蘇州地鐵換乘站深基坑設(shè)計

【摘要】文章通過對某地鐵換乘車站工程的實例分析，介紹了高水位含砂地層換乘站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，對深基坑計算重要參數(shù)取值也進(jìn)行了對比分析，針對地層承壓水作用實際情況介紹了 相關(guān)處理方案，并提出了作者的見解，對類似工程的設(shè)計具有一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】換乘車站；超深基坑；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；承壓水

Metro transfer station for the design of deep excavation in Su Zhou

LE JIE WANG

（China Railway Tunnel Survey & Design Insitute，CO.LTD， hongqiao 215006 tianjin， China）Abstract： Based on the analysis of the example of a transfer station of subway project， introduces the design scheme of high water bearing sand retaining structure of deep foundation pit formation of transfer station， deep foundation pit in the calculation of important parameters are also compared， according to the actual situation of the stratum pressure water effect introduces related processing scheme， and puts forward the author's opinion， have certain the reference value for the similar project design.

Key word： transfer station； Ultra deep hole excavated； Piling supports and protections； confined water

1 工程概況

1.1 車站工程概述

蘇州軌道交通2號線某站為2、3號線換乘車站，位于中心道路交叉口，2號線車站城市干道布設(shè)，周邊建構(gòu)筑物密集，地面標(biāo)高約3.45～3.99m。根據(jù)建筑布局和線路縱斷面要求，車站主體基坑外包尺寸長461.5m。車站標(biāo)準(zhǔn)段寬約22.7米，基坑開挖深度16.26～16.76m；換乘段基坑寬度27.9米，開挖深度約23.2m。

圖1 車站總平面圖

Fig.1 General layout of station

1.2 工程地質(zhì)

地質(zhì)勘察資料揭示的工程地質(zhì)自上而下依次為：

①1雜填土層：松散，以水泥、瀝青路面為主，局部含建筑垃圾。

①3素填土層：松軟，以粘性土為主。

③1粘土：硬塑。

③2粉質(zhì)粘土：可塑，局部夾薄層粉土。

④2粉質(zhì)粘土：流塑，夾薄層粉土。

④5粉質(zhì)粘土：流塑，夾薄層粉土，局部夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土薄層。

④6粉土夾粉砂：夾薄層粉質(zhì)粘土層，為承壓含水層，透水性較好。

⑧1粉砂：灰色，密實，飽和。

⑧2粉質(zhì)粘土：軟塑為主。

⑨1粉質(zhì)粘土夾粘土：硬塑為主，局部可塑。

1.3 水文地質(zhì)

1.3.1 潛水

據(jù)區(qū)域水文資料，蘇州市歷史最高潛水位為2.63m（1985國家高程基準(zhǔn)）。

1.3.2 承壓水

根據(jù)鉆探結(jié)果，承壓水含水層主要為④6粉土夾粉砂層、⑧1粉砂層。壓水頭標(biāo)高為-3.18m。據(jù)區(qū)域資料，年變幅1m左右。

2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 圍護(hù)型式選擇

由于車站主體標(biāo)準(zhǔn)段基坑深16～24米，局部為超深基坑。車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要在鉆孔灌注樁+止水圍幕、鉆孔咬合樁及地下連續(xù)墻間進(jìn)行比選。

車站所處主要地層為粘土、粉質(zhì)粘土、粉砂粉土層。地下水主要為孔隙潛水和承壓水。穩(wěn)定地下水位較高，地下水較豐富。連續(xù)墻、鉆孔樁（止水帷幕止水或樁間咬合止水）都有著成熟的技術(shù)和經(jīng)驗，鉆孔樁的造價較連續(xù)墻要低，但考慮到本站的地質(zhì)情況和基坑深度，鉆孔樁的樁間止水不易保證，咬合樁對豎向垂直度要求較高，施工不到位容易產(chǎn)生漏水涌砂的問題，而連續(xù)墻從防涌水涌砂、控制基坑變形、保護(hù)基坑周邊建筑物等方面均較鉆孔樁有利。由于本站地層條件較差，周邊建筑物保護(hù)要求高、基坑超深，該站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用地下連續(xù)墻作為車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)。地墻采用H型鋼接頭。

2.2 基坑平面布置設(shè)計

車站為狹長型基坑，采用地墻與內(nèi)支撐結(jié)合的圍護(hù)型式。換乘節(jié)點段采用1米厚地墻，標(biāo)準(zhǔn)段采用0.8米地墻，地墻分幅一般6米。內(nèi)支撐主要采用對撐形式，第一道全部采用砼支撐，砼支撐間距一般8米，鋼支撐間距一般3米。

車站與遠(yuǎn)期車站分期實施，僅預(yù)留換乘節(jié)點，換乘節(jié)點段沿遠(yuǎn)期線路方向，地墻及主體結(jié)構(gòu)向外多做1/4～1/3跨度，盡量將與遠(yuǎn)期連接施工縫設(shè)置在受力最小處。換乘節(jié)點段基坑轉(zhuǎn)彎幅地墻需與遠(yuǎn)期地墻連接，為確保遠(yuǎn)期車站基坑的止水效果及受力安全，將其設(shè)計為T型幅，地墻短肢深入遠(yuǎn)期車站1米。

由于車站換乘節(jié)點段基坑較車站標(biāo)準(zhǔn)段深8米，車站整體基坑存在局部深坑，車站基坑平面布置根據(jù)換乘段與車站標(biāo)準(zhǔn)段的先后施工順序主要存在兩種方案。

方案一：整體同步施工方案

車站換乘節(jié)點段與車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑同深度范圍內(nèi)按整體基坑同步施工考慮，先施工標(biāo)準(zhǔn)段深度范圍基坑，再施工換乘節(jié)點段下凹坑。

圖2 方案一圍護(hù)平面圖

Fig.2 Plane diagram for Scheme 1

方案二：先施工換乘節(jié)點段方案

將車站基坑分割為兩大區(qū)段基坑施工，先施工中間換乘節(jié)點段基坑及主體結(jié)構(gòu)。然后開挖車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑及施工車站標(biāo)準(zhǔn)段主體結(jié)構(gòu)。 圖3 方案二圍護(hù)平面圖

Fig.3 Plane diagram for Scheme 2

對兩方案綜合比較，方案二工期較長，需先施工換乘節(jié)點段基坑及其主體結(jié)構(gòu)才能施工標(biāo)準(zhǔn)段，且換乘段兩側(cè)地墻需做至地面，造價也較高；方案一施工時遵循時空效應(yīng)，分段開挖，對周邊沉降影響小，但方案一對管線改移及交通疏解要求較高，需一次性改遷到位。

結(jié)合車站場地環(huán)境，基坑施工前，車站周邊管線及交通疏解有條件一次型改遷到位，車站基坑平面總體布置選擇方案一，即換乘段與標(biāo)準(zhǔn)段同坑同步施工。

2.3 基坑縱剖面設(shè)計

車站換乘節(jié)點段豎向設(shè)置六道支撐，在標(biāo)準(zhǔn)段底板同標(biāo)高處設(shè)置第五道混凝土支撐，待標(biāo)準(zhǔn)段底板及混凝土支撐施工完成并達(dá)到強度后，再開挖基坑換乘節(jié)點段下凹坑。

圖4 圍護(hù)縱剖面圖

Fig.4 Longitudinal profile of retaining structure

換乘段下凹坑兩側(cè)冠梁尺寸1400*1200，與標(biāo)準(zhǔn)段底板同步澆筑，形成剛域封閉基坑。下凹坑兩側(cè)地墻為半截實墻，厚度取800mm，上部空墻采用低標(biāo)號素砼回填。為減小換乘節(jié)點段降承壓水時對兩側(cè)沉降影響，下凹坑半截地墻深度等同換乘段全長地墻。

2.4 基坑橫剖面設(shè)計

車站標(biāo)準(zhǔn)段采用800mm厚地下連續(xù)墻，深度30.5米，插入比0.84；換乘段基坑采用1000mm厚地下連續(xù)墻，深度42米，插入比0.8。

圖5 圍護(hù)橫剖面圖

Fig.5 cross section of retaining structure

車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑采用一道混凝土支撐+三道鋼支撐，豎向共四道；換乘段基坑采用二道混凝土支撐+四道鋼支撐，豎向共六道，第一道混凝土支撐為800*900，第五道混凝土支撐為1200*1200.其余為609*16的鋼管支撐?；訉挾却笥?0米，根據(jù)計算，為確保鋼支撐受壓穩(wěn)定性，在基坑中間設(shè)置格構(gòu)柱。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算

地鐵車站為狹長型基坑，采用平面豎向彈性地基梁方法分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形。

3.1 水平壓縮彈簧剛度的取值

基坑開挖面以下，水平彈簧支座的壓縮彈簧剛度根據(jù)地基水平基床系計算分布形式取值主要有三種方法：1）K法為矩形分布；2）m法為三角形分布；3）修正K法為開挖面下一定深度范圍內(nèi)三角形，底下為矩形分布。

KH=khbh（kh為地基水平基床系）； kh=kz

式中 k——比例系數(shù)； m法：k=mz；K法：k=K.

1、m法計算結(jié)果

圖6 m法計算結(jié)果

Fig.6 The calculation results of m method

2、K法計算結(jié)果

圖7 k法計算結(jié)果

Fig.7 The calculation results of k method

3、修正K法

圖8 修正K法計算結(jié)果

Fig.8 The calculation results of

comprehensive method

通過計算對比，地基水平基床系數(shù)的取值對計算結(jié)果影響較大。采用m法，基坑變形及內(nèi)力計算結(jié)果最大，配筋量最大，造價最高。K法變形及內(nèi)力值最小。修正K法居中。

分析車站地質(zhì)特點，坑底所處的地層④2、④5層為軟弱土層，其他土層為相對較好的粘土層，基坑的開挖對軟弱土層必然會產(chǎn)生一定的擾動，但隨著深度的增加，影響逐漸衰減。參照上海的基坑規(guī)范及蘇州地鐵1號線實測經(jīng)驗，地基水平基床系數(shù)取值采用修正K法是合理可行的。地下連續(xù)墻的配筋采用修正K法計算結(jié)果。

3.2 水土合算與水土分算

目前各規(guī)范一般規(guī)定粘性土采用水土合算，粉土、砂土采用水土分算。合算分算的計算結(jié)果差異很大，蘇州地區(qū)1號線設(shè)計時，典型地質(zhì)條件及施工條件的玉山公園站實際監(jiān)測資料表明，地連墻側(cè)移更接近于水土合算的結(jié)果。

根據(jù)車站各土層的滲透系數(shù)（即透水性能）及抗剪強度指標(biāo)區(qū)別對待，對蘇州地區(qū)典型的粉細(xì)砂土與粉質(zhì)粘土、粘土互層的多元復(fù)合結(jié)構(gòu)的地層，在透水性比較低的情況下（<210-4cm/s），采用水土合算，但針對透水性較強，或鄰近河流存在動水壓力等情況，仍然采用水土分算。本次計算僅對④6粉土夾粉砂層采用分算。

4 承壓水處理

4.1 抗承壓水穩(wěn)定性計算

車站④6粉砂夾粉土層為承壓含水層，距離換乘段基坑底約3米，承壓水水頭高度約20米。

基坑底板抗突涌穩(wěn)定性條件：基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于安全系數(shù)下承壓水的頂托力。

hγs≥KtyγwH

Fs-基坑抗突涌安全系數(shù)取1.10

根據(jù)計算分析：車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑內(nèi)地基土抗承壓水頭抗力系數(shù)Kty=0.76<1.1，換乘段坑內(nèi)地基土抗承壓水頭抗力系數(shù)Kty=0.23<1.1，均不滿足要求。

4.2 承壓水處理方案比選

換乘段基坑底鄰近承壓含水層，基坑開挖存在巨大突涌風(fēng)險，是車站基坑工程 成敗的關(guān)鍵。對承壓水處理主要存在兩種方案。

方案一：隔斷承壓水

采用素砼加深地墻作為止水帷幕隔斷承壓水，使承壓水失去水力聯(lián)系。

根據(jù)車站所處地質(zhì)特點，④6層厚達(dá)34米。⑧1粉砂層也為承壓水層。要徹底隔斷承壓水層，地墻深度需達(dá)70米以上，超出了目前地墻施工能力，且工程整體造價高。

由于換乘段底板下布置了大量的抗拔樁，樁基已深入至承壓水層，承壓水可能通過土層薄弱區(qū)向上滲進(jìn)基坑，

方案二：坑內(nèi)管井降水減壓

根據(jù)地質(zhì)及工程特點，采用井點降水降低承壓含水層水頭高度，防止基坑突涌，保證基坑穩(wěn)定性。

根據(jù)本工程的承壓含水層的特性，以及圍護(hù)情況。根據(jù)基坑圍護(hù)的布設(shè)情況對換乘段基坑進(jìn)行沉降預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如圖所示。

根據(jù)沉降計算結(jié)果分析，采用坑內(nèi)降水減壓能有效避免突涌危害，對周邊會產(chǎn)生一定的沉降，但在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

圖10換乘段降水引起沉降等值線圖（mm）

Fig.10 Settlement isoline map

車站對承壓水采用降水減壓的處理方案。在基坑內(nèi)布置降承壓水管井，換乘段布置四口降壓井。降水運行過程中隨基坑開挖深度加大逐步降低承壓水頭，避免過早抽水減壓。在不同開挖深度的工況階段，合理控制承壓水頭，在滿足基坑穩(wěn)定性要求前提下，防止承壓水頭過大降低，這將使降水對周邊環(huán)境的影響減少到最低限度。

5 結(jié)束語

通過本工程的施工實踐，筆者有如下體會，希望能與各位同仁探討、共勉：

1）換乘站換乘段與標(biāo)準(zhǔn)段基坑宜同步整體施工，可節(jié)約造價縮短工期。

2）對于類似蘇州地質(zhì)情況土層，地基基床系數(shù)取值采用 m法偏于保守，可在坑底一定深度范圍m法取值，底下按矩形分布取值。

3）承壓水的處理直接關(guān)系基坑工程的成敗，若周邊環(huán)境復(fù)雜，建議通過加深地墻設(shè)置一定深度的懸掛式止水帷幕緩沖降水對沉降的影響。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 姚天強 石振華.《基坑降水手冊》. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[3] 劉志義.《地鐵設(shè)計實踐與探索》.北京：中國鐵道出版社，2009.

作者簡介：樂接旺，男，1982年生，2005年西南交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工程師，畢業(yè)后長期從事隧道與地下工程設(shè)計工作。