b></p><p><b>　　選定Ra，和Rg;</b></p><p><b>　　初選A和As;</b></p><p><b>　　計算ρ值;</b></p><p>　　根據(jù)ρ，從附表1,附

36、表2中查出φc和φt值;</p><p>　　將查得φc和φt值代入計算公式中，即可求得極限彎矩值Mu;</p><p>　　將極限彎矩值Mu與外彎矩M（已經(jīng)用同濟啟明星FRWS4.0求得M=1767.4KNm）比較，當Mu>M時，滿足要求。否則，調(diào)整A,As、Ra、Rg值，重新計算。</p><p>　　詳細計算過程見計算書</p><p

37、>　　第三部分 圍護設計施工圖</p><p><b>　　一、基坑圍護總平圖</b></p><p>　　二、基坑圍護縱斷面圖</p><p>　　三、基坑圍護橫斷面圖</p><p>　　四、基坑圍護人工挖孔樁鋼筋構造圖</p><p>　　詳見附錄：圍護結構設計施工圖cad圖</

38、p><p>　　第四部分 附錄-計算書</p><p>　　附錄：圍護結構計算書</p><p>　　**地鐵1號線科技園站基坑圍護設計</p><p><b>　　圍護結構計算書</b></p><p><b>　　一、工程概況</b></p><p>

39、　　**地鐵1號線科技園站基坑圍護設計3基坑開挖深度為19m，采用1000@1200人工挖孔樁圍護結構，樁長為35m，樁頂標高為5m。計算時考慮地面超載20kPa。</p><p>　　共設4道支撐，見下表。</p><p><b>　　二、地質條件</b></p><p>　　場地地質條件和計算參數(shù)見表1。地下水位標高為3.2m。</p

40、><p><b>　　表1</b></p><p><b>　　三、工況</b></p><p><b>　　工況簡圖如下：</b></p><p><b>　　四、工況內(nèi)力計算</b></p><p>　　備注：工況2、4、6、8、1

41、0、12、14、16的內(nèi)力分別和工況1、3、5、7、9、11、13、15的內(nèi)力相同，在此不續(xù)。</p><p>　　五、土壓力及基坑穩(wěn)定性計算</p><p><b>　?。ㄒ唬┩翂毫τ嬎?lt;/b></p><p>　　土壓力采用矩形土壓力計算，土層c、φ值按Rankine土壓力理論求得：</p><p>　　矩形土壓力

42、 </p><p>　　其中墻前主動土壓力按Rankine土壓力理論計算，作用于基坑擋土結構外側的土壓力為：</p><p>　　水土分算： </p><p>　　水土合算： </p><p><b>　　式中，，</b>

43、;</p><p><b>　　墻后被動土壓力</b></p><p><b>　　詳細計算結果如下</b></p><p><b>　　土壓力分布圖</b></p><p>　　Wi — 土條i的重量，總應力法取天然重量，有效應力法取有效重量（即天然重量扣除水浮力），有效應

44、力法考慮滲流力時采用替代容重法，分母的Wi取有效重量，分子Wi的取天然重量；</p><p>　　qi — 土條i上作用荷載的平均集度；</p><p>　　ci、i — 土條i底端所在土層的粘聚力和內(nèi)摩擦角，總應力法采用總應力指標，有效應力法采用有效應力指標。</p><p>　　如果考慮水平應力的影響，計算公式為：</p><p>　　

45、（三）墻底抗隆起驗算</p><p>　　（四）坑底抗隆起驗算</p><p>　　坑底抗隆起驗算類似于圓弧面整體穩(wěn)定驗算，但圓心取最下一道支撐與擋墻的交點，并且圓弧通過墻底端，最下一道支撐以下為圓弧滑動面，以上為豎直直線，圓弧面上的滑動力和抗滑力的求法與瑞典條分法一致（但考慮水平應力），豎直滑動面上的抗滑力為：</p><p>　　式中，Hi 最下一道支撐深度；

46、</p><p>　　z 土層豎向應力；</p><p>　　Ka 主動土壓力系數(shù)；</p><p>　　，c 土層內(nèi)摩擦角，內(nèi)聚力。</p><p>　?。ㄎ澹┛箖A覆驗算(水土分算)</p><p>　　穩(wěn)定安全系數(shù)等于最下一道支撐以下圍護結構兩側土壓力對最下一道支撐點的力矩之 式中符號含義見圖帶支撐抗

47、傾覆驗算 下圖帶支撐抗傾覆驗算</p><p><b>　?。┛构苡框炈?lt;/b></p><p>　　抗管涌安全系數(shù)（見國家行業(yè)標準《建筑基坑支護技術規(guī)程》報批稿），</p><p>　　對于砂類土： 對于粘性土：</p><p>　　式中，‘ 土體浮重度，

48、kN/m3；</p><p>　　w 水的重度，kN/m3；</p><p>　　hW 地下水位埋深，m；</p><p>　　H 基坑開挖深度，m；</p><p>　　D 圍護結構入土深度，m。</p><p><b>　　抗管涌驗算:</b></p><p>

49、;　　按砂土，安全系數(shù)K=1.638</p><p>　　按粘土，安全系數(shù)K=2.519</p><p>　?。ㄆ撸﹥?nèi)力包絡圖詳細計算結果</p><p>　　內(nèi)力包絡圖概念 設計承受移動荷載的結構(如吊車梁、樓蓋連續(xù)梁及橋梁結構等)時，需要求出每個截面的最大內(nèi)力和最小內(nèi)力(最大負值)。連接各截面最大、最小內(nèi)力的圖形，稱為內(nèi)力包絡圖。 實際工作中的內(nèi)力包絡圖，應同時

50、考慮恒載和移動荷載(活載)的作用，而且移動荷載還要考慮其動力作用的影響。具體作法是將考慮動力影響后的移動荷載產(chǎn)生的內(nèi)力與恒載作用下的內(nèi)力按可能發(fā)生的最大、最小內(nèi)力疊加，根據(jù)各截面疊加后的最大、最小力繪制內(nèi)力包絡圖。</p><p>　　這是從網(wǎng)上找到的關于樁的內(nèi)力包絡圖的例子。以便參考正確性。</p><p>　　六、人工挖孔樁配筋計算</p><p>　　一、縱筋

51、配筋（均勻配筋）</p><p>　　配筋原理：根據(jù)“鋼筋混凝土圓形截面受彎構件正截面配筋計算，中南公路工程，第26卷第3期，2001年9月，陳浩軍、雷光宇(長沙交通學院，長沙市，410076)”中有關配筋原理進行配筋，具體見第三部分。</p><p><b>　　計算公式：</b></p><p>　?、蚣変摻頒30混凝土Rg=280N/mm

52、2,Ra=13.8N/mm2</p><p>　　二、箍筋配筋（構造配筋）</p><p><b>　　三、配置加強筋</b></p><p>　　加強箍筋在鋼筋骨架上每隔2m焊接1根，定位筋在鋼筋骨架上每隔2m沿圓周等間距焊接4根，詳見附圖3-人工挖孔樁鋼筋構造圖。</p><p>　　基坑圍護設計施工圖詳見cad圖&

53、lt;/p><p><b>　　設計總結：</b></p><p>　　本次設計采用了人工挖孔排樁+ 四道鋼管支撐的圍護結構;在深基坑的支護方法上,提供了一種新的支護手段。結構結構由于土壓力比較大,采用了鋼管支撐。這樣的支護方法,比較合理,而且也比較經(jīng)濟。本設計采用同濟啟明星FRWS4.0計算的各支護結構的位移、變形、支撐軸力均滿足一般要求；采用同濟啟明星FRWS4.0計

54、算周邊地面沉降等數(shù)據(jù)都在規(guī)范要求以內(nèi)。</p><p>　　本次課程設計，我組各組員認真按設計任務書按時完成各自分配的任務，合理分配任務，組員間相互討論激烈，合作融洽。幾次集中課程設計大伙情緒都很高，全部到齊。</p><p>　　通過本次課程設計各組員大都熟悉運用一些計算軟件，對多支撐結構內(nèi)力的幾種計算方法也有一些了解，特別是鋼筋混凝土圓形截面受彎構件的配件，手頭上的資料比較少，查閱了相