深基坑与边坡支护工程课程设计指导书武夷学院土木工程教研室2014年9月地铁深基坑围护结构设计1 工程概况本车站座落于奥林匹克公园内下沉广场中心，其站厅为下沉广场中心的一部分，因而形成站厅层处于下沉广场，而站台层处于地下的半地下双层岛式站台车站，站厅层宽度大于站台层。
形成了上宽下窄的结构形式。
车站南北两端为地下商业露天疏散广场。
本地铁车站主体结构较大，车站南北总长为380.430m，车站中心里程为K2+937.000，车站中心线处轨顶绝对高程为30.646m。
车站主体结构主要包括两部分：车站站台中心区及其附属设施部分和车站北端的北广场及大屯路地下公交车站部分。
车站主体南半部分（即站台中心区）南北长203.200m，东西宽56.700m；车站主体北半部分（即车站北广场和大屯路地下公交车站）南北长177.230m，东西宽44.700m。
除局部设置风道处为地下四层（结构基础底板埋深约为19.50m）外，其余大部分结构均为地下三层（结构基础底板埋深约为15.50m）。
车站站台层标准段为单层三跨箱形框架结构，其两端为单层多跨箱形框架结构。
本车站两端设敞口通道，南端设长110.50m，宽38.9m的坡道，从地面进入站厅层；北端设宽23.5m的台阶、扶梯和地下公交通道，连接地面和大屯路地下公交车站。
在车站南侧站厅内东西两侧各设有一个直通地面的出入口。
另外，在车站穿越大屯路的位置分别在其四周各布置一个出入口。
2 围护结构比较选型2.1 常见的围护结构形式（1）排桩+水平钢支撑优点：施工过程中振动小、噪音小，刚度较大，能够就地施工，施工效率高，对周围环境影响小；而且因为钢支撑可以回收利用，它也比较经济，。
缺点：这种支护结构形式整体刚度较差，不能同时作为主体结构。
适用范围：适用于地层较差的地区，如软土地区、黄土地区。
（2）SMW工法（劲性水泥土搅拌连续墙）优点：占用场地少；施工速度快；对环境污染小，无废弃泥浆；施工方法简单，施工过程中对周围建筑物及地下管线影响小；耗用水泥钢材少，造价低；同时兼有防渗和挡土两种功能。
缺点：结构刚度小，容易发生较大变形。
适用范围：此方法的适用与基坑深度和施工机械有关，国内一般只适用基坑开挖6～10m 。
（3）钻孔咬合桩优点：可参与永久结构受力，兼有挡土与防渗两种功能，施工时对周围环境影响很小，工期较短。
缺点：施工速度较慢，基坑开挖深度较大时造价往往很高，随着桩长而提高， 适用范围：适用范围广，基本上适用于各类土层，尤其对15m 以下的基坑来说，这种方法很好。
（4）地下连续墙优点：墙段刚度大，整体性好，因而结构和地基变形都较小即可用于超深围护结构，也可用于主体结构，可以减少支护；可进行逆筑法施工，有利于加快施工进度，缩短工期，降低造价；防渗性能能好。
缺点：施工对周边影响较大，造价随地层复杂程度的增加而提高。
适用范围：适用各类土层，尤其是对地下水丰富以及软土地区最为适用。
2.2 确定围护形式本车站所处北京地区，基坑开挖19.5m,综合考虑4.2.1中所提到的四种围护形式的优缺点、适用范围以及本工程的施工设要求，且结合北京地区以往工程经验，选用排桩+水平钢支撑的围护形式，其中排桩为钻孔灌注桩。
3 围护结构设计本车站基坑开挖深度19.5m ，平均地下水位5.0m 。
支护方式采用排桩加内支撑，由于存在地裂缝，在排桩之间设置直径为800mm 的旋喷桩桩形成止水帷幕，其中排桩为钻孔灌注桩，桩径1200mm,间距1500mm ；综合几个断面的土层性质分析，结果发现纵向断面1的土层比较复杂，因此，就以该断面的土层信息为计算依据,见表3-1。
（注明：为安全考虑，取C,ϕ为原始参数的0.7倍。
超载m kPa q 30=）表3-1 计算断面土层的物理性质土层名称 重度r )(3m kN浮重度⋅r )(3m kN层厚H(m)c (KPa) )( ϕ1 杂填土 18.0 -- 2.1 7 10.52 饱和黄土 19.0 19.2 3.0 16.1 11.23 新黄土 19.7 19.8 5.9 17.5 12.34 古土壤 19.7 19.8 1.5 23.1 13 5 粉质粘土 20.1 20.2 9.6 33.6 15.1 6 粉土 20.6 10.6 3.6 0 17.5 7砂土20.810.86.5213.1 内力计算土压力及内力计算 （1）计算各土层侧压力系数主动侧压力系数)245(tan 2ϕ-= a K ； )245tan(ϕ-= a K被动土压力系数)245(tan 2ϕ+= p K ；)245tan(ϕ+= p K 根据以上两个公式可以得到：1a K =0.692 1a K =0.832 1P K =1.446 1p K =1.202 2a K =0.709 2a K =0.842 2P K =1.410 2p K =1.299 3a K =0.649 3a K =0.805 3P K =1.541 3p K =1.242 4a K =0.633 4a K =0.795 4P K =1.580 4p K =1.257 5a K =0.587 5a K =0.766 5P K =1.705 5p K =1.3066a K =0.538 6a K =0.733 6P K =1.860 6p K =1.364 7a K =0.472 7a K =0.687 7P K =2.117 7p K =1.455 （2）工况设计①工况1：挖土5.5m,并支冠梁层内支撑（0.5m 处）kPa K c qK e a a 71.7932.072692.03021110=⨯⨯-⨯=-=kPaK c K z r q e a a 27.35832.072692.0)1.21830(2)(111111.2=⨯⨯-⨯⨯+=-+=kPaK C K z r q e a a 75.32842.01.92709.0)1.21830(2-)(222111.2=⨯⨯-⨯⨯+=+='kPaK c K z r z r q e a a 78.66842.01.92709.0)3161.21830(2)(22222111.5=⨯⨯-⨯⨯+⨯+=-++=kPaK C K z r z r q e a a 98.46805.05.172649.0)3161.21830(2)(33322111.5=⨯⨯-⨯⨯+⨯+=-++='kPa K c K z r z r z r q e a a 09.50805.05.172649.0)84.07.193161.21830(2)(3333322115.5=⨯⨯-⨯⨯+⨯+⨯+=-+++= 减去被动土压力后kPaK c e e p 62.6242.15.17209.502335.55.5=⨯⨯-=-='设开挖面以下距离1d 处，土压力为零（见图4-1）。
则有 3135.5333132a p p K d r e K c K d r +=+m K K r K c e d a p p 38.0)649.0541.1(7.1962.6)(2333335.51=-⨯=--=2113.451.2)27.3571.7(5.0m kN E =⨯+⨯=图3-1 工况1土压力零点计算图m y 83.01=223.1493)78.6675.32(5.0m kN E =⨯+⨯= m y 33.12=2341.194.0)09.5098.46(5.0m kN E =⨯+⨯= m y 20.03=2321184.213m kN E E E E a =++=注明：为了后面计算简化，1y 、2y 、3y 为土压力计算图中各个梯形的形心纵坐标，1a E 、2a E 、3a E 是各梯形面积，下面类似，不再说明。
mkN M a ⋅=⨯⨯⨯⨯++⨯+++⨯+++⨯=65.5343238.038.062.65.0)38.02.0(41.19)38.04.033.1(3.149)38.04.383.0(13.451∴m kN d M T a /38.9938.0565.5345111=+=+=求最大弯矩作用点（假设剪力为零点在第二土层中 9.20≤≤x ）有753278.66311。
-=x e x1134.11x e x =又 水平合力为零即111115.075.32T x e x E x =⋅++ 由上面两个方程式解得1x =1.35m ∴假设成立 31.151=x e kPa最大弯矩mkN M a ⋅=+⨯-⨯⨯+⨯⨯⨯++⨯=29.160)35.16.1(38.9935.15.031.155.035.135.175.32)35.183.0(13.451max②工况2：挖土深度10.5m,并支第一道支撑（5.5m 处）kPaK c K z r z r z r q e a a 02.116805.05.172649.0)4.57.193161.21830(2)(3333322115.10=⨯⨯-⨯⨯+⨯+⨯+=-+++=减去被动土压力后KPaK C e e p 55.72242.15.17202.11623310510=⨯⨯-=-='。
设开挖面以下距离2d 处，土压力为零（见图3-2）3235.5333232a p p K d r e K c K d r '+=+'m K K r K c e d a p p 24.4)649.0541.1(2.1955.72)(233333102=-⨯=-'-=24/5.4075)02.11698.46(5.0m kN E =⨯+⨯=图3-2 工况2土压力零点计算图m y 15.24= 2412/34.621m kN E E E a a =+=mm kN M a /64.54673224.455.725.0)24.415.2(5.407)24.452.0(41.19)24.44.533.1(30.149)24.44.5383.0(13.4522⋅=⨯⨯⨯++⨯+++⨯+++⨯++++⨯= ∴m kN d d T M T a /58.43824.45)24.410(38.9964.54675)5.05.10(22122=++⨯-=++--=求最大弯矩作用点（假设50≤≤x ）09.5002.116522-=x e x2219.13x e x =又 水平合力为零即2122215.009.50T T x e x E x a +=⋅++由上式方程可得到m x 18.42= (假设成立) kPa e x 13.552=最大弯矩为：mm kN M a ⋅=⨯-⨯-⨯⨯⨯+⨯⨯++⨯+++⨯+++⨯=51.80018.458.43818.938.993118.413.555.05.018.409.50)18.42.0(41.19)18.448.033.1(3.149)18.44.383.0(13.45222max③工况3：挖土深度15.5m ，并支第二道支撑（10.5m 处）kPaK c K z r z r z r q e a a 80.122805.05.172649.0)9.58.193161.82.11830(2)(33333221111=⨯⨯-⨯⨯+⨯+⨯+=-'+++= kPaK c K z r z r z r q e a a 52.110795.01.232633.0)9.58.193161.21830(2)(44433221111=⨯⨯-⨯⨯+⨯+⨯+=-'+++='kPaK c K z r z r z r z r q e a a 32.129795.01.232633.0)5.18.199.58.193161.21830(2)(444443322115.12=⨯⨯-⨯⨯+⨯+⨯+⨯+=-'+'+++= kPaK c K z r z r z r z r q e a a 51.102766.06.332587.0)5.18.199.58.193161.21830(2)(555443322115.12=⨯⨯-⨯⨯+⨯+⨯+⨯+=-'+'+++=' 减去被动土压力后kPaK c e e p 32.50306.16.33208.1382555.155.15=⨯⨯-=-=' 设基坑开挖面以下距离3d 处，土压力为零（见图3-3）5355.15555352a p p K d r e K c K d r '+=+'m K K r K c e d a p p 23.2)587.0705.1(2.2032.50)(2555555.153=-⨯=-'-'=∴ 假设成立。