地鐵車站深基坑支護體系設計研究

趙東振

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200000）

地鐵車站的深基坑工程往往處于城市建筑以及人流比較集中的區(qū)域，地面交通及既有建筑的分布十分密集復雜，且地下管網(wǎng)設施也較多。因此，需設計人員充分掌握施工區(qū)域的土質(zhì)特點及地下水情況，并結(jié)合周邊環(huán)境條件合理選擇支護體系，同時要準確選用和計算支護設計各個環(huán)節(jié)的相關參數(shù)，全面提高設計的水平和質(zhì)量。本文以某地鐵車站深基坑工程為例，分析其支護體系的設計要點。

1 某地鐵車站深基坑工程概況

某地鐵車站深基坑工程長約255 m，標準段寬約20 m，端頭井寬約24 m。地鐵車站主體為地下三層，采用雙柱三跨箱型結(jié)構(gòu)，施工工法采用明挖順作法，站臺中心處頂板覆土約3.20 m，底板埋深約23.4 m。其周邊區(qū)域內(nèi)建筑物較少，僅在西側(cè)有在建的橋梁工程，施工影響范圍內(nèi)管線均臨遷至主體基坑范圍以外，但主體上方有多排220 kV架空電力線斜穿，最小凈空高度約25 m。

2 地鐵車站深基坑支護體系設計

2.1 地質(zhì)水文條件分析

該工程施工區(qū)域位于比較平坦開闊的沖積湖平原地區(qū)，地面標高約2～3 m，根據(jù)巖土勘察報告，其土層分布自上而下依次為雜填土、黏土、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、粉砂以及粉質(zhì)黏土層。該區(qū)域的淺層淤泥質(zhì)黏土以及表部填土中存在孔隙潛水，其中表部填土具有良好的滲透性、富水性及透水性，且與地表水之間存在比較密切的關聯(lián)，其補給來源主要為大氣降水以及地表水等[1]?？紫稘撍饕嬖谟谟倌噘|(zhì)黏土以及表部黏土中，其含量較低，同時這兩類土質(zhì)的滲透系數(shù)基本在5×10-6～4.07×10-7cm/s，其透水性和富水性均相對較低。此外，通過結(jié)合施工現(xiàn)場的地質(zhì)水文資料以及實地勘探結(jié)果分析，該區(qū)域內(nèi)的粉砂層中存在埋深大約為3.8 m的孔隙深部承壓水，而粉砂的透水性為中度，其滲漏系數(shù)基本在3.1×10-3～4.1×10-3cm/s 之間。

2.2 深基坑支護體系選擇與設計

2.2.1 合理選擇施工工法

設計地鐵車站深基坑工程的支護體系前，設計人員應先確定該工程的施工工法。我國在地鐵車站工程的施工中主要有暗挖法、明挖順作法以及蓋挖逆作法等施工工法類型。根據(jù)該工程的周邊環(huán)境及交通條件，本次地鐵車站施工采取明挖順作法，該工法安全性較高，技術(shù)較為成熟，同時經(jīng)濟性也較好。

2.2.2 合理選擇支護體系

在設計深基坑支護體系時，設計人員應準確掌握不同支護型式的優(yōu)缺點以及適用條件，并充分了解施工區(qū)域的地質(zhì)水文和周邊環(huán)境條件，此外，還需對工程造價等經(jīng)濟性因素進行綜合性分析。深基坑工程支護體系設計的要點就是支護型式的合理選擇，在此基礎上計算確定支護結(jié)構(gòu)的相關參數(shù)，科學確定支護結(jié)構(gòu)的規(guī)格尺寸以及支撐體系等。同時不同支護型式的選擇對工程造價也會產(chǎn)生顯著的影響，因此，設計人員應高度重視支護選型這一環(huán)節(jié)。目前在地鐵車站的深基坑工程中主要采用的支護型式包括型鋼水泥土攪拌墻（SMW工法） 、鉆孔咬合樁、鉆孔灌注樁及地下連續(xù)墻等。

型鋼水泥土攪拌墻是在相互咬合的深層攪拌樁內(nèi)插入H型鋼后形成的連續(xù)擋土止水結(jié)構(gòu)，在H型鋼的表面涂刷減摩劑后可回收再利用。在透水性大的砂性地層中使用效果較好，具有施工速度快、泥漿污染少、造價比較低的優(yōu)點，同時圍護結(jié)構(gòu)的質(zhì)量容易保證，防水效果好。其缺點主要在于結(jié)構(gòu)剛度較小，需設置圍檁支護體系，適用范圍較小，型鋼拔出難度較大且有一定風險。一般可用于開挖深度小于12 m的地下車站、車站附屬結(jié)構(gòu)和通道。

鉆孔咬合樁采用全套管鉆機鉆孔施工，在樁與樁之間形成相互咬合排列的基坑圍護結(jié)構(gòu)。鉆孔咬合樁主要適用于軟土地層，其優(yōu)勢是采用鋼套管護壁，避免孔壁坍塌，可緊鄰建筑物、地下管線成樁，成槽時對周邊環(huán)境影響小，適用地層范圍廣，防滲效果好，無須另外增加輔助截水帷幕等防水措施。其缺點為咬合樁的施工質(zhì)量較難控制，特別是垂直度控制以及咬合樁超緩凝混凝土的配制等均需有成熟的施工經(jīng)驗，才能較好地實現(xiàn)咬合樁止水效果。

鉆孔灌注樁支護，就是采取將鉆孔灌注樁呈隊列式布設的方式來使其形成擋土支護體系，其優(yōu)勢在于剛度較大，控制變形較好，對各種土層的適用性強，在一般黏性土、填土以及淤泥質(zhì)土和砂土等土層中均可施工。其缺點為需在樁間設置止水帷幕封堵地下水，而止水效果與止水帷幕的施工工藝和土質(zhì)條件關系很大，施工風險較大。

地下連續(xù)墻支護型式主要是通過在開挖溝槽內(nèi)沉放鋼筋籠并進行混凝土澆筑的方式來形成支護體系。這種支護型式具有較高的防滲性和結(jié)構(gòu)剛度，能夠兼顧支護結(jié)構(gòu)的承重、截水及擋土功能，同時其產(chǎn)生的噪音和振動污染也相對較低，能夠廣泛適應多種復雜地質(zhì)水文條件的支護要求，還能夠滿足深度較大的深基坑工程的支護需要，在實踐中曾經(jīng)被用于深度達到36 m的深基坑工程的支護體系[2]。此外，其對周邊環(huán)境的影響比較小，對各種施工工法的適應性也較好。綜合分析各種因素，在該車站深基坑工程中選用地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐相結(jié)合的支護體系。

2.2.3 深基坑支護體系設計

根據(jù)該深基坑工程的土層分布及水文地質(zhì)特點，圍護結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻，墻趾進入粉質(zhì)黏土層不少于2 m以隔斷承壓水，考慮到車站上方高壓線到地面凈空最小僅有25 m，地墻采用銑接頭，鋼筋籠采用整體制作，分節(jié)吊裝。深基坑工程中常用的內(nèi)支撐主要有鋼支撐以及鋼筋混凝土支撐這兩種，設計人員應結(jié)合深基坑的開挖深度、實際土質(zhì)特點、支護結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境條件等因素來選擇相應的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，并對工程造價進行合理的控制。

在該深基坑工程的內(nèi)支撐設計中，基坑沿豎向設6道支撐，其中第一道為800 mm×1 000 mm混凝土支撐，第四道為1 200 mm×1 000 mm混凝土支撐，其余均為Φ609 （t=16 mm）鋼管支撐。對于基坑寬度較大，支撐長度大于20 m時要在支撐中間設置格構(gòu)柱，以提高其穩(wěn)定性和安全性。

本工程在地墻成槽前采用三軸攪拌樁進行槽壁加固處理，加固范圍為地面下17 m；另外為控制基坑變形，保護周邊環(huán)境及建筑物、管線，坑底以下3 m采用裙邊+抽條旋噴加固，加固土體28 d無側(cè)限抗壓強度≥1.2 MPa。同時，設計人員還應通過有限元分析來模擬設計深基坑的降排水，并全面分析影響深基坑結(jié)構(gòu)安全的風險源。完成深基坑支護體系的設計后，設計人員還應計算檢驗深基坑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等相關參數(shù)，準確掌握支護結(jié)構(gòu)的變形量以及位移量，以確保深基坑支護結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)固。

3 結(jié)語

在設計地鐵車站深基坑工程的支護體系時，設計人員應充分了解該施工區(qū)域的地質(zhì)水文條件以及周邊環(huán)境的實際情況，以提高支護選型設計的合理性。如果深基坑工程位于軟土地區(qū)，可以采用內(nèi)支撐與樁墻相結(jié)合的支護結(jié)構(gòu)，以提高支護體系的穩(wěn)定性和整體剛度。對于基底土層比較差的深基坑，設計人員應采取相應的加固處理措施，以保證其穩(wěn)定性以及承載能力能夠符合工程的施工需要。此外，由于深基坑一般深度較大，在設計中還需充分考慮沉降及變形問題，并加強對周邊區(qū)域風險源的分析計算和監(jiān)測，制定相應的應急預案，從而全面確保深基坑工程的質(zhì)量安全。