地鐵車站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉俊平

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

0 引言

作為設(shè)計(jì)人員，必須在充分分析基坑周邊環(huán)境的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的基坑圍護(hù)形式選型與設(shè)計(jì)，使其具備一定的安全性和經(jīng)濟(jì)性，以達(dá)到保障基坑自身及周邊環(huán)境安全的目的。

1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及常見圍護(hù)形式

在地鐵基坑工程中，存在較多種類的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)人員在充分考慮基坑的深度、周邊環(huán)境條件、工程地質(zhì)以及水文條件后，結(jié)合當(dāng)?shù)匾延械墓こ探?jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)有的施工技術(shù)和施工機(jī)械設(shè)備，進(jìn)行技術(shù)比選后，最終確定適用于實(shí)際基坑工程的圍護(hù)形式[1]。地鐵工程的施工工法有明挖順作法、蓋挖逆作法、蓋挖順作法等，其中明挖順作法最為常見，對(duì)其支護(hù)一般選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐或錨拉支撐，常見的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式有以下幾種：

1.1 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻指的是采用某種挖槽機(jī)械，在泥漿護(hù)壁條件下，沿著基坑工程的周邊軸線，開挖出一條狹長(zhǎng)的深槽，清槽后，在槽內(nèi)吊放鋼筋籠，用導(dǎo)管法灌注水下混凝土形成一個(gè)單元槽段，如此逐段進(jìn)行，在基坑周邊筑成一道連續(xù)的鋼筋混凝土墻壁，承擔(dān)截水、防滲以及承重的重要作用。地下連續(xù)墻通常在地下水位較高、土質(zhì)較軟的地區(qū)使用，施工過(guò)程所產(chǎn)生的振動(dòng)較小，噪音較低，適合在城市中心建筑物以及人群密集區(qū)域使用；地下連續(xù)墻墻體剛度大、強(qiáng)度高，用于基坑工程時(shí)，可承擔(dān)很大的水土壓力，能有效控制地表沉降和周邊建筑物、管線的變形；由于其自身性質(zhì)，可以發(fā)揮擋水功能，因此得到比較廣泛的應(yīng)用。但地下連續(xù)墻的造價(jià)較高，在城市施工時(shí)，廢泥漿的處理比較麻煩，且施工方法不當(dāng)時(shí)，可能出現(xiàn)相鄰墻段接頭漏水的問(wèn)題[2]。

1.2 灌注樁

灌注樁指的是在施工地點(diǎn)利用相應(yīng)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行成孔，形成樁孔后將鋼筋籠置于其中，最后在樁孔中澆筑混凝土。根據(jù)成孔方式不同，灌注樁可分別鉆孔灌注樁、沉管灌注樁、人工挖孔灌注樁等類型。其中鉆孔灌注樁所適用的地質(zhì)條件較廣泛，干作業(yè)與濕作業(yè)方式均可使用；鉆孔灌注樁相較于地下連續(xù)墻來(lái)說(shuō)剛度和防水性均較低，因此通常在地下水位較低、土層性質(zhì)較好的地區(qū)得到應(yīng)用。

1.3 鉆孔咬合樁

鉆孔咬合樁指的是將平面相鄰布置的排樁之間互相咬合相嵌，從而形成的鋼筋混凝土“樁墻”，比較適用于土壤條件不佳，淤泥、流砂以及軟弱土壤和富含地下水的地層中。鉆孔咬合樁技術(shù)成熟，目前在地鐵、道路下穿線等建構(gòu)筑物的深基坑工程中廣泛采用。咬合樁的混凝土終凝出現(xiàn)在樁的咬合以后，能夠成為無(wú)縫的連續(xù)“樁墻”，具有很好的抗剪強(qiáng)度和安全性，同時(shí)具有很好的截水性能。鉆孔咬合樁實(shí)際施工的工藝具有一定復(fù)雜性，需要運(yùn)用高精度的施工機(jī)械設(shè)備以及經(jīng)驗(yàn)豐富的施工團(tuán)隊(duì)而實(shí)現(xiàn)。若未對(duì)混凝土初凝時(shí)間進(jìn)行有效控制，可能產(chǎn)生滲水、頸縮等情況。

1.4 SMW工法樁

SMW工法樁，又稱型鋼混凝土攪拌樁，指的是利用水泥土作為固化劑，將其和地基土強(qiáng)行拌和，在攪拌樁凝固前，在其中插入H型鋼，從而形成由水泥止水、型鋼擋土的加勁復(fù)合型圍護(hù)結(jié)構(gòu)。該工法是基于深層攪拌樁發(fā)展起來(lái)的一種新型基坑圍護(hù)形式?；踊靥詈螅琒MW工法樁中的型鋼可回收再利用，相比地下連續(xù)墻和灌注樁，具有污染低、空間占用少、施工速度快、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。SMW工法樁適用于填土、粘性土、淤泥質(zhì)土、砂性土等地層?，F(xiàn)階段在地鐵深基坑圍護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。

2 地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)

工程地質(zhì)指的是地鐵車站施工區(qū)域的整體工程環(huán)境，提取工程地質(zhì)信息是深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此設(shè)計(jì)人員需要全面、詳細(xì)地掌握地鐵車站的具體位置以及基坑開挖范圍內(nèi)的地質(zhì)條件，確認(rèn)是否存在影響深基坑圍護(hù)施工的不良地質(zhì)條件。

2.2 水文地質(zhì)

水文地質(zhì)勘察屬于地鐵車站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作之一，對(duì)于設(shè)計(jì)工作的順利開展具有十分重要的意義。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)掌握基坑周邊水文地質(zhì)信息，了解地下水和地表水的成因、分布以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，基于這些信息進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從而確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程案例分析

3.1 工程概況

本文以西安某地鐵車站工程為案例，該車站為地下三層島式車站，南北走向，采用明挖順作法施工，其基坑總長(zhǎng)度為157.6 m，寬度為19.4 m，深度為25 m。車站站位西側(cè)為某小區(qū)，東側(cè)為沿街商鋪及廠房。站位西側(cè)有一根DN2000雨水管，埋深約9 m，車站采取避讓措施。該車站位于區(qū)域中心，人流量大、車流量大。

3.2 地質(zhì)情況

本站位處地形總體平坦，地貌單元為塬前洪積臺(tái)地。根據(jù)勘察資料，本車站地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土、殘積黑壚土，上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土、殘積古土壤、沖洪積粉細(xì)砂，中更新統(tǒng)風(fēng)洪積老黃土、殘積古土壤、風(fēng)積老黃土、沖洪積粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂及卵石土[3]。各土層物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 各巖土層的物理參數(shù)

根據(jù)勘察資料，車站場(chǎng)地地下水屬賦存于第四系松散層中的孔隙潛水類型，主要含水層為卵石土，該含水層不隔水，也無(wú)明顯承壓性。地下水年變化幅度為1.5～2m。場(chǎng)地地下水位于車站結(jié)構(gòu)底板以下約14m，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋均具微腐蝕性，場(chǎng)地土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋均具微腐蝕性。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型

圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案應(yīng)遵循“安全、經(jīng)濟(jì)、方便施工”的原則，并綜合施工方法、沿線地形及地質(zhì)條件等因素，在多方案比選的基礎(chǔ)上選擇最合理的圍護(hù)方案。

本工程場(chǎng)地內(nèi)地下水位較深，位于車站結(jié)構(gòu)底板以下約14m，無(wú)需進(jìn)行降水，故圍護(hù)結(jié)構(gòu)不采用地下連續(xù)墻。

鉆孔灌注樁作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，具有較大的剛度，可作為車站側(cè)墻的一部分參與承受土體側(cè)壓力，技術(shù)成熟。西安地區(qū)多采用此種圍護(hù)結(jié)構(gòu)，具有工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。且本站所在場(chǎng)地地下水埋深較大，無(wú)降水要求[4]。綜合以上情況，本站推薦采用鉆孔灌注樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平受力體系有錨桿和內(nèi)支撐，考慮到內(nèi)支撐架設(shè)速度快、可反復(fù)利用、施工技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，本工程采用內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)方案。

3.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

明挖基坑的支護(hù)參數(shù)應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、施工條件和環(huán)境因素，并按照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算確定。

本工程鉆孔灌注樁的內(nèi)力計(jì)算沿車站縱向取單位長(zhǎng)度按彈性地基梁計(jì)算，按基坑開挖、支撐架設(shè)及回填內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程和完成后的使用階段進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。鉆孔灌注樁在施工期間作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，考慮承擔(dān)施工期間全部的側(cè)向土壓力，按強(qiáng)度和變形控制設(shè)計(jì)，不驗(yàn)算裂縫寬度[5]。

經(jīng)計(jì)算，本車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

圍護(hù)樁采用φ1000@1400mm的鉆孔灌注樁，樁嵌固深度取8m；鋼支撐豎向共設(shè)置四道，第一、二道采用φ609、t=16mm的鋼管支撐，第三、四道采用φ609、t=16mm的水平雙拼鋼管支撐。冠梁尺寸為1000X1000mm，鋼圍檁采用2工45C。圍護(hù)樁樁間網(wǎng)噴100mm厚C20混凝土護(hù)壁。

上述設(shè)計(jì)參數(shù)下，本車站基坑圍護(hù)樁最大水平位移為17.2mm，地表最大沉降為18mm。變形均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定著地鐵車站的整體水平，隨著我國(guó)城市化步伐的加快，地鐵工程數(shù)量也逐漸增多，要想確保地鐵工程整體安全性，必須著重做好深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的復(fù)雜性，因此在對(duì)其設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要基于地鐵車站工程的實(shí)際開展設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員需要深入施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)車站周邊環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)勘察，主要包括深基坑工程周邊建構(gòu)筑物和管線的分布、現(xiàn)狀道路交通情況等，對(duì)深基坑范圍內(nèi)地質(zhì)情況和周邊環(huán)境條件進(jìn)行全面分析，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果，最終確定合理的、可行性較高的圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案。