地鐵結(jié)構中基坑支護設計的應用探析

毛嘉偉

（廣東省重工建筑設計院有限公司）

地鐵結(jié)構中基坑支護設計的應用探析

毛嘉偉

（廣東省重工建筑設計院有限公司）

地鐵結(jié)構施工是在地下空間內(nèi)完成的，自身所處空間位置的特殊性使其面臨上部及周圍土體的威脅，同時由于地下開挖也給其周圍的建筑及附屬設施帶來安全威脅，基坑支護的重要性不言而喻。本文在介紹了地鐵結(jié)構基坑支護設計要點后，以上海市某地鐵車站的基坑工程為設計實例進行了應用探析。

地鐵結(jié)構；基坑支護；設計

地鐵結(jié)構施工中，因其所處的地理位置的特殊型，基坑支護雖然是短暫的臨時性輔助工程對于地鐵工程的施工卻起著舉足輕重的作用。對地鐵項目中基坑支護進行合理設計，不僅是項目施工的需要，也是保護地鐵周圍建筑和設施安全的重要舉措。

1 地鐵結(jié)構基坑支護設計要點

對基坑支護形式進行科學選擇是支護設計首先面臨的問題，需要設計人員從地鐵結(jié)構所處地理位置的地質(zhì)條件出發(fā)，對周邊建筑物的保護等級和工程造價的經(jīng)濟性等方面深入考量?；又ёo具有完整的結(jié)構性和體系性，必須滿足變形可控和穩(wěn)定性要求，也就是行業(yè)規(guī)范內(nèi)常用的極限狀態(tài)（負荷能力的極限和正常使用的極限）下的防護需求。負荷極限是支護結(jié)構在遭受強大不利外力作用時產(chǎn)生滑動、傾斜甚至是結(jié)構損壞等現(xiàn)象進而引發(fā)大規(guī)模失穩(wěn)，通常在地鐵結(jié)構的基坑支護設計中不允許出現(xiàn)該類極限狀態(tài)；正常使用的極限是支護結(jié)構由于土石開挖所引起的土體變形過大而使支護結(jié)構也發(fā)生變形，其正常使用的功能被破壞，但結(jié)構并未失穩(wěn)。所以，在設計地鐵結(jié)構中的基坑支護措施時，其負荷能力的極限安全系數(shù)要相當高才能避免支護失穩(wěn)的現(xiàn)象發(fā)生。在保障支護結(jié)構穩(wěn)固性優(yōu)良的前提下，結(jié)構位移量的控制是另一項重要設計內(nèi)容[1]。

通常設計過程中，控制支護位移的條件以水平位移為主，直接原因是便于觀測?？刂扑轿灰频臉藴室暤罔F結(jié)構周邊建筑以及其他附屬設施的防護等級而定，也就是對基坑所屬的安全等級進行精確劃分。一級基坑安全支護對位移的要求是其周邊臨近的建筑物或者附屬設施需要保護的力度比較大，基坑變形必須控制在很小范圍內(nèi)；三級基坑安全支護對位移的要求是其周圍沒有需要保護的建筑物和相關附屬設施，對于位移量的限制很寬松，控制標準在基坑整體安全范圍內(nèi)沒有額外要求；二級基坑安全支護的控制標準介于一級和二級之間。

在基坑位移量化控制標準中，水平最大位移是一項重要指標，通常而言，一級基坑中不宜超過30mm，若基坑深度比較大，水平最大位移須控制在開挖深度的3‰以內(nèi)；而一般性基坑水平最大位移均不能超出50mm。從長期的施工經(jīng)驗來看，當基坑水平位移小于30mm時地表不會出現(xiàn)明顯裂紋，而當基坑位移擴大到40～50mm時，地表裂紋就非常明顯。所以，地鐵結(jié)構的基坑水平最大位移必須控制在40mm以內(nèi)，以免地面產(chǎn)生明顯裂紋或者產(chǎn)生繼發(fā)性沉降。通常情況下選擇諸如連續(xù)墻、擋土樁或者內(nèi)部支撐體系的支護形式，伴隨的位移均比較小，并且具有良好的可控性，可以將水平位移精準地管控在30mm內(nèi)，而土釘型的支護方式對地質(zhì)條件要求比較高，如果不借助于錨桿或者超前支護等強化鞏固措施，基坑水平位移多數(shù)情況下會大于30mm[2]。

2 對地鐵結(jié)構的基坑支護方案設計的實例論述

2.1 項目概況

以上海市某條地鐵線路中某具體地鐵車站的基坑設計為例展開具體探析。

該站點地鐵車站總長164m，站區(qū)東北角有一居民小區(qū)距離最近的地鐵出口（1#出口）的附屬結(jié)構約20m，小區(qū)樓房結(jié)構為磚混結(jié)構，樓層6層，車站西南角有另一居民小區(qū)距離緊鄰的地鐵出口（3#出口）的附屬結(jié)構約23m，距離車站10m范圍內(nèi)有一根鋼筋混凝土雨水管（直徑80cm）、兩根鑄鐵管（直徑分別為15cm和30cm）。車站主體基坑結(jié)構的標準段寬為21.5m，深為17.5m，斷頭井的寬為24.6m，深為19.4m，基坑等級為二級。附屬基坑深為11m。

2.2 設計主體基坑

（1）計算地下連續(xù)墻

從地鐵車站主體基坑規(guī)格選用厚800mm的連續(xù)墻作為圍護結(jié)構，并以厚400mm的內(nèi)襯墻為輔助措施，連續(xù)墻的初始插入比擬定為0.85。端頭井部位的基坑支護以1000mm厚的連續(xù)墻作為圍護結(jié)構，并輔助以600mm厚的內(nèi)襯墻，連續(xù)墻初始插入比擬定為0.82。從疊合墻獨有的受力特點出發(fā)，連續(xù)墻設計時在基坑的開挖階段和內(nèi)部回填階段分別以總量法和應力變化累加法加以計算[3]。而在施工環(huán)節(jié)的受力情況以有限元理論建立結(jié)構的荷載模型進行力學分析和設計，具體如圖1。

圖1 連續(xù)墻的結(jié)構荷載分析模型

有限元理論的最終分析成果為此處連續(xù)墻水平最大位移33.4mm，滿足規(guī)范中對于二級基坑安全控制的要求。

（2）計算主體結(jié)構

該站區(qū)所處地理位置的地下水位偏高，降水措施在基坑施工中必須保證執(zhí)行到位，土質(zhì)回填后是施工環(huán)節(jié)最不利的自重工況，此時影響程度比較大荷載是填土重、站臺站廳移動荷載以及地面的移動荷載。后續(xù)階段因降水措施的停止地下水位會攀升，對底板的浮力隨之增大，浮力工況下影響比較大的有填土重、底板浮力以及結(jié)構的自重。對這兩種不利工況計算之后選取彎矩的外包絡值[4]。進而可對連續(xù)墻及其內(nèi)部結(jié)構展開配筋計算和設計。

（3）設計內(nèi)支撐

地鐵車站基坑標準段和端頭井的豎向內(nèi)部支撐設計分別如圖2～3示。標準段采用不設圍檁的剛性支撐，一共設置五道豎向支撐。第一道為鋼筋混凝土支撐（800mm×800mm），剩余四道為鋼管支撐（直徑60.9cm）。端頭井大部分采用斜撐形式，共設置六道，第一道為鋼筋混凝土斜撐，剩余五道為鋼管斜撐（直徑60.9cm）。鋼支撐預應力以支撐軸力的0.7倍施加。

2.3 設計附屬基坑

車站附屬基坑全部為地下一層構筑物，個別部位帶有電纜夾層，其圍護結(jié)構全部采用直徑800mm、間距950mm的排樁形式，出于偏高的地下水位限制，需要在排樁外圍增設直徑850mm、間距600mm的三軸水泥式攪拌樁來形成外層帷幕以達到止水防水的效果。附屬基坑內(nèi)共設置三道豎向支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，剩余兩道為鋼管支撐（直徑60.9cm）。

圖2 標準段的基坑支撐示意圖

圖3 端頭井的基坑支撐示意圖

2.4 基坑降水

該地鐵車站的主基坑開挖深度比較大，加之地下水位偏高，位于地下的連續(xù)墻直接插入到了承壓含水層，根據(jù)已勘察到的地質(zhì)資料經(jīng)過相關計算得到，主體基坑的標準段和端頭井部位的基坑底板抵抗突涌的穩(wěn)定性無法滿足規(guī)范的設計要求，對于標準段的基坑而言，其承壓水位應降到地表下11m以下，端頭井部位的承壓水位應降到地表下13.6m以下，并且在施工環(huán)節(jié)要對承壓水頭進行實時監(jiān)測。附屬基坑在施工環(huán)節(jié)只需要對潛水實施抽降即可。

3 結(jié)語

地鐵結(jié)構因其具體施工位置的特殊性和任務的艱巨性，其基坑結(jié)構的支護設計需要考慮的因素有很多，支護形式的合理準確選用、位移控制的量化標準等都是設計工作的重點，尤其是主體基坑的標準段和端頭井部位應該投入更多的精力和心思，以保障支撐結(jié)構的整體性和穩(wěn)固性。

[1]宋青君，王衛(wèi)東，周健.考慮地鐵盾構隧道穿越影響的樁基和基坑支護設計[J].巖土工程學報，2012，32（8）：314～318.

[2]馮龍飛.緊鄰地鐵隧道深基坑支護技術及監(jiān)測分析[J].隧道建設，2013，33（6）：515～522.

[3]邸國恩.地鐵車站與建筑地下室基坑工程整體支護設計[J].地下空間與工程學報，2014，5（2）：1637～1644.

[4]李曙光，劉志祥.上海地鐵內(nèi)江路站基坑支護結(jié)構設計[J].鐵道標準設計，2013（1）：101～104.

U231.3

A

1673-0038（2015）52-0064-02

收稿日期：2015-11-20

毛嘉偉（1990-），男，碩士，主要從事結(jié)構設計工作。