沿江地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

曾軍

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣州 510000）

1 引言

近年來，隨著市場經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市人口急速增加，對城市軌道交通建設(shè)的需求隨之提升[1]。地鐵作為城市軌道交通的重要形式，能夠有效減輕地面交通壓力，為民眾的日常出行提供便利。但隨著地鐵規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對工程的設(shè)計、施工及管理帶來了新的挑戰(zhàn)。一般而言，沿江地區(qū)地質(zhì)條件普遍較差，而地鐵車站基坑開挖深度大、施工工期長，工程周圍環(huán)境復(fù)雜且敏感，同時受到汛期的影響，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性方面的要求更為嚴(yán)格。本文以福建某沿江地鐵車站工程為實例，對其基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用情況進(jìn)行分析，以期為類似沿江地鐵車站工程中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考與指導(dǎo)。

2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

基坑支護(hù)是指在進(jìn)行基坑工程施工時，為保障地下施工安全及避免周邊環(huán)境遭到損害而采取的各種支擋及保護(hù)措施。目前，常見的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括鋼板樁支護(hù)、地下連續(xù)墻支護(hù)、深層攪拌支護(hù)等。為保證支護(hù)效果，多采用兩種及以上支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，并需要根據(jù)基坑開挖深度、工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境等因素進(jìn)行綜合分析后合理選用。

2.1 放坡開挖支護(hù)

放坡開挖支護(hù)是指為避免塌方，當(dāng)開挖至一定深度后于基坑邊沿放出足夠的邊坡，從而保持邊坡的穩(wěn)定性，具有施工簡單、成本低等優(yōu)點，適用于開挖深度較小的基坑工程。但由于對工程現(xiàn)場條件要求較高，在設(shè)計時還需要考慮相鄰結(jié)構(gòu)的安全性。

2.2 鋼板樁支護(hù)

鋼板樁支護(hù)是指將帶有鉗口或鎖口的鋼板樁連接起來形成的樁墻，具有經(jīng)濟(jì)效益高、操作簡便等優(yōu)點，多應(yīng)用于深度超過5 m 的深基坑工程當(dāng)中。但由于其本身存在柔性大的特點，若設(shè)置不當(dāng)容易造成嚴(yán)重變形。

2.3 地下連續(xù)墻支護(hù)

地下連續(xù)墻支護(hù)是指在基坑工程施工前，沿工程線路挖出一條深槽，放置鋼筋籠后灌注混凝土，從而在地下形成一道連續(xù)性的墻體，以發(fā)揮擋水、承重、防滲等作用。地下連續(xù)墻具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可應(yīng)用于各類復(fù)雜環(huán)境當(dāng)中，但由于需要用到專業(yè)器械設(shè)備，造價較高。

2.4 深層攪拌支護(hù)

深層攪拌支護(hù)是指將混凝土作為固化劑使用，與軟土劑拌和產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，硬化后形成的高強(qiáng)度混凝土樁墻。深層攪拌支護(hù)具有整體性與水穩(wěn)定性，適用于淤泥、粉土、黏土等土層，但對于開挖深度超過6 m 的基坑工程而言，其支護(hù)效果欠佳。

2.5 土釘支護(hù)

土釘支護(hù)是以土釘作為受力構(gòu)件的巖石工程加固支護(hù)技術(shù)，在軟土等不良地質(zhì)條件下，還需要設(shè)置超前豎直高壓灌注漿錨管。土釘支護(hù)是由密集的土釘群與原位土體等組成。土釘支護(hù)具有操作簡單、經(jīng)濟(jì)效益高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點，在基坑工程中得到了廣泛應(yīng)用，當(dāng)發(fā)生土體變形時，其能夠被動承受拉力作用，較好地維護(hù)土體強(qiáng)度，降低了對基坑工程的影響。土釘支護(hù)適用于黏土層以及地下水位以上的土層，基坑工程開挖深度一般在5～10 m，對于含水豐富的土層發(fā)揮的支護(hù)效果較弱。

2.6 錨桿支護(hù)

錨桿支護(hù)是指將錨桿打入基坑工程穩(wěn)定土體中，使其與土體聯(lián)結(jié)，從而發(fā)揮維護(hù)基坑穩(wěn)定性的作用，具有操作簡單、成本低、靈活性高等優(yōu)點，可與地下連續(xù)墻、土釘墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)聯(lián)用。不適宜用于有機(jī)質(zhì)土及密度相對較小的砂土層中。

3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)備及原則

在對基坑工程進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要考慮擋土結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)及支護(hù)結(jié)構(gòu)形式3 方面因素：（1）擋土結(jié)構(gòu)的主要作用是抵抗來自土層的壓力，多采用放坡開挖、地下連續(xù)墻等支護(hù)形式。（2）內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的主要作用為傳遞和平衡土層作用于基坑外側(cè)的壓力，多采用鋼支撐與混凝土支撐等形式。（3）而支護(hù)結(jié)構(gòu)形式多樣，為確保支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性及施工的有效性，在進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計前，需要對巖土、水文地質(zhì)及周邊環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的勘察，獲取基坑涉及的各巖土層的物理學(xué)參數(shù)、巖土體的物理性能參數(shù)、地下含水層水位及變化等數(shù)據(jù)。

進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需遵循以下原則：（1）根據(jù)施工區(qū)域的地質(zhì)情況以及水文信息選擇合適的支護(hù)方式。（2）根據(jù)施工材料及工藝進(jìn)行篩選，保證選用的支護(hù)方式具有可行性，避免在實際施工過程中出現(xiàn)因無施工材料或工藝無法實現(xiàn)而出現(xiàn)支護(hù)效果不達(dá)標(biāo)的情況。（3）保障工期，即支護(hù)方式的選擇應(yīng)當(dāng)貼合基坑工程工期，避免因支護(hù)項目花費(fèi)時間過長而對工程工期造成影響。

4 沿江地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析——以福建某沿江地鐵車站工程為例

沿江地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計較為復(fù)雜，需綜合考慮地質(zhì)條件、開挖深度、江河汛期等因素，以福建某沿江地鐵車站工程為例，對工程地質(zhì)條件、支護(hù)與開挖方案等進(jìn)行分析。

4.1 工程地質(zhì)條件

該車站地域?qū)儆诤ｊ懡换ビ俜e平原地貌，工程地質(zhì)條件從上至下為：（1）粉質(zhì)黏土土層，厚4.2 m，重度為18.54 kN/m3，黏聚力為23.5 kPa，摩擦角為14.6°，破壞常數(shù)m為0.546，固結(jié)參數(shù)λ 為0.068，回彈參數(shù)k為0.009，初始孔隙比ν0為1.87。（2）淤泥質(zhì)土層，厚6.4 m，重度為17.06 kN/m3，黏聚力為14.3 kPa，摩擦角為9.4°，破壞常數(shù)m為0.368，固結(jié)參數(shù)λ 為0.173，回彈參數(shù)k為0.044，初始孔隙比ν0為2.21。（3）殘積砂質(zhì)黏性土土層，厚10.3 m，重度為17.88 kN/m3，黏聚力為23.8 kPa，摩擦角為19.7°，破壞常數(shù)m為0.767，固結(jié)參數(shù)λ 為0.067，回彈參數(shù)k為0.005，初始孔隙比ν0為1.97。（4）全風(fēng)化花崗巖土層，厚2.2 m，重度為21.06 kN/m3，黏聚力為24.1 kPa，摩擦角為24.1°。淺層孔隙潛水主要存在于粉質(zhì)黏土土層，地表水為其主要來源，進(jìn)行測量后結(jié)果顯示，初見水位埋深為1.88～3.12 m。

4.2 支護(hù)與開挖方案

該車站施工時采用半蓋挖法，即先施作車站的結(jié)構(gòu)頂板作為覆蓋板，而后在頂板的保護(hù)下進(jìn)行基坑的支護(hù)與開挖，開挖到底后再由下往上施作車站的結(jié)構(gòu)。車站基坑端頭井深為25.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段深為23.6 m，最大寬度為26.0 m。車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系，地下連續(xù)墻厚度為1.0 m，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)共5 道。其中，第1、3 道為混凝土支撐，截面為800 m×1 m；第2、4、5 道為鋼支撐，直徑為609 mm。

4.3 圍護(hù)墻水平位移

根據(jù)該車站靠山側(cè)與靠江側(cè)圍護(hù)墻在開挖后水平位移相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，隨著車站基坑開挖，兩側(cè)圍護(hù)墻水平位移逐漸增大，當(dāng)開挖至第3 道混凝土支撐與第4 道鋼支撐時達(dá)到峰值，而后至坑底，變形逐漸穩(wěn)定。其中，靠山側(cè)圍護(hù)墻最大水平位移為61 mm，靠江側(cè)圍護(hù)墻最大水平位移為35 mm（見圖1，其中，工況3 為二次襯砌支護(hù)完成后圍巖遇水軟化；工況7 為基坑開挖深度為5.4 m；工況11 為端頭井基坑）。車站基坑兩側(cè)水平位移存在不對稱性，而靠江側(cè)圍護(hù)墻水平位移明顯小于靠山側(cè)圍護(hù)墻水平位移，對車站基坑的施工及運(yùn)營均產(chǎn)生了巨大的威脅，因此，在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需考慮地形對車站基坑的影響。

圖1 兩側(cè)圍護(hù)墻位移曲線

4.4 圍護(hù)墻背后土壓力

根據(jù)圍護(hù)墻背后土壓力相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，隨著開挖深度的增加，圍護(hù)墻背后的土壓力會出現(xiàn)變化：當(dāng)開挖深度在0～8 m時，車站基坑兩側(cè)圍護(hù)墻背后壓力基本一致；開挖深度在10～23 m 時，靠山側(cè)圍護(hù)墻背后土壓力為80～160 kg，而靠江側(cè)圍護(hù)墻背后土壓力為70～100 kg 時，靠山側(cè)圍護(hù)墻背后土壓力大于靠江側(cè)圍護(hù)墻背后土壓力，存在偏壓效應(yīng)。

4.5 鋼支撐與混凝土支撐對比

鋼支撐與混凝土支撐在支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中發(fā)揮了極為關(guān)鍵的作用，而在該車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中，第3 道支撐軸力遠(yuǎn)大于第1、2、4、5 道支撐。因此，對其進(jìn)行模型替換分析結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)? 道支撐為混凝土支撐時，最大軸力為7 461 kN；當(dāng)?shù)? 道支撐為鋼支撐時，最大軸力為4 805 kN。因此，對該車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，第3 道支撐應(yīng)當(dāng)選用更高剛度的混凝土支撐，有利于提高基坑支護(hù)的安全性，如圖2 所示（工況5、工況9 分別指基坑開挖深度為2.85 m、4.4 m）。

圖2 支撐軸力發(fā)展曲線

5 結(jié)語

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市軌道交通建設(shè)需求逐漸增加，地鐵的修建能夠為人們的日常出行提供新選擇，極大地緩解了地面交通壓力。但由于沿江地區(qū)地質(zhì)條件差，工程周圍環(huán)境復(fù)雜且敏感，容易對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)造成影響，不僅危及基坑施工安全，還可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，良好的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義。常見的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括鋼板樁支護(hù)、地下連續(xù)墻支護(hù)、深層攪拌支護(hù)等，為保證支護(hù)效果，應(yīng)當(dāng)采用兩種及以上支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。進(jìn)行沿江地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)對巖土、水文地質(zhì)及周邊環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的勘察，獲取各基坑涉及的各巖土層的物理學(xué)參數(shù)、地下含水層水位及變化等數(shù)據(jù)，并確保支護(hù)方式符合施工地區(qū)的地質(zhì)情況。以福建某沿江地鐵車站工程為例，本文對土層各項物理學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，并綜合考慮地形對車站基坑的影響、偏壓效應(yīng)、內(nèi)支撐最大軸力等，選用了地下連續(xù)墻支護(hù)與5 道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系，為基坑的安全性提供了保障。