軟土地區(qū)地鐵車站深基坑圍護結構設計

李孟榮

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

目前，隨著我國城市建設不斷發(fā)展，開發(fā)與利用地下空間成了重點關注的領域。地鐵作為高效和環(huán)保的交通方式，在城市交通規(guī)劃中得到廣泛應用。由于軟土地區(qū)土質(zhì)松軟、含水量高和容易壓縮，給地鐵車站的深基坑工程帶來了挑戰(zhàn)，因此對深基坑工程的變形控制和穩(wěn)定性要求很高[1]。根據(jù)多年觀測和研究表明，基坑開挖會導致地面沉降、建筑物變形以及地下管線等設施受損，不僅對人民生命財產(chǎn)造成巨大損失，也對城市交通和社會運行有重大影響。為保證地鐵區(qū)間隧道正常運營，保障運行安全，在基坑開挖過程中必須采取針對性防護與防控措施，包括合理設計圍護結構和適當?shù)闹ёo方式等[2]。另外，可以采用監(jiān)測技術和預警系統(tǒng)，及時監(jiān)測和評估基坑變形情況，確保地鐵區(qū)間隧道變形和受力在可控范圍內(nèi)，保障安全運營?；谝陨媳尘埃撐膶⒁攒浲恋貐^(qū)地鐵車站為研究對象，對深基坑圍護結構進行設計研究。

1 軟土地區(qū)地鐵車站工程概況

該研究以某地鐵車站建設項目為實例，對其軟土地區(qū)深基坑圍護結構進行設計。該項目位于某城市六緯路與十一經(jīng)路交叉口，車站整體呈東南至西北走向，建設區(qū)域西北方為飯店，西南方為文化宮，東北方為正在建設中的辦公樓，東南方為汽車修理廠。該地鐵車站位于地鐵直線上，縱坡比2‰。該車站為雙層島式地下站臺，站臺寬度為12m，高度為1.8m，標準剖面寬度為20.7m。根據(jù)相關勘察報告可知，擬建場地的地層為正常地層沉積區(qū)，暴露的土層主要由軟弱的黏性土、松散稍密至中密的粉性土以及砂土組成，呈現(xiàn)成層分布的特點。根據(jù)水文地質(zhì)鉆探結果顯示，該場地有淺部土層的潛水和深部砂性土層中的承壓水。潛水主要為大氣降水，深部砂性土層中的承壓水為存在水位高于開挖底部的水體。承壓水通常是由地下水層受到上部增滲源（如周圍建筑物排水）的影響或地形起伏引起的。該項目的土層性質(zhì)及水文特征均會對深基坑圍護造成影響，軟弱的黏性土和砂土強度和穩(wěn)定性較低，因此容易導致沉降和變形，特別是在施工過程中受到臨時荷載的作用，可能導致基坑圍護結構變形和失穩(wěn)，需要采取有效的支護措施保障安全。在飽水狀態(tài)下，黏性土和松散至稍密的粉性土含水量較高，剪切強度較低，因此設計支護結構時需要充分考慮地下水位變化和排水措施[3]。該地層中還包括一定的承壓水，因此需要對其進行科學處理，降低土體的液化風險，盡量避免沉降問題。由于軟土層和砂土層的強度較低，當設計深基坑圍護方案時，要重點關注基坑側(cè)壁的穩(wěn)定性。黏性土可能會發(fā)生剪切破壞的情況，因此需要采用適當?shù)闹ёo結構進行加固。針對松散稍密的粉性土層，考慮土體的側(cè)壓力和液化風險，可能需要采用地下連續(xù)墻或土釘?shù)戎ёo方式提高側(cè)壁穩(wěn)定性?；诖?，進行深基坑圍護結構設計。

2 地鐵車站深基坑圍護方案設計

根據(jù)地鐵車站深基坑施工要求，圍護結構設計使用年限為2 年，結合具體工程項目的深基坑開挖深度和周圍環(huán)境條件等，該研究確定深基坑側(cè)壁安全等級為I 級。從技術、經(jīng)濟、工期和環(huán)保等方面考慮，最后決定采用高剛性地下連續(xù)墻作為支護結構[4]。為保障地下結構的安全，地下連續(xù)墻墻體厚度設置為800mm，墻體設計強度等級為C35，連接方式為鎖口管道。為避免基坑在成槽過程中坍塌，對周圍建筑物產(chǎn)生影響，采用?850mm@600mm三軸水泥攪拌樁加固基坑，每邊10m[5]。由于基坑開挖深度較大，因此當開挖到一定深度時，為減少沉降水對周圍環(huán)境的影響，特別是對地鐵其他區(qū)段的影響，需要采取措施。在此基礎上，提出一項特殊的設計方案，在地下墻深度約50m 內(nèi)，取15m 為構造段[6]。另一側(cè)采用地下墻外側(cè)槽壁進行加強，并制作止水帷幕。

3 圍護結構支撐體系設計

深基坑圍護結構的支撐體系可支撐擋土力，防止土體坍塌，保障施工安全，并減少對周邊環(huán)境和結構的影響，在深基坑施工過程中發(fā)揮重要作用。支護體系設計見表1。

表1 圍護結構支撐體系設計表

根據(jù)表1，將圍護區(qū)分為1～4 個分區(qū)。在分區(qū)3 和分區(qū)4 中采用十字形對拉式支護體系，豎直布置3 道鋼筋砼拉桿，在基坑邊緣形成十字形的支撐結構，支撐點間的水平距離≤9m。在分區(qū)1 和2 中共設置4 道支撐，采用雙面拉桿的方式進行支護，豎向設置 1 根鋼筋砼支護與 3 根鋼支護[7]，按 3mm 的間隔沿基坑長度方向設置，設置時要保證每個連續(xù)墻墻體水平處都有2 根鋼支護作為支撐。采用自動軸向壓力補償系統(tǒng)，可在軸向壓力大于設計值95%的情況下，對軸向壓力進行自動補償[8]。當測得軸向壓力值為設計值時，會終止補償，這樣可以很大程度地提高側(cè)向支撐的剛度，并有效控制側(cè)向位移。采用Q235B 型鋼筋和C30 級混凝土支撐，對該文設計結構進行深入分析，十字形對拉式支護體系具有較高的剛度和穩(wěn)定性。通過豎直布置的三道鋼筋砼拉桿，可以增強結構剛度，有效支撐土體的水平壓力，而在基坑邊緣形成的十字形支撐結構也能提供較好的水平支撐。在該設計中，主要采用雙面拉桿的方式對分區(qū) 1 和分區(qū) 2 進行支護，該方式可提供足夠抵抗土體的側(cè)向壓力的力量。同時，設置鋼筋砼支撐、鋼支撐的數(shù)量以及豎向間隔的要求，也能有效控制和均勻分布支撐力，保證基坑結構的穩(wěn)定性。另外，采用自動軸向壓力補償系統(tǒng)能根據(jù)實際測得的軸向壓力進行自動調(diào)節(jié)，不僅可以保障支撐結構的安全，還可以有效控制側(cè)向位移。

4 深基坑內(nèi)被動區(qū)加固設計

在軟土地區(qū)的地鐵車站深基坑工程中，為有效控制周圍環(huán)境引起的附加變形，采用基坑內(nèi)填土的方法進行加固。由于基坑底部為軟弱黏性土，因此需要采取被動段加固措施，避免挖掘基坑時圍護體水平變形，并保護周圍的建筑物。采用直徑為600mm 的旋噴樁對基坑鄰近隔離墻進行加固，旋噴樁的底部深入基坑底部4m 處，采用三軸水泥攪拌樁的圍護十字筋對其他區(qū)域的基坑進行加固。接近軌道交通側(cè)圍裙的區(qū)域，加固寬度為10m。在加固過程中，以3m 為間距，采用每3m 抽一條的方式進行加固。加固的深度設置為第二道支撐到深基坑底部下5m。為提高旋噴樁的強度，用深埋在地下的高壓旋噴樁補充25%的水泥。經(jīng)過測試，在加固后的第28s，發(fā)現(xiàn)其無側(cè)限抗壓強度≥1.0MPa。通過上述設計，可有效地增強基坑結構的穩(wěn)定性和抗變形能力，從而在施工過程中，保護了周圍的建筑物。

5 承壓水控制

結合軟土地區(qū)地鐵車站建設區(qū)域內(nèi)的巖土工程勘察報告，對有承壓含水層的工程來說，隨著基坑開挖深度增加，底板位置的水壓力也會逐漸變大，進而導致基坑底部喪失抗突涌穩(wěn)定性，出現(xiàn)嚴重的突涌災害問題。為避免該問題，可結合深基坑底部突涌驗算結果，在開挖過程中對軟土層進行減壓降水處理，最大水位降深控制在5.0m～5.3m。針對施工場地周圍環(huán)境復雜的承壓水控制，基坑降水對周邊環(huán)境影響很大，必須按照“按須降水、分階段降水”的原則進行降水設計。根據(jù)實際情況設置6～8個減壓降水井，在埋深較大的區(qū)域內(nèi)設置減壓降水井的數(shù)量應大于等于2，其他區(qū)域可在每個區(qū)域設置1 個減壓降水井。另外，還需要對12 個外承壓水觀測井進行設置，同時設置一個深度與減壓降水井一樣的回灌井，在減壓降水井的運行過程中，可以在需要時對其進行回灌。根據(jù)深基坑降水工程實踐和項目的地表沉降預報，得出以下結論：在不隔離地下水的情況下，采用承壓水會導致地表沉降過大，產(chǎn)生的變形可能會超過軌道交通的變形控制指標。在圍護結構設計中，考慮基坑排水時的井群作用，在軟土地層中設置了降水井的濾芯，埋設深度小于10m。按照上述內(nèi)容對承壓水進行控制，很大程度地控制了圍護結構，避免了變形，保證地鐵車站在軟土地區(qū)上施工的質(zhì)量。

6 實例應用分析

綜上所述，確定軟土地區(qū)地鐵車站深基坑圍護結構設計的基本思路后，采取地下連續(xù)墻與鋼管支護相結合的內(nèi)支護方式進行施工。地下連續(xù)墻厚度為800mm，支撐共分4 層，第一層支撐采用混凝土支撐結構，用鋼筋混凝土樁作為支撐結構的主體，將其連接在一起形成連續(xù)的墻體結構，第二層、第三層和第四層支撐均采用直徑為609mm、厚度為16mm 的鋼管搭建鋼管支撐結構對連續(xù)墻進行支撐。在基坑底部，該研究采用被動段加強措施進行加固，即采用旋噴樁對圍護結構對接近隔離墻的部分進行加固，采用三軸水泥攪拌樁的圍護十字筋對其他區(qū)域基坑進行加固。地鐵圍護平面圖如圖1 所示。

圖1 圍護結構平面圖（單位：mm）

根據(jù)該工程項目的規(guī)范和設計要求，基坑結構的各項標準見表2。

表2 軟土地區(qū)地鐵車站深基坑變形控制標準

針對該文上述設計思路完成深基坑圍護結構設計，并應用到該軟土地區(qū)地鐵車站深基坑中，結合表2 記錄的標準，對應各位置設置測點，通過位移測定儀器對上述6 項變形位移進行測定。將測定結果與表2 中的標準范圍相比，結果見表3。

表3 應用新的圍護結構后各測點變形情況記錄表

通過各測點變形情況可以看出，在應用該文設計的圍護結構后，該軟土地區(qū)地鐵車站深基坑各位置的變形均在規(guī)定要求的范圍內(nèi)。因此，上述實例應用結果證明，該文提出的深基坑圍護結構設計方案具備實際應用性，對提高地鐵車站在軟土地區(qū)的建設質(zhì)量有極大幫助。

7 結語

隨著地鐵工程數(shù)量不斷增加，在軟體地區(qū)或其他不利于施工的區(qū)域上的建設越來越多，為避免既有建筑變形，工程受損等問題，需要對深基坑圍護結構進行更合理地設計?；诖?，該文提出一種全新的設計方案，并以具體的地鐵車站建設項目為例，驗證該設計方案的實際應用性。當設計深基坑圍護結構時，為保證圍護設計質(zhì)量，應結合工程基本條件和既有建筑的相關參數(shù)信息，對深基坑圍護進行合理選型和設計，使圍護結構對深基坑結構變形控制效果更理想，提高地鐵車站建設質(zhì)量和建設安全性。