蘇州地鐵換乘站深基坑設計

【摘要】文章通過對某地鐵換乘車站工程的實例分析，介紹了高水位含砂地層換乘站深基坑圍護結構設計方案，對深基坑計算重要參數取值也進行了對比分析，針對地層承壓水作用實際情況介紹了 相關處理方案，并提出了作者的見解，對類似工程的設計具有一定的參考價值。

【關鍵詞】換乘車站；超深基坑；圍護結構；承壓水

Metro transfer station for the design of deep excavation in Su Zhou

LE JIE WANG

（China Railway Tunnel Survey & Design Insitute，CO.LTD， hongqiao 215006 tianjin， China）Abstract： Based on the analysis of the example of a transfer station of subway project， introduces the design scheme of high water bearing sand retaining structure of deep foundation pit formation of transfer station， deep foundation pit in the calculation of important parameters are also compared， according to the actual situation of the stratum pressure water effect introduces related processing scheme， and puts forward the author's opinion， have certain the reference value for the similar project design.

Key word： transfer station； Ultra deep hole excavated； Piling supports and protections； confined water

1 工程概況

1.1 車站工程概述

蘇州軌道交通2號線某站為2、3號線換乘車站，位于中心道路交叉口，2號線車站城市干道布設，周邊建構筑物密集，地面標高約3.45～3.99m。根據建筑布局和線路縱斷面要求，車站主體基坑外包尺寸長461.5m。車站標準段寬約22.7米，基坑開挖深度16.26～16.76m；換乘段基坑寬度27.9米，開挖深度約23.2m。

圖1 車站總平面圖

Fig.1 General layout of station

1.2 工程地質

地質勘察資料揭示的工程地質自上而下依次為：

①1雜填土層：松散，以水泥、瀝青路面為主，局部含建筑垃圾。

①3素填土層：松軟，以粘性土為主。

③1粘土：硬塑。

③2粉質粘土：可塑，局部夾薄層粉土。

④2粉質粘土：流塑，夾薄層粉土。

④5粉質粘土：流塑，夾薄層粉土，局部夾淤泥質粉質粘土薄層。

④6粉土夾粉砂：夾薄層粉質粘土層，為承壓含水層，透水性較好。

⑧1粉砂：灰色，密實，飽和。

⑧2粉質粘土：軟塑為主。

⑨1粉質粘土夾粘土：硬塑為主，局部可塑。

1.3 水文地質

1.3.1 潛水

據區域水文資料，蘇州市歷史最高潛水位為2.63m（1985國家高程基準）。

1.3.2 承壓水

根據鉆探結果，承壓水含水層主要為④6粉土夾粉砂層、⑧1粉砂層。壓水頭標高為-3.18m。據區域資料，年變幅1m左右。

2 基坑圍護結構設計

2.1 圍護型式選擇

由于車站主體標準段基坑深16～24米，局部為超深基坑。車站圍護結構主要在鉆孔灌注樁+止水圍幕、鉆孔咬合樁及地下連續墻間進行比選。

車站所處主要地層為粘土、粉質粘土、粉砂粉土層。地下水主要為孔隙潛水和承壓水。穩定地下水位較高，地下水較豐富。連續墻、鉆孔樁（止水帷幕止水或樁間咬合止水）都有著成熟的技術和經驗，鉆孔樁的造價較連續墻要低，但考慮到本站的地質情況和基坑深度，鉆孔樁的樁間止水不易保證，咬合樁對豎向垂直度要求較高，施工不到位容易產生漏水涌砂的問題，而連續墻從防涌水涌砂、控制基坑變形、保護基坑周邊建筑物等方面均較鉆孔樁有利。由于本站地層條件較差，周邊建筑物保護要求高、基坑超深，該站主體圍護結構選用地下連續墻作為車站圍護結構。地墻采用H型鋼接頭。

2.2 基坑平面布置設計

車站為狹長型基坑，采用地墻與內支撐結合的圍護型式。換乘節點段采用1米厚地墻，標準段采用0.8米地墻，地墻分幅一般6米。內支撐主要采用對撐形式，第一道全部采用砼支撐，砼支撐間距一般8米，鋼支撐間距一般3米。

車站與遠期車站分期實施，僅預留換乘節點，換乘節點段沿遠期線路方向，地墻及主體結構向外多做1/4～1/3跨度，盡量將與遠期連接施工縫設置在受力最小處。換乘節點段基坑轉彎幅地墻需與遠期地墻連接，為確保遠期車站基坑的止水效果及受力安全，將其設計為T型幅，地墻短肢深入遠期車站1米。

由于車站換乘節點段基坑較車站標準段深8米，車站整體基坑存在局部深坑，車站基坑平面布置根據換乘段與車站標準段的先后施工順序主要存在兩種方案。

方案一：整體同步施工方案

車站換乘節點段與車站標準段基坑同深度范圍內按整體基坑同步施工考慮，先施工標準段深度范圍基坑，再施工換乘節點段下凹坑。

圖2 方案一圍護平面圖

Fig.2 Plane diagram for Scheme 1

方案二：先施工換乘節點段方案

將車站基坑分割為兩大區段基坑施工，先施工中間換乘節點段基坑及主體結構。然后開挖車站標準段基坑及施工車站標準段主體結構。 圖3 方案二圍護平面圖

Fig.3 Plane diagram for Scheme 2

對兩方案綜合比較，方案二工期較長，需先施工換乘節點段基坑及其主體結構才能施工標準段，且換乘段兩側地墻需做至地面，造價也較高；方案一施工時遵循時空效應，分段開挖，對周邊沉降影響小，但方案一對管線改移及交通疏解要求較高，需一次性改遷到位。

結合車站場地環境，基坑施工前，車站周邊管線及交通疏解有條件一次型改遷到位，車站基坑平面總體布置選擇方案一，即換乘段與標準段同坑同步施工。

2.3 基坑縱剖面設計

車站換乘節點段豎向設置六道支撐，在標準段底板同標高處設置第五道混凝土支撐，待標準段底板及混凝土支撐施工完成并達到強度后，再開挖基坑換乘節點段下凹坑。

圖4 圍護縱剖面圖

Fig.4 Longitudinal profile of retaining structure

換乘段下凹坑兩側冠梁尺寸1400*1200，與標準段底板同步澆筑，形成剛域封閉基坑。下凹坑兩側地墻為半截實墻，厚度取800mm，上部空墻采用低標號素砼回填。為減小換乘節點段降承壓水時對兩側沉降影響，下凹坑半截地墻深度等同換乘段全長地墻。

2.4 基坑橫剖面設計

車站標準段采用800mm厚地下連續墻，深度30.5米，插入比0.84；換乘段基坑采用1000mm厚地下連續墻，深度42米，插入比0.8。

圖5 圍護橫剖面圖

Fig.5 cross section of retaining structure

車站標準段基坑采用一道混凝土支撐+三道鋼支撐，豎向共四道；換乘段基坑采用二道混凝土支撐+四道鋼支撐，豎向共六道，第一道混凝土支撐為800*900，第五道混凝土支撐為1200*1200.其余為609*16的鋼管支撐。基坑寬度大于20米，根據計算，為確保鋼支撐受壓穩定性，在基坑中間設置格構柱。

3 圍護結構計算

地鐵車站為狹長型基坑，采用平面豎向彈性地基梁方法分析圍護結構的受力和變形。

3.1 水平壓縮彈簧剛度的取值

基坑開挖面以下，水平彈簧支座的壓縮彈簧剛度根據地基水平基床系計算分布形式取值主要有三種方法：1）K法為矩形分布；2）m法為三角形分布；3）修正K法為開挖面下一定深度范圍內三角形，底下為矩形分布。

KH=khbh（kh為地基水平基床系）； kh=kz

式中 k——比例系數； m法：k=mz；K法：k=K.

1、m法計算結果

圖6 m法計算結果

Fig.6 The calculation results of m method

2、K法計算結果

圖7 k法計算結果

Fig.7 The calculation results of k method

3、修正K法

圖8 修正K法計算結果

Fig.8 The calculation results of

comprehensive method

通過計算對比，地基水平基床系數的取值對計算結果影響較大。采用m法，基坑變形及內力計算結果最大，配筋量最大，造價最高。K法變形及內力值最小。修正K法居中。

分析車站地質特點，坑底所處的地層④2、④5層為軟弱土層，其他土層為相對較好的粘土層，基坑的開挖對軟弱土層必然會產生一定的擾動，但隨著深度的增加，影響逐漸衰減。參照上海的基坑規范及蘇州地鐵1號線實測經驗，地基水平基床系數取值采用修正K法是合理可行的。地下連續墻的配筋采用修正K法計算結果。

3.2 水土合算與水土分算

目前各規范一般規定粘性土采用水土合算，粉土、砂土采用水土分算。合算分算的計算結果差異很大，蘇州地區1號線設計時，典型地質條件及施工條件的玉山公園站實際監測資料表明，地連墻側移更接近于水土合算的結果。

根據車站各土層的滲透系數（即透水性能）及抗剪強度指標區別對待，對蘇州地區典型的粉細砂土與粉質粘土、粘土互層的多元復合結構的地層，在透水性比較低的情況下（<210-4cm/s），采用水土合算，但針對透水性較強，或鄰近河流存在動水壓力等情況，仍然采用水土分算。本次計算僅對④6粉土夾粉砂層采用分算。

4 承壓水處理

4.1 抗承壓水穩定性計算

車站④6粉砂夾粉土層為承壓含水層，距離換乘段基坑底約3米，承壓水水頭高度約20米。

基坑底板抗突涌穩定性條件：基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應大于安全系數下承壓水的頂托力。

hγs≥KtyγwH

Fs-基坑抗突涌安全系數取1.10

根據計算分析：車站標準段基坑內地基土抗承壓水頭抗力系數Kty=0.76<1.1，換乘段坑內地基土抗承壓水頭抗力系數Kty=0.23<1.1，均不滿足要求。

4.2 承壓水處理方案比選

換乘段基坑底鄰近承壓含水層，基坑開挖存在巨大突涌風險，是車站基坑工程 成敗的關鍵。對承壓水處理主要存在兩種方案。

方案一：隔斷承壓水

采用素砼加深地墻作為止水帷幕隔斷承壓水，使承壓水失去水力聯系。

根據車站所處地質特點，④6層厚達34米。⑧1粉砂層也為承壓水層。要徹底隔斷承壓水層，地墻深度需達70米以上，超出了目前地墻施工能力，且工程整體造價高。

由于換乘段底板下布置了大量的抗拔樁，樁基已深入至承壓水層，承壓水可能通過土層薄弱區向上滲進基坑，

方案二：坑內管井降水減壓

根據地質及工程特點，采用井點降水降低承壓含水層水頭高度，防止基坑突涌，保證基坑穩定性。

根據本工程的承壓含水層的特性，以及圍護情況。根據基坑圍護的布設情況對換乘段基坑進行沉降預測，預測結果如圖所示。

根據沉降計算結果分析，采用坑內降水減壓能有效避免突涌危害，對周邊會產生一定的沉降，但在規范允許范圍內。

圖10換乘段降水引起沉降等值線圖（mm）

Fig.10 Settlement isoline map

車站對承壓水采用降水減壓的處理方案。在基坑內布置降承壓水管井，換乘段布置四口降壓井。降水運行過程中隨基坑開挖深度加大逐步降低承壓水頭，避免過早抽水減壓。在不同開挖深度的工況階段，合理控制承壓水頭，在滿足基坑穩定性要求前提下，防止承壓水頭過大降低，這將使降水對周邊環境的影響減少到最低限度。

5 結束語

通過本工程的施工實踐，筆者有如下體會，希望能與各位同仁探討、共勉：

1）換乘站換乘段與標準段基坑宜同步整體施工，可節約造價縮短工期。

2）對于類似蘇州地質情況土層，地基基床系數取值采用 m法偏于保守，可在坑底一定深度范圍m法取值，底下按矩形分布取值。

3）承壓水的處理直接關系基坑工程的成敗，若周邊環境復雜，建議通過加深地墻設置一定深度的懸掛式止水帷幕緩沖降水對沉降的影響。

參考文獻：

[1] 劉建彬、王衛東.《基坑工程手冊》（第二版）.北京：中國建筑工業出版社，2009.

[2] 姚天強 石振華.《基坑降水手冊》. 北京： 中國建筑工業出版社，2006.

[3] 劉志義.《地鐵設計實踐與探索》.北京：中國鐵道出版社，2009.

作者簡介：樂接旺，男，1982年生，2005年西南交通大學土木工程專業，工程師，畢業后長期從事隧道與地下工程設計工作。