武漢地鐵車站深基坑支護結(jié)構(gòu)選型研究

吳翔天， 丁烈勇， 周 誠， 余群舟

(1．西安科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054；2．武漢光谷建設(shè)投資有限公司， 湖北 武漢 430074；3．華中科技大學(xué) a．土木工程與力學(xué)學(xué)院； b．控制結(jié)構(gòu)湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430074)

我國的城市軌道交通尤其是地鐵建設(shè)正處于高速發(fā)展期。迄今為止，全國已經(jīng)擁有地鐵的城市是10個，共有19個城市57條地鐵線路同時在建。2015年前后，將建成89條地鐵線路、總里程2495 km，2010至2015年地鐵建設(shè)投資規(guī)劃總額將達11,568億元。由于地鐵工程建設(shè)風(fēng)險高，周期長，規(guī)模大，地質(zhì)水文環(huán)境復(fù)雜，加上管理失誤，地鐵工程施工安全事故呈明顯上升趨勢。地下工程發(fā)生事故的原因是多方面的，由于設(shè)計失誤導(dǎo)致的風(fēng)險責(zé)任界定不清，而這些風(fēng)險往往到施工時才反映出來[1～4]，因此，加強地鐵設(shè)計風(fēng)險管理，特別是地鐵車站深基坑支護結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計，是確保地鐵車站深基坑施工安全的重要環(huán)節(jié)。

地鐵車站深基坑支護設(shè)計中首要的任務(wù)就是結(jié)合地質(zhì)水文條件，周邊建筑物及地下管線等工程環(huán)境，選擇安全、經(jīng)濟、合理的支護型式[5～9]，然后進行支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算分析，根據(jù)計算分析結(jié)果進行支護結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計，包括圍護結(jié)構(gòu)截面、配筋、支撐或錨桿尺寸、入土深度等的設(shè)計。同一個地鐵車站深基坑，若采用不同的支護型式，安全性能和綜合造價相差可能是巨大的。本文通過武漢地鐵二號線一期工程幾個典型的車站深基坑工程支護型式的分析，闡明地鐵車站深基坑支護型式選型的具體方法，供參考。

1 車站深基坑支護型式特點及選型

武漢地處江漢平原東部，地勢為東高西低，南高北低，中間被長江、漢江呈Y字形切割成三塊，即武漢三鎮(zhèn)。武漢地區(qū)的長江最高洪水位為29.73 m(吳淞高程系統(tǒng))，最低枯水位8.87 m，水位升降幅度20.86 m。長江水與其兩岸承壓水有密切的水力聯(lián)系，互補關(guān)系明顯。武漢地區(qū)地貌形態(tài)主要有三種類型[5]，如圖1所示。

圖1 武漢長江階地分布

(1)剝蝕丘陵區(qū)：主要分布在武昌、漢陽地區(qū)，丘陵呈線狀或殘丘狀分布，如武昌的磨山、珞珈山、漢陽的扁擔(dān)山等，丘頂高為80～150 m，組成殘丘的地層為志留系與泥盆系的砂頁巖。

(2)剝蝕堆積垅崗區(qū)：主要分布在武昌、漢陽的平原湖區(qū)與殘丘之間，地形波狀起伏，垅崗與坳溝相間分布，高程為28～35 m(相當(dāng)于長江Ⅲ級階地)。組成垅崗的地層主要為中、上更新統(tǒng)粘性土(老粘土)。地層地質(zhì)大部分粘土、粉質(zhì)粘土夾碎石，屬老粘土，遇水有可塑性、膨脹性的特征，失水干裂遇水膨脹，膨脹土中裂隙較發(fā)育，裂面光滑。裂隙中富水時可能導(dǎo)致基坑失穩(wěn)。總體土質(zhì)較好，圍護結(jié)構(gòu)一般選用排樁支護。

(3)堆積平原區(qū)：分布于整個漢口市區(qū)及武昌、漢陽沿江一帶，主要為由長江、漢江沖洪積物構(gòu)成的Ⅰ、Ⅱ級階地。Ⅰ級階地廣泛分布于長江、漢江兩岸地區(qū)，地面標高19～21 m。地層由全新統(tǒng)粘性土、砂性土及砂卵石層構(gòu)成。 該區(qū)域土層結(jié)構(gòu)除表層部分人工填土外，上部為粘性土，下部為砂土(含礫、卵石)，呈典型的二元結(jié)構(gòu)，下伏基巖為志留系中統(tǒng)墳頭組泥巖。巖性以粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂互層、粉細砂、細砂為主。

由于該區(qū)域地下水含量豐富，孔隙承壓水為賦存于第四系全新統(tǒng)沖積粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂互層土及砂卵石層中承壓水，與長江、漢江具有水力聯(lián)系，其上覆粘性土層及下伏基巖為相對隔水頂、底板。為了防止地下水滲透進入基坑內(nèi)，可能造成基坑圍護結(jié)構(gòu)變形破壞，一般選用剛度大止水效果好的地連墻做圍護結(jié)構(gòu) ，為防止出現(xiàn)坑底涌水涌砂，在基坑開挖前應(yīng)進行降水。

針對武漢地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)水文條件，要合理選擇車站深基坑支護的型式，一方面要結(jié)合各種支護型式的特點， 另一方面要結(jié)合地質(zhì)條件和周邊的環(huán)境和工程造價進行綜合考慮。 一般支護的型式的適用范圍和主要特點可簡單概括為[10～13]：

(1)放坡。放坡適用場地開闊，無變形控制要求，造價低。在武漢市郊區(qū)的幾個車站，如金銀潭、楊春湖車站均使用放坡支護型式。

(2)排樁支護。鋼筋混凝土排樁剛度大，抗彎能力強，變形較小，有利于保護周邊環(huán)境，且價格相對較低。鉆孔灌注樁不能做到相割或相切，因而不連續(xù)，實際應(yīng)用中一般要加圍檁加強并做防水帷幕防水。在武昌剝蝕堆積垅崗區(qū)的地鐵車站深基坑大部分使用這種支護方式，如寶通禪寺站、光谷站、名都花園站等。

(3)地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻剛度大，止水效果好，是支護結(jié)構(gòu)中最強的支護型式，適用于地質(zhì)條件差和復(fù)雜、基坑深度大、周邊環(huán)境要求高的深基坑支護，但造價較高，施工要求專用設(shè)備。若能與地下結(jié)構(gòu)結(jié)合使用，即施工后成為地下結(jié)構(gòu)的一個組成部分則較為理想。在漢口長江Ⅰ級階地的地鐵車站深基坑基本使用這種支護方式。通常連續(xù)墻的厚度為600 mm、800 mm、1000 mm，也有厚達1500 mm的，但較少用，例如武漢地鐵越江隧道江南、江北風(fēng)井基坑開挖深度分別為38 m和46 m，均采用1500 mm的地下連續(xù)墻。在武昌長江Ⅲ級地，環(huán)境復(fù)雜要求基坑開挖變形小的條件下，部分車站圍護結(jié)構(gòu)也采用地連墻，如武昌的中南路車站，本車站地連墻設(shè)計成為車站永久結(jié)構(gòu)的組成部分，做到了節(jié)約投資。

(4)支撐形式。支撐一般分為基坑內(nèi)的支撐和基坑外的拉錨兩類。在城市繁華區(qū)域施工地鐵車站，由于受到場地限制及周邊環(huán)境的要求，一般采用基坑內(nèi)支撐。內(nèi)支撐常用的有鋼支撐、鋼筋混凝土支撐。鋼筋砼支撐剛度大，能夠做到先撐后挖，但拆除不方便，造價高；鋼支撐剛度相對小一些，但拆除方便，可預(yù)加軸力達到控制位移的目的，但一般施工中很難做到及時支撐。 武漢地鐵車站深基坑開挖中，結(jié)合地質(zhì)及周邊環(huán)境特點采用不同組合形式的內(nèi)支撐，在長江Ⅰ級階地一般用鋼筋混凝土支撐與鋼支撐相結(jié)合方式，如循禮門車站第一道采用鋼筋砼支撐，其他采用鋼管支撐；在長江Ⅲ級階地一般采用鋼支撐。

2 工程實例分析

2.1 長江Ⅰ級階地區(qū)地鐵車站深基坑支護

2.1.1積玉橋車站

積玉橋車站位置處于長江Ⅰ階地向Ⅱ級階地過渡地帶。主體結(jié)構(gòu)基坑圍護結(jié)構(gòu)采用復(fù)合地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，墻厚800 mm，中間設(shè)防水層。冠梁采用C30鋼筋砼，截面尺寸為800 mm×1400 mm，冠梁兼做壓頂梁。標準段、兩端頭井支撐只設(shè)置四道鋼管支撐，沒有用鋼筋混凝土支撐。車站主體結(jié)構(gòu)底板位于淤泥質(zhì)土層，厚約1.5 m，基底淤泥質(zhì)土采用三軸和單軸攪拌樁進行裙邊和抽條加固，如圖2、圖3所示。車站標準段框架柱距一般為縱向8.0 m，沿縱向設(shè)梁。該設(shè)計方案是較合適的方案，地連墻剛性大，入土比較大，因此是較合理的方案。當(dāng)然，對本工程，由于距離長江最近距離400 m，為防止出現(xiàn)基坑坑底突涌所使用的裙邊和抽條加固，一定程度上增加了工程造價。

圖2 積玉橋車站圍護結(jié)構(gòu)斷面

圖3 積玉橋車站圍護結(jié)構(gòu)平面

2.1.2江漢路車站

圖4 江漢路車站圍護結(jié)構(gòu)斷面

江漢路車站位置處于長江Ⅰ階地，主體結(jié)構(gòu)為矩形加三角外掛鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，車站主體基坑深24.7 m，設(shè)地下四層。三角外掛部分基坑深14.5 m，基坑是武漢著名的百年商業(yè)老街——江漢路步行街與中山大道和花樓街合圍的繁華商業(yè)地段，人流密集。設(shè)計方案充分考慮到周邊環(huán)境復(fù)雜，且承壓水位高、開挖深度深的特點，基坑圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，墻厚1000 mm，平均深度57 m，入巖5.5 m。標準段內(nèi)支撐設(shè)置五道鋼筋混凝土支撐，第六道支撐采用鋼管支撐，中間設(shè)抗拔樁，如圖4所示。 該方案采用地下連續(xù)墻加砼支撐，剛度大，減少對基坑外土體擾動?；娱_挖前采用深井降水，將地下水降到開挖土體以下，確保開挖中基底不出現(xiàn)涌水涌砂。

2.2 長江Ⅰ級階地區(qū)地鐵車站深基坑連續(xù)墻落底的必要性分析

2.2.1循禮門車站

循禮門車站主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)采用地連墻加內(nèi)支撐，圍護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合墻的連接方式。地下連續(xù)墻墻厚800 mm，平均深度52 m，入巖1.5 m。采用剛性的H型鋼接頭。圍護結(jié)構(gòu)支撐設(shè)置5道支撐，其中第一道采用鋼筋混凝土支撐，2～5道設(shè)置鋼支撐，第四道采用雙拼設(shè)置。鋼支撐均采用直徑609 mm，壁厚16 mm的鋼管。為加強基坑的穩(wěn)定，在5個大的拐角處，設(shè)300厚C30混凝土角撐，層數(shù)同支撐，上下與鋼支撐錯開。

該設(shè)計方案在實際施工中由于地連墻深度大于周邊輕軌樁深，引起輕軌下沉達18 mm，且設(shè)計考慮是坑內(nèi)降水，因此地連墻落底入巖，但由于連續(xù)墻滲漏并未實現(xiàn)實際設(shè)計意圖，如圖5所示。原因在于落底式連續(xù)墻條件下的坑內(nèi)降水易造成較大的水頭差壓力，使得地連墻接縫等薄弱位置的滲漏風(fēng)險增加。

圖5 循禮門車站施工

2.2.2中山公園站

中山公園車站主體及附屬均為明挖法施工，車站主體基坑采用地下連續(xù)墻結(jié)合內(nèi)支撐系統(tǒng)支護，地下連續(xù)墻墻寬800 mm，混凝土強度為C30。地下連續(xù)墻標準段深度為26.6～27.4 m，盾構(gòu)井段為28.3～29.1 m，連續(xù)墻采用H型鋼接頭?；又尾捎忙?09鋼管，由上至下標準段基礎(chǔ)坑設(shè)置3道支撐，盾構(gòu)井段為4道，其中第3道支撐需要換撐。第1道支撐鋼管壁厚為12 mm，其余支撐壁厚均為16 mm?；訕藴识纹骄_挖深度為16.6 m，盾構(gòu)井段17.6 m，其中局部加深廢水池挖深達到19 m，如圖6所示。

圖6 中山公園車站施工

該車站與循禮門車站地層結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境及其類似，但在設(shè)計過程中正確認識了基坑降水和地連墻深度間的關(guān)系，即相信深井降水引起地面沉降不會造成周圍建(構(gòu))筑物及管線破壞。設(shè)計優(yōu)化把落底式地連墻改為懸掛式地連墻，減少工程造價達5000萬元。實際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，按優(yōu)化后的設(shè)計方案，基坑施工引起高架橋沉降1～2 mm；距離基坑最近距離3.5 m的建于50年代條基建筑物廣電大廈沉降控制在30 mm以內(nèi)，目前該車站主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)封頂。因此，在基巖埋深大于40 m時，宜用懸掛式地連墻加深井降水，而基坑埋深在30 m左右且含水層為互層土?xí)r，可用落底式地連墻加坑內(nèi)降水井疏干。

2.3 武昌剝蝕堆積垅崗區(qū)基坑支護

以螃蟹甲站為例，車站主體圍護采用φ=1000 mm鉆孔灌注樁，樁間距1300 mm，鉆孔灌注樁根數(shù)為371根，鉆孔長度為10938.3 m；標準段局部第一道支撐采用800 mm×800 mm鋼筋混凝土，其他采用φ609,t=16鋼管三道作為內(nèi)支撐；鉆孔灌注樁之間采用φ600旋噴樁止水。

武昌剝蝕堆積垅崗區(qū)基坑支護一般采用排樁加內(nèi)撐支護，但設(shè)計中應(yīng)注意基巖埋深淺，開挖深度內(nèi)出現(xiàn)上土下巖時，對上部土層(含全、強風(fēng)化層)采用“吊腳樁”加內(nèi)支撐支護，下部巖體視巖體結(jié)構(gòu)狀況采用巖體護面或錨固技術(shù)，不應(yīng)按土壓力理論計算，而應(yīng)按巖體結(jié)構(gòu)分析其穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合武漢地區(qū)長江Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級階地的地質(zhì)與水文特征，介紹了武漢地鐵位于不同階地的典型車站圍護結(jié)構(gòu)選型方法及結(jié)果。以武漢地鐵二號線一期工程為例，中山公園車站基坑把落底式地下連續(xù)墻支護優(yōu)化為懸掛式地下連續(xù)墻支護，節(jié)省造價達五千多萬元；而在有些地方，如存在淤泥軟土較厚而周邊建筑物又近的地方，當(dāng)采用懸掛式地下連續(xù)墻時，又會造成深基坑施工安全問題，如金色雅苑車站。通過對武漢地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下地鐵車站深基坑圍護結(jié)構(gòu)選擇的分析，對地鐵車站深基坑支護型式的合理選擇可以得到相關(guān)的啟示：

(1)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件，周邊環(huán)境的要求及不同支護型式的特點，造價等綜合確定。

(2)一定要牢固樹立宏觀地質(zhì)分區(qū)特征的觀念，明確把握“地貌單元、地層時代、地層組合”三要素對深基坑圍護機構(gòu)選型的控制作用。

(3)支撐的型式應(yīng)結(jié)合地質(zhì)、周邊環(huán)境、經(jīng)濟性等要求進行有機組合，做到技術(shù)可行、經(jīng)濟合理。

(4)武漢地區(qū)地鐵深基坑圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)按照不同的階地分區(qū)進行選擇：處于長江Ⅰ、Ⅱ級階地地質(zhì)區(qū)域的深基坑一般采用地連墻加鋼筋混凝土與鋼支撐組合的圍護結(jié)構(gòu)體系；處于長江Ⅲ級階地的一般采用排樁加鋼支撐的圍護結(jié)構(gòu)體系，當(dāng)基坑不規(guī)則且場地條件允許下，可以選用排樁加拉錨體系。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部.地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險管理指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] 周 誠．地鐵工程建設(shè)安全控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究[D]．武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[3] 錢七虎，戎曉力．中國地下工程安全風(fēng)險管理的現(xiàn)狀、問題及相關(guān)建議[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008,27(4)：649-655.

[4] 王夢恕，張成平．城市地下工程建設(shè)的事故分析及控制對策[J]．建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2008,25(2)：1-3.

[5] 范迎春．深基坑支護結(jié)構(gòu)選型決策方法的研究與應(yīng)用[D]．重慶：重慶大學(xué)，2005.

[6] 楊光華．深基坑支護結(jié)構(gòu)的選型問題[C]∥巖土工程勘察與深基坑支護技術(shù)專題研討交流會，武漢，2006： 14-17.

[7] 廖貅武，呂培?。罨又ёo方案的多屬性決策分析[J]． 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2003, 22(3):490-493.

[8] 曹文貴，張永杰，趙明華．基坑支護方案確定的區(qū)間關(guān)聯(lián)模糊優(yōu)化方法研究[J]．巖土工程學(xué)報, 2008, 30(1): 66-71.

[9] 韓 利，陳殿強，郝 哲．深基坑支護方案的模糊綜合評判[J]．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2008, 27(3):380-383.

[10] 李惠強，吳 靜．深基坑支護結(jié)構(gòu)安全預(yù)警系統(tǒng)研究[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版)，2002,19(1):61-63.

[11] 阮永芬, 葉燎原．用灰色系統(tǒng)理論與方法確定深基坑支護方案[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2003, 22(7): 1203-1206.

[12] 戴佑斌，張尚根，周早生,等．模糊一致矩陣理論在地鐵深基坑支護方案優(yōu)選中的應(yīng)用[J]．巖土工程學(xué)報, 2005,27(10): 1162-1165.

[13] 張尚根, 陳燦壽, 夏 炎．深基坑支護方案的模糊優(yōu)選模型及其應(yīng)用[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué), 2004, 23(12):2046-2048.