地鐵車站深基坑圍護結構設計

劉俊平

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

作為設計人員，必須在充分分析基坑周邊環(huán)境的基礎上，進行合理的基坑圍護形式選型與設計，使其具備一定的安全性和經濟性，以達到保障基坑自身及周邊環(huán)境安全的目的。

1 基坑圍護結構及常見圍護形式

在地鐵基坑工程中，存在較多種類的圍護結構形式，設計人員在充分考慮基坑的深度、周邊環(huán)境條件、工程地質以及水文條件后，結合當?shù)匾延械墓こ探涷炓约艾F(xiàn)有的施工技術和施工機械設備，進行技術比選后，最終確定適用于實際基坑工程的圍護形式[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，對其支護一般選擇圍護結構內支撐或錨拉支撐，常見的圍護結構形式有以下幾種：

1.1 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻指的是采用某種挖槽機械，在泥漿護壁條件下，沿著基坑工程的周邊軸線，開挖出一條狹長的深槽，清槽后，在槽內吊放鋼筋籠，用導管法灌注水下混凝土形成一個單元槽段，如此逐段進行，在基坑周邊筑成一道連續(xù)的鋼筋混凝土墻壁，承擔截水、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、土質較軟的地區(qū)使用，施工過程所產生的振動較小，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、強度高，用于基坑工程時，可承擔很大的水土壓力，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，可以發(fā)揮擋水功能，因此得到比較廣泛的應用。但地下連續(xù)墻的造價較高，在城市施工時，廢泥漿的處理比較麻煩，且施工方法不當時，可能出現(xiàn)相鄰墻段接頭漏水的問題[2]。

1.2 灌注樁

灌注樁指的是在施工地點利用相應機械設備進行成孔，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)墻來說剛度和防水性均較低，因此通常在地下水位較低、土層性質較好的地區(qū)得到應用。

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。鉆孔咬合樁技術成熟，目前在地鐵、道路下穿線等建構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，能夠成為無縫的連續(xù)“樁墻”，具有很好的抗剪強度和安全性，同時具有很好的截水性能。鉆孔咬合樁實際施工的工藝具有一定復雜性，需要運用高精度的施工機械設備以及經驗豐富的施工團隊而實現(xiàn)。若未對混凝土初凝時間進行有效控制，可能產生滲水、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、型鋼擋土的加勁復合型圍護結構。該工法是基于深層攪拌樁發(fā)展起來的一種新型基坑圍護形式。基坑回填后，SMW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、造價低等優(yōu)點。SMW工法樁適用于填土、粘性土、淤泥質土、砂性土等地層。現(xiàn)階段在地鐵深基坑圍護中得到廣泛應用。

2 地質條件

2.1 工程地質

工程地質指的是地鐵車站施工區(qū)域的整體工程環(huán)境，提取工程地質信息是深基坑圍護結構設計的基礎，因此設計人員需要全面、詳細地掌握地鐵車站的具體位置以及基坑開挖范圍內的地質條件，確認是否存在影響深基坑圍護施工的不良地質條件。

2.2 水文地質

水文地質勘察屬于地鐵車站深基坑圍護結構設計的基礎工作之一，對于設計工作的順利開展具有十分重要的意義。設計人員應當掌握基坑周邊水文地質信息，了解地下水和地表水的成因、分布以及運動規(guī)律，基于這些信息進行圍護結構的設計，從而確保圍護結構設計的準確性。

3 圍護結構設計工程案例分析

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，其基坑總長度為157.6 m，寬度為19.4 m，深度為25 m。車站站位西側為某小區(qū)，東側為沿街商鋪及廠房。站位西側有一根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 地質情況

本站位處地形總體平坦，地貌單元為塬前洪積臺地。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)風積新黃土、殘積古土壤、沖洪積粉細砂，中更新統(tǒng)風洪積老黃土、殘積古土壤、風積老黃土、沖洪積粉質黏土、粉細砂及卵石土[3]。各土層物理力學參數(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，也無明顯承壓性。地下水年變化幅度為1.5～2m。場地地下水位于車站結構底板以下約14m，地下水對混凝土結構及混凝土結構中鋼筋均具微腐蝕性，場地土對混凝土結構及混凝土結構中鋼筋均具微腐蝕性。

3.3 圍護結構選型

圍護結構方案應遵循“安全、經濟、方便施工”的原則，并綜合施工方法、沿線地形及地質條件等因素，在多方案比選的基礎上選擇最合理的圍護方案。

本工程場地內地下水位較深，位于車站結構底板以下約14m，無需進行降水，故圍護結構不采用地下連續(xù)墻。

鉆孔灌注樁作為基坑圍護結構，具有較大的剛度，可作為車站側墻的一部分參與承受土體側壓力，技術成熟。西安地區(qū)多采用此種圍護結構，具有工程實際經驗。且本站所在場地地下水埋深較大，無降水要求[4]。綜合以上情況，本站推薦采用鉆孔灌注樁的圍護結構形式。

圍護結構的水平受力體系有錨桿和內支撐，考慮到內支撐架設速度快、可反復利用、施工技術成熟等優(yōu)點，本工程采用內支撐的設計方案。

3.4 圍護結構設計

明挖基坑的支護參數(shù)應根據(jù)工程地質、水文地質、施工條件和環(huán)境因素，并按照現(xiàn)行相關規(guī)范進行計算確定。

本工程鉆孔灌注樁的內力計算沿車站縱向取單位長度按彈性地基梁計算，按基坑開挖、支撐架設及回填內部結構的施工過程和完成后的使用階段進行內力計算。鉆孔灌注樁在施工期間作為基坑支護結構，考慮承擔施工期間全部的側向土壓力，按強度和變形控制設計，不驗算裂縫寬度[5]。

經計算，本車站標準段基坑的圍護結構設計參數(shù)如下：

圍護樁采用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。圍護樁樁間網噴100mm厚C20混凝土護壁。

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

4 結論

深基坑圍護結構的設計水平決定著地鐵車站的整體水平，隨著我國城市化步伐的加快，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結構的設計工作。深基坑圍護結構設計具有一定的復雜性，因此在對其設計的過程中，需要基于地鐵車站工程的實際開展設計，設計人員需要深入施工現(xiàn)場，對車站周邊環(huán)境進行詳細勘察，主要包括深基坑工程周邊建構筑物和管線的分布、現(xiàn)狀道路交通情況等，對深基坑范圍內地質情況和周邊環(huán)境條件進行全面分析，并結合計算結果，最終確定合理的、可行性較高的圍護結構方案。