地鐵十字形基坑設(shè)計

程 捷，梁 健

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司太原設(shè)計院，山西太原030013)

地鐵車站考慮城市布局和居民出行的便利，常設(shè)置于交通量大、人口密集、經(jīng)濟(jì)繁華的地區(qū)。隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，車站周邊環(huán)境及條件日趨復(fù)雜，為確保建設(shè)期間車站周邊建筑物及場地的安全，保障周邊市民正常出行，所需解決的問題日益復(fù)雜嚴(yán)峻。為此，本文結(jié)合深圳地鐵三期工程7、9號線紅嶺北站基坑設(shè)計過程中遇到的特殊情況，闡述地鐵十字形換乘站基坑的設(shè)計過程和風(fēng)險源及針對措施，并為后續(xù)相關(guān)設(shè)計提供參考。

1 項目背景及工程概況

1.1 車站布置

紅嶺北站是深圳地鐵三期工程7號線與9號線換乘站，設(shè)于紅嶺北路與八卦三路、梅園路十字路口處。7號線車站全長168.4 m，覆土約為3.1 m，為三層雙柱三跨矩形框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段外包尺寸為21.9 m(寬)×20.04 m(高)。9號線車站全長359.2 m，覆土約為3 m，為二層雙柱三跨矩形框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段外包尺寸為29.4 m(寬)×13.5 m(高)。7號線小里程設(shè)盾構(gòu)始發(fā)井，大里程接暗挖區(qū)間；9號線小里程設(shè)盾構(gòu)吊出井，大里程接園嶺站(圖1)。

圖1 車站總平面布置

1.2 地質(zhì)條件

紅嶺北站原始地貌為臺地及其間溝谷區(qū)，經(jīng)人工填挖整平，現(xiàn)地勢較平坦；地面被建筑物、道路覆蓋，原始地貌不復(fù)存在。車站范圍內(nèi)自上而下依次為素填土、粉質(zhì)粘土、圓礫、砂質(zhì)粘土、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖。7號線部分下部巖層多為混合花崗巖，9號線部分下部巖層多為花崗巖。車站底板位于中、微風(fēng)化巖層。地下水位埋深約3.5 m，主要賦存于砂層內(nèi)。地下水類型主要有松散巖類孔隙水和基巖(構(gòu)造)裂隙水。

1.3 周邊環(huán)境

車站基坑周邊建筑物密集且距離較近，影響范圍內(nèi)主要建筑物有超凡筍崗家居廣場、深圳市地稅局大廈、深圳友誼醫(yī)院、外運監(jiān)管倉庫、深圳市廣信倉庫公司。其中距離地鐵車站基坑最近的建筑物超凡筍崗家居廣場為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為淺基礎(chǔ)；建筑物外墻距離基坑最近距離僅為2.7 m，此處基坑深度約為22.5 m。

2 基坑設(shè)計

2.1 十字形基坑開挖工序

紅嶺北站為同期建設(shè)的換乘站，十字形基坑面積約為1.3×104m2。綜合紅嶺北站所在場地的地質(zhì)水文條件和周邊站址環(huán)境，本站采用明挖順筑法施工，。由于車站基坑范圍很大，考慮施工風(fēng)險和施工工期，設(shè)計中采用分倉開挖的工序?qū)⑹中位臃譃?個基坑開挖(圖2)。

圖2 主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐平面布置

車站7號線部分為3層站，小里程有盾構(gòu)始發(fā)井?？紤]盾構(gòu)始發(fā)要求，7號線部分和十字形基坑節(jié)點作為一期基坑開挖。車站9號線部分為2層站，除車站節(jié)點處將9號線部分劃分為兩個基坑作為一期基坑開挖?？紤]施工工期，兩期基坑可同期開挖，在9號線部分靠近節(jié)點處留土30 m，從兩側(cè)向節(jié)點依次開挖。

2.2 基坑降水形式的選擇

基坑周邊建筑物密集且位于市區(qū)繁華地段，基坑外地面沉降應(yīng)嚴(yán)格控制。基坑范圍內(nèi)巖面較高均在基坑底部附近。基坑采用內(nèi)降水方案，止水采用落底式止水帷幕，可減少基坑外側(cè)由于降水引起的水土流失，進(jìn)而控制由于失水引起的地面沉降。

2.3 基坑圍護(hù)設(shè)計

車站基坑范圍內(nèi)巖面較高但起伏不大，中風(fēng)化巖層巖面在7號線部分為中板和底板之間，9號線部分在車站底板附近。車站基坑位于繁華市區(qū)，考慮基坑安全性，基坑圍護(hù)均采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻。

車站9號線部分除換乘節(jié)點外分為兩個基坑，此基坑為兩層站基坑，基坑深度約為16.7 m。圍護(hù)采用0.8 m厚鋼筋混凝土地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系。由于中風(fēng)化巖層在車站底板附近，圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固到車站底板下的中風(fēng)化巖層中。

基坑標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)支撐為一道鋼筋混凝土支撐+兩道鋼管支撐。混凝土支撐斷面為800 mm×1 000 mm,鋼管支撐為φ600 mm，壁厚為16 mm的鋼管。經(jīng)過計算車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度為29.8 m處第二道支撐軸力達(dá)2 860 kN，在基坑中部設(shè)一排臨時立柱和聯(lián)系梁以增加支撐剛度。

根據(jù)施工工序安排，9號線部分兩個基坑從兩側(cè)向節(jié)點開挖，這兩個基坑外籠闊較規(guī)整，與周邊建筑物距離較遠(yuǎn)且建筑物基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ)，基坑無重大風(fēng)險源。

車站7號線部分和十字形基坑節(jié)點設(shè)計為一個基坑，此基坑為三層站基坑，基坑深度約為23.1 m。圍護(hù)采用1 m厚鋼筋混凝土地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系。由于中風(fēng)化巖層在車站地下二層中板和底板之間，圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固到底板下中風(fēng)化巖層中。

基坑標(biāo)準(zhǔn)段支撐為一道鋼筋混凝土支撐+四道鋼管支撐。鋼筋混凝土支撐斷面為800 mm×1 000 mm,鋼管支撐為φ600 mm，壁厚為16 mm的鋼管。經(jīng)過計算車站標(biāo)準(zhǔn)段處第二、三和五道支撐軸力達(dá)3 055 kN、3 230 kN和3 575 kN，在基坑中部設(shè)一排臨時立柱以增加支撐剛度。

車站7號線部分基坑包括換乘節(jié)點，基坑北側(cè)離建筑物最近處距離僅有2.7 m。此基坑存在節(jié)點和鄰近建筑物兩個較大風(fēng)險源，是十字形基坑設(shè)計的重點和難點。

2.4 基坑節(jié)點處結(jié)構(gòu)設(shè)計

紅嶺北站節(jié)點部分為地下三層車站，此處基坑底埋深為23.1 m。地層自上而下依次為素填土、粉質(zhì)粘土、圓礫、礫質(zhì)粘土、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖，中風(fēng)化巖面在地下二層中板上2.5 m附近?；庸?jié)點與7號線部分作為一個基坑一起開挖，為方便節(jié)點處與9號線主體接口施工方便，9號線部分兩側(cè)所設(shè)堵頭墻設(shè)在在車站內(nèi)墻外3.5 m處。

計算車站節(jié)點時，考慮9號線部分已經(jīng)同期開挖，節(jié)點兩側(cè)各留土30 m，堵頭墻外側(cè)9號線部分已經(jīng)降水至負(fù)2層；堵頭墻外側(cè)水位按實際情況計算，為地面下10 m。此處基坑深度為23.1 m，寬度為28.8 m，由于堵頭墻外側(cè)水位較低，堵頭墻采用0.8 m厚鋼筋混凝土地下連續(xù)墻?？紤]施工方便，節(jié)點處支撐在基坑豎向位置與車站標(biāo)準(zhǔn)段一致，采用一道鋼筋混凝土支撐+四道鋼管支撐。由于節(jié)點處圍護(hù)外側(cè)水位為地面下10 m，內(nèi)支撐第二、三和五道支撐軸力為2 160 kN、2 600 kN和2 660 kN。節(jié)點處內(nèi)支撐軸力小于車站標(biāo)準(zhǔn)段支撐軸力，但基坑寬度為28.8 m，為增加鋼管支撐的剛度，在基坑中部設(shè)一排臨時立柱(圖3)。

2.5 基坑臨近建筑物保護(hù)

車站7號線部分北側(cè)基坑距超凡筍崗家居廣場外墻最近距離為2.7 m，基坑深度約為22.5 m。由于基坑距建筑物很近，基坑深度較深，是本次設(shè)計的另一個重大風(fēng)險源(圖4)。

根據(jù)地質(zhì)報告，此處地層自上而下依次為填土層、粘土層、砂層、粘土層、全風(fēng)化混合花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖、中風(fēng)化混合花崗巖、微風(fēng)化混合花崗巖層。巖面約為地面下18 m，地下水穩(wěn)定水位埋深約3 m。

由于超凡筍崗家居廣場基礎(chǔ)為淺基礎(chǔ)，此處基坑受到較大的建筑物地面超載。超凡筍崗家居廣場為地上6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，荷載按一層15 kN/m2取，地面超載為90 kN/m2。

根據(jù)規(guī)范及相關(guān)的技術(shù)要求，需要保證基坑外側(cè)土體沉降量小于20 mm。為達(dá)到目標(biāo)，首先，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式及支撐類型進(jìn)行比選，在此處選用整體性好的地下連續(xù)墻和支撐剛度較大的鋼筋混凝土支撐，以減小基坑變形；其次，優(yōu)化支撐豎向間距，在滿足基坑變形前提下，合理控制支撐軸力，經(jīng)計算分析設(shè)計采用三道鋼筋混凝土支撐+兩道鋼管支撐方案(圖5)。

圖3 紅嶺北站節(jié)點處圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面

圖4 臨近建筑物示意

設(shè)計采用1 m厚鋼筋混凝土地連墻和內(nèi)支撐的支護(hù)形式。第一、二和三道支撐采用800 mm×1 000 mm的鋼筋混凝土支撐；第四和五道支撐采用φ600 mm、壁厚為16 mm的鋼管支撐。經(jīng)過計算建筑物保護(hù)處基坑的最大沉降量為20 mm，基坑的最大水平位移為16.42 mm(圖6、圖7)。

最后，需要制定建筑物地基加固方案。在基坑開挖前，沿建筑物結(jié)構(gòu)外邊線施作兩排袖閥管注漿，間距1 500 mm×2 000 mm，梅花形布置，漿孔深度到強(qiáng)風(fēng)化層頂面下1 m。

圖5 紅嶺北站建筑物保護(hù)處圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面

圖6 基坑沉降計算

圖7 基坑位移計算

3 結(jié)論與建議

(1)對于大型的十字換乘站基坑，開挖工序需與工程籌劃綜合考慮，以降低施工風(fēng)險為原則，一般先進(jìn)行深基坑開挖。本車站基坑由于工期限制，需要考慮同期開挖，為降低施工難度及施工風(fēng)險，保留車站節(jié)點處9號線部分兩側(cè)土各30 m，并對其進(jìn)行降水處理。

(2)為保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體安全，基坑十字節(jié)點處需考慮一定的安全儲備，支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度應(yīng)該適當(dāng)放大。本設(shè)計節(jié)點處采用一道混凝土支撐+四道鋼支撐的方案。 (3)基坑開挖過程中，為確保周邊建筑物安全，需要設(shè)定絕對的水平位移控制值及沉降控制值作為支護(hù)結(jié)構(gòu)計算時的參考標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)行《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JG J120-2012)要求支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移控制值、建筑物的沉降控制值應(yīng)按不影響其正常使用的要求確定，并符合國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007-2011)中對地基變形允許值的規(guī)定。但由于基坑開挖而造成的建筑物的沉降是無法準(zhǔn)確計算的，且地基規(guī)范規(guī)定的地基變形允許值是建筑物自身荷載所產(chǎn)生的變形允許值，外來因素產(chǎn)生的附加變形是否能夠參考地基規(guī)范限值有待商榷。故本次設(shè)計在考慮周邊建筑物荷載的前提下，以限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移及其后土體的最大沉降值進(jìn)行設(shè)計。參考《深圳市深基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(SJG 05-2011)及相關(guān)技術(shù)要求，本次設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移值取30 mm，土體沉降限值取20 mm。

4 結(jié)束語

基坑設(shè)計過程中，需以計算分析為依據(jù)，以規(guī)范及相關(guān)技術(shù)要求為原則；但基坑周邊環(huán)境條件復(fù)雜多變，不同的環(huán)境對基坑變形的適應(yīng)能力不同，設(shè)計人員需要酌情掌握計算限值尺度，通過加強(qiáng)設(shè)計過程中的構(gòu)造措施，保障重點節(jié)點部位的安全儲備，并結(jié)合工程籌劃及周邊條件，合理確定施工工法、工序，降低基坑施工風(fēng)險。

[1] JGJ 120-2012建筑基坑支護(hù)規(guī)程 [S]

[2] SJG 05-2011深圳市深基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S]

[3] 劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009

[4] 夏明耀，曾進(jìn)倫.地下工程設(shè)計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009