黃土地區(qū)復雜異形地鐵深基坑支護設(shè)計分析

鐵富忠

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031）

1 工程概況

西安地鐵 6 號線二期工程鐘樓站為該工程中點站，與既有 2 號線換乘。既有 2 號線車站位于北大街道路下方，為西安城市中心南北線主干線，6 號線為東西向主干線，兩線交匯的鐘樓處屬于西安城市核心區(qū)域，同時也是西安地鐵線網(wǎng)東西—南北客流最重要的換乘交匯點之一。本車站周邊環(huán)境極為復雜，基坑距離周邊建筑物均較近，且文物較多，其中鐘樓、鐘樓郵局、新華書店均為文物建筑。鐘樓站主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻距離新華書店文物最小凈距約為 4.7 m，管線眾多（圖 1）。

車站所處地貌單元為黃土梁洼地貌區(qū)，淺部主要地層為第四紀全新統(tǒng)人工填土和上更新統(tǒng)風積、殘積層和洪積層，其地下水位埋藏較淺，詳細勘察期間（2016 年4 月—2016 年 5 月）測得穩(wěn)定地下水水位埋深為 8～10 m，高程為 397.2～398.5 m，平均高程為 397.65 m。

圖 1 鐘樓站總平面圖

2 車站施工方法及降水方案選擇

2.1 施工方法選擇

地下車站的施工方法對結(jié)構(gòu)型式的確定和土建工程的造價均有很大影響，選擇時主要依據(jù)場區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、環(huán)境條件、車站埋置深度及各種具體施工方法的適用條件等諸多因素來確定。施工方案的選擇不僅要滿足地鐵工程本身的使用功能，同時也要滿足合理開發(fā)利用地上、地下有效空間的要求，并考慮盡量減少施工給周圍環(huán)境帶來的影響。

目前，國內(nèi)地下車站工程常用的施工方法有明挖法、蓋挖法和暗挖法，幾種方法各有優(yōu)缺點。車站選用的施工方法從施工難度、工程質(zhì)量、工程造價等方面綜合考慮，依次是明挖法、半蓋挖法、蓋挖法、暗挖法。明挖法施工方便、速度快，但是占地面積大，給交通導行帶來了極大困難。車站所處東大街現(xiàn)有道路寬度僅為 38 m，車站基坑占用東大街全部機動車道，故全明挖法無法實施。車站如果采用暗挖法，因周邊環(huán)境較為復雜，無法進行敞開式降水，僅能采用注漿止水措施，且由于暗挖斷面跨度大、覆土淺、周邊建筑多而密，施工的難度非常大，安全性極低。而半蓋挖法（明挖法 + 臨時鋪蓋或永久鋪蓋）克服了逆作法和全蓋挖法施工進度慢、質(zhì)量較難控制的缺點，成本較蓋挖法低，故本車站推薦采用半蓋挖法進行施工。

2.2 降水方案選擇

地鐵明挖車站降水方案總體上可分為坑內(nèi)降水和坑外降水?？觾?nèi)降水是將降水點布置在基坑范圍以內(nèi)，降水效率最高，且設(shè)置止水帷幕不會影響坑外水位的變化，有利于環(huán)境保護，適用于有相鄰建筑物或市政管線對沉降要求較高的情況?？油饨邓窃诨油鈧?cè)設(shè)置1 道或幾道降水井，利用降水漏斗原理，將水位降低到基坑開挖面以下 1～2 m。此方法比較經(jīng)濟，且對施工的干擾小，西安地區(qū)大部分地鐵車站均采用這種方法，但此方案一般適用于對環(huán)境保護要求不高的基坑工程或降水引起沉降不大的區(qū)域。

鐘樓站工程實施影響范圍內(nèi)的控制性建筑物距離車站均較近，且周邊文物較多，環(huán)境極為復雜，因此對基坑降水有嚴格要求。綜合上述 2 種降水方案，并結(jié)合鐘樓站周邊環(huán)境、管線、工程地質(zhì)條件可知，為減小深基坑施工對基坑周邊環(huán)境的影響，本車站推薦采用坑內(nèi)降水方案。

3 基坑圍護結(jié)構(gòu)選型

3.1 圍護結(jié)構(gòu)選型

鐘樓站較為異形，寬度約為 26.8～40.2 m，標準段基坑平均開挖深度約為 26.8 m，軌底風道段最大深度約為 30 m。根據(jù) JGJ120-2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，本站基坑安全等級屬于一級，一級基坑支護結(jié)構(gòu)一般采用地下連續(xù)墻、人工挖孔樁、鉆孔灌注樁（旋挖成孔-旋挖樁）等。根據(jù)站址周圍環(huán)境、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等條件，本站基坑圍護結(jié)構(gòu)可采用地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁法+止水帷幕 2 種方式。

泥漿護壁鉆孔灌注樁施工工藝較為成熟，適用于各種地層的深基坑施工，整體剛度較大。結(jié)合本車站周邊環(huán)境條件及降水方案，需在樁間施加止水措施，例如采用旋噴樁或攪拌樁進行止水。因本站深度較大，旋噴樁止水效果較難保證，而三軸攪拌樁占用場地較大，本車站圍護結(jié)構(gòu)距離周邊房屋最小凈距僅約 3.7 m，在狹小場地條件下較難施工。

地下連續(xù)墻適用于各種地層的深基坑施工，機械化程度高，整體性及抗?jié)B性優(yōu)良，工程質(zhì)量和可靠性有保證，止水效果較好，故圍護結(jié)構(gòu)推薦采用連續(xù)墻施工。

3.2 鋪蓋形式選擇

本車站采用半蓋挖法進行施工，半蓋挖施工常用主要形式有：鋼格構(gòu)立柱樁+半幅臨時便橋形式，或?qū)⒂谰媒Y(jié)構(gòu)頂板和承重柱作為橋系結(jié)構(gòu)。本車站橋系結(jié)構(gòu)需要按照荷載情況、模擬開挖、回筑和使用階段不同的受力狀況，經(jīng)最不利的工況設(shè)計計算：如鋪蓋系統(tǒng)采用頂板作為永久鋪蓋，因車站覆土較厚，需加大臨時立柱樁的長度，導致投資較大；另外，頂板作為永久鋪蓋時，工序銜接較為繁瑣，防水較難處理。結(jié)合西安地區(qū)的經(jīng)驗分析，本車站推薦采用臨時鋪蓋系統(tǒng)。

4 基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 圍護結(jié)構(gòu)方案

綜合本車站周邊環(huán)境、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及深度等因素，車站主體圍護結(jié)構(gòu)擬采用 1 000 mm 厚連續(xù)墻，地下連續(xù)墻兼作截水墻，一般地段（基坑深度約為 26.8 m）嵌固深度為 15 m，軌底風道段（局部基坑深度約為 30 m，采用放坡開挖）嵌固深度為 18 m，基坑豎向設(shè) 4 道支撐。其中，異形段均為混凝土支撐，第 1、第 2、第 3、第 4 道混凝土支撐尺寸分別為 700 mm×1 000 mm、700 mm×1 000 mm、800 mm×1 100 mm、800 mm×1 100 mm；標準段第 1、第 3 道采用混凝土支撐，尺寸同異形段，第 2、第 4 道采用φ609 mm 壁厚 16 mm 鋼支撐?；又ёo平剖面布置示意圖如圖 2、圖 3 所示。

圖 2 鐘樓站基坑支護平面布置示意圖

圖 3 鐘樓站標準段及異形段圍護結(jié)構(gòu)剖面圖（單位：mm）

4.2 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.2.1 圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移計算

圍護結(jié)構(gòu)計算選取基坑中段最不利鉆孔 D6XZ7-102 進行計算分析，土體力學參數(shù)取自西安市地鐵 6 號線二期工程勞動南路站（不含）—紡織城站 D6KC-7 標段《鐘樓站巖土工程詳細勘察報告》，各土層的力學參數(shù)如表 1 所示。

計算分析采用理正深基坑7.0 計算軟件。因標準段土層較好，本篇文章僅僅選取基坑異形段圍護結(jié)構(gòu)進行計算。限于篇幅，文章僅對圍護結(jié)構(gòu)連續(xù)墻進行受力分析，其余支撐等受力計算未展開描述，連續(xù)墻內(nèi)力及位移計算結(jié)果見圖 4。

由圖 4 可知，圍護結(jié)構(gòu)水平位移隨基坑深度的變化近似成“拋物線”曲線，先增加而后減小，最大水平位移出現(xiàn)在連續(xù)墻深度 20 m 處，為 16.1 mm＜30 mm；地下連續(xù)墻最大彎矩出現(xiàn)在連續(xù)墻深度 21 m 處，其值為1 400.33 kN · m；地下連續(xù)墻最大剪力出現(xiàn)在連續(xù)墻深度約 14 m 處，其值為 948.98 kN。

4.2.2 圍護結(jié)構(gòu)配筋計算

圍護結(jié)構(gòu)配筋計算時，在最大彎矩計算值1 400.33 kN · m 的基礎(chǔ)上考慮支護結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)γ0= 1.1 及分項系數(shù)γs= 1.25，得到最大彎矩設(shè)計值為 1 925 kN · m。根據(jù)最大彎矩設(shè)計值 1 925 kN · m 進行配筋計算，配筋結(jié)果為采用φ28 mm@150 mm 主筋通長筋及局部附加筋，可滿足抗彎設(shè)計要求。

同理，在最大剪力計算值 948.98 kN 的基礎(chǔ)上考慮支護結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)γ0= 1.1 及分項系數(shù)γs= 1.25，得到最大剪力設(shè)計值為 1 304.8 kN。根據(jù)最大剪力設(shè)計值進行配筋計算，配筋結(jié)果為采用φ14 mm@450 mm×400 mm箍筋，可滿足抗剪設(shè)計要求。

4.2.3 基坑穩(wěn)定性計算

表 2 給出了各項穩(wěn)定性計算結(jié)果。由表 2 可知，基坑開挖期間地下連續(xù)墻整體穩(wěn)定性、抗傾覆、抗隆起等均滿足規(guī)范要求。

表 1 各土層物理、力學參數(shù)表

圖 4 各工況下連續(xù)墻內(nèi)力、變形包絡(luò)圖

表 2 連續(xù)墻穩(wěn)定性計算結(jié)果

5 結(jié)論

本文以西安地鐵 6 號線二期工程鐘樓站為背景，根據(jù)車站周邊環(huán)境、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件，合理選擇了車站施工方案、降水方案、圍護結(jié)構(gòu)、鋪蓋系統(tǒng)等圍護結(jié)構(gòu)體系，并采用理正深基坑 7.0 計算軟件對基坑地質(zhì)條件最差處的局部圍護結(jié)構(gòu)連續(xù)墻進行了結(jié)果計算和配筋計算。結(jié)果表明，基坑開挖期間地下連續(xù)墻抗剪、抗彎、整體穩(wěn)定性、抗傾覆、抗隆起等均滿足規(guī)范要求。

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