武汉地铁车站深基坑支护结构选型研究

吴翔天， 丁烈勇， 周 诚， 余群舟

(1．西安科技大学 土木工程学院， 陕西 西安 710054；2．武汉光谷建设投资有限公司， 湖北 武汉 430074；3．华中科技大学 a．土木工程与力学学院； b．控制结构湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430074)

我国的城市轨道交通尤其是地铁建设正处于高速发展期。迄今为止，全国已经拥有地铁的城市是10个，共有19个城市57条地铁线路同时在建。2015年前后，将建成89条地铁线路、总里程2495 km，2010至2015年地铁建设投资规划总额将达11,568亿元。由于地铁工程建设风险高，周期长，规模大，地质水文环境复杂，加上管理失误，地铁工程施工安全事故呈明显上升趋势。地下工程发生事故的原因是多方面的，由于设计失误导致的风险责任界定不清，而这些风险往往到施工时才反映出来[1～4]，因此，加强地铁设计风险管理，特别是地铁车站深基坑支护结构的选型设计，是确保地铁车站深基坑施工安全的重要环节。

地铁车站深基坑支护设计中首要的任务就是结合地质水文条件，周边建筑物及地下管线等工程环境，选择安全、经济、合理的支护型式[5～9]，然后进行支护结构的力学计算分析，根据计算分析结果进行支护结构的详细设计，包括围护结构截面、配筋、支撑或锚杆尺寸、入土深度等的设计。同一个地铁车站深基坑，若采用不同的支护型式，安全性能和综合造价相差可能是巨大的。本文通过武汉地铁二号线一期工程几个典型的车站深基坑工程支护型式的分析，阐明地铁车站深基坑支护型式选型的具体方法，供参考。

1 车站深基坑支护型式特点及选型

武汉地处江汉平原东部，地势为东高西低，南高北低，中间被长江、汉江呈Y字形切割成三块，即武汉三镇。武汉地区的长江最高洪水位为29.73 m(吴淞高程系统)，最低枯水位8.87 m，水位升降幅度20.86 m。长江水与其两岸承压水有密切的水力联系，互补关系明显。武汉地区地貌形态主要有三种类型[5]，如图1所示。

图1 武汉长江阶地分布

(1)剥蚀丘陵区：主要分布在武昌、汉阳地区，丘陵呈线状或残丘状分布，如武昌的磨山、珞珈山、汉阳的扁担山等，丘顶高为80～150 m，组成残丘的地层为志留系与泥盆系的砂页岩。

(2)剥蚀堆积垅岗区：主要分布在武昌、汉阳的平原湖区与残丘之间，地形波状起伏，垅岗与坳沟相间分布，高程为28～35 m(相当于长江Ⅲ级阶地)。组成垅岗的地层主要为中、上更新统粘性土(老粘土)。地层地质大部分粘土、粉质粘土夹碎石，属老粘土，遇水有可塑性、膨胀性的特征，失水干裂遇水膨胀，膨胀土中裂隙较发育，裂面光滑。裂隙中富水时可能导致基坑失稳。总体土质较好，围护结构一般选用排桩支护。

(3)堆积平原区：分布于整个汉口市区及武昌、汉阳沿江一带，主要为由长江、汉江冲洪积物构成的Ⅰ、Ⅱ级阶地。Ⅰ级阶地广泛分布于长江、汉江两岸地区，地面标高19～21 m。地层由全新统粘性土、砂性土及砂卵石层构成。 该区域土层结构除表层部分人工填土外，上部为粘性土，下部为砂土(含砾、卵石)，呈典型的二元结构，下伏基岩为志留系中统坟头组泥岩。岩性以粉土、粉质粘土、粉砂互层、粉细砂、细砂为主。

由于该区域地下水含量丰富，孔隙承压水为赋存于第四系全新统冲积粉质粘土、粉土、粉砂互层土及砂卵石层中承压水，与长江、汉江具有水力联系，其上覆粘性土层及下伏基岩为相对隔水顶、底板。为了防止地下水渗透进入基坑内，可能造成基坑围护结构变形破坏，一般选用刚度大止水效果好的地连墙做围护结构 ，为防止出现坑底涌水涌砂，在基坑开挖前应进行降水。

针对武汉地区复杂的地质水文条件，要合理选择车站深基坑支护的型式，一方面要结合各种支护型式的特点， 另一方面要结合地质条件和周边的环境和工程造价进行综合考虑。 一般支护的型式的适用范围和主要特点可简单概括为[10～13]：

(1)放坡。放坡适用场地开阔，无变形控制要求，造价低。在武汉市郊区的几个车站，如金银潭、杨春湖车站均使用放坡支护型式。

(2)排桩支护。钢筋混凝土排桩刚度大，抗弯能力强，变形较小，有利于保护周边环境，且价格相对较低。钻孔灌注桩不能做到相割或相切，因而不连续，实际应用中一般要加围檩加强并做防水帷幕防水。在武昌剥蚀堆积垅岗区的地铁车站深基坑大部分使用这种支护方式，如宝通禅寺站、光谷站、名都花园站等。

(3)地下连续墙。地下连续墙刚度大，止水效果好，是支护结构中最强的支护型式，适用于地质条件差和复杂、基坑深度大、周边环境要求高的深基坑支护，但造价较高，施工要求专用设备。若能与地下结构结合使用，即施工后成为地下结构的一个组成部分则较为理想。在汉口长江Ⅰ级阶地的地铁车站深基坑基本使用这种支护方式。通常连续墙的厚度为600 mm、800 mm、1000 mm，也有厚达1500 mm的，但较少用，例如武汉地铁越江隧道江南、江北风井基坑开挖深度分别为38 m和46 m，均采用1500 mm的地下连续墙。在武昌长江Ⅲ级地，环境复杂要求基坑开挖变形小的条件下，部分车站围护结构也采用地连墙，如武昌的中南路车站，本车站地连墙设计成为车站永久结构的组成部分，做到了节约投资。

(4)支撑形式。支撑一般分为基坑内的支撑和基坑外的拉锚两类。在城市繁华区域施工地铁车站，由于受到场地限制及周边环境的要求，一般采用基坑内支撑。内支撑常用的有钢支撑、钢筋混凝土支撑。钢筋砼支撑刚度大，能够做到先撑后挖，但拆除不方便，造价高；钢支撑刚度相对小一些，但拆除方便，可预加轴力达到控制位移的目的，但一般施工中很难做到及时支撑。 武汉地铁车站深基坑开挖中，结合地质及周边环境特点采用不同组合形式的内支撑，在长江Ⅰ级阶地一般用钢筋混凝土支撑与钢支撑相结合方式，如循礼门车站第一道采用钢筋砼支撑，其他采用钢管支撑；在长江Ⅲ级阶地一般采用钢支撑。

2 工程实例分析

2.1 长江Ⅰ级阶地区地铁车站深基坑支护

2.1.1积玉桥车站

积玉桥车站位置处于长江Ⅰ阶地向Ⅱ级阶地过渡地带。主体结构基坑围护结构采用复合地下连续墙结构，墙厚800 mm，中间设防水层。冠梁采用C30钢筋砼，截面尺寸为800 mm×1400 mm，冠梁兼做压顶梁。标准段、两端头井支撑只设置四道钢管支撑，没有用钢筋混凝土支撑。车站主体结构底板位于淤泥质土层，厚约1.5 m，基底淤泥质土采用三轴和单轴搅拌桩进行裙边和抽条加固，如图2、图3所示。车站标准段框架柱距一般为纵向8.0 m，沿纵向设梁。该设计方案是较合适的方案，地连墙刚性大，入土比较大，因此是较合理的方案。当然，对本工程，由于距离长江最近距离400 m，为防止出现基坑坑底突涌所使用的裙边和抽条加固，一定程度上增加了工程造价。

图2 积玉桥车站围护结构断面

图3 积玉桥车站围护结构平面

2.1.2江汉路车站

图4 江汉路车站围护结构断面

江汉路车站位置处于长江Ⅰ阶地，主体结构为矩形加三角外挂钢筋混凝土框架结构，车站主体基坑深24.7 m，设地下四层。三角外挂部分基坑深14.5 m，基坑是武汉著名的百年商业老街——江汉路步行街与中山大道和花楼街合围的繁华商业地段，人流密集。设计方案充分考虑到周边环境复杂，且承压水位高、开挖深度深的特点，基坑围护结构采用地下连续墙结构，墙厚1000 mm，平均深度57 m，入岩5.5 m。标准段内支撑设置五道钢筋混凝土支撑，第六道支撑采用钢管支撑，中间设抗拔桩，如图4所示。 该方案采用地下连续墙加砼支撑，刚度大，减少对基坑外土体扰动。基坑开挖前采用深井降水，将地下水降到开挖土体以下，确保开挖中基底不出现涌水涌砂。

2.2 长江Ⅰ级阶地区地铁车站深基坑连续墙落底的必要性分析

2.2.1循礼门车站

循礼门车站主体结构采用钢筋混凝土箱型结构，围护结构采用地连墙加内支撑，围护结构与主体结构采用复合墙的连接方式。地下连续墙墙厚800 mm，平均深度52 m，入岩1.5 m。采用刚性的H型钢接头。围护结构支撑设置5道支撑，其中第一道采用钢筋混凝土支撑，2～5道设置钢支撑，第四道采用双拼设置。钢支撑均采用直径609 mm，壁厚16 mm的钢管。为加强基坑的稳定，在5个大的拐角处，设300厚C30混凝土角撑，层数同支撑，上下与钢支撑错开。

该设计方案在实际施工中由于地连墙深度大于周边轻轨桩深，引起轻轨下沉达18 mm，且设计考虑是坑内降水，因此地连墙落底入岩，但由于连续墙渗漏并未实现实际设计意图，如图5所示。原因在于落底式连续墙条件下的坑内降水易造成较大的水头差压力，使得地连墙接缝等薄弱位置的渗漏风险增加。

图5 循礼门车站施工

2.2.2中山公园站

中山公园车站主体及附属均为明挖法施工，车站主体基坑采用地下连续墙结合内支撑系统支护，地下连续墙墙宽800 mm，混凝土强度为C30。地下连续墙标准段深度为26.6～27.4 m，盾构井段为28.3～29.1 m，连续墙采用H型钢接头。基坑支撑采用φ609钢管，由上至下标准段基础坑设置3道支撑，盾构井段为4道，其中第3道支撑需要换撑。第1道支撑钢管壁厚为12 mm，其余支撑壁厚均为16 mm。基坑标准段平均开挖深度为16.6 m，盾构井段17.6 m，其中局部加深废水池挖深达到19 m，如图6所示。

图6 中山公园车站施工

该车站与循礼门车站地层结构和周边环境及其类似，但在设计过程中正确认识了基坑降水和地连墙深度间的关系，即相信深井降水引起地面沉降不会造成周围建(构)筑物及管线破坏。设计优化把落底式地连墙改为悬挂式地连墙，减少工程造价达5000万元。实际工程监测数据表明，按优化后的设计方案，基坑施工引起高架桥沉降1～2 mm；距离基坑最近距离3.5 m的建于50年代条基建筑物广电大厦沉降控制在30 mm以内，目前该车站主体结构已经封顶。因此，在基岩埋深大于40 m时，宜用悬挂式地连墙加深井降水，而基坑埋深在30 m左右且含水层为互层土时，可用落底式地连墙加坑内降水井疏干。

2.3 武昌剥蚀堆积垅岗区基坑支护

以螃蟹甲站为例，车站主体围护采用φ=1000 mm钻孔灌注桩，桩间距1300 mm，钻孔灌注桩根数为371根，钻孔长度为10938.3 m；标准段局部第一道支撑采用800 mm×800 mm钢筋混凝土，其他采用φ609,t=16钢管三道作为内支撑；钻孔灌注桩之间采用φ600旋喷桩止水。

武昌剥蚀堆积垅岗区基坑支护一般采用排桩加内撑支护，但设计中应注意基岩埋深浅，开挖深度内出现上土下岩时，对上部土层(含全、强风化层)采用“吊脚桩”加内支撑支护，下部岩体视岩体结构状况采用岩体护面或锚固技术，不应按土压力理论计算，而应按岩体结构分析其稳定性。

3 结 论

本文结合武汉地区长江Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地的地质与水文特征，介绍了武汉地铁位于不同阶地的典型车站围护结构选型方法及结果。以武汉地铁二号线一期工程为例，中山公园车站基坑把落底式地下连续墙支护优化为悬挂式地下连续墙支护，节省造价达五千多万元；而在有些地方，如存在淤泥软土较厚而周边建筑物又近的地方，当采用悬挂式地下连续墙时，又会造成深基坑施工安全问题，如金色雅苑车站。通过对武汉地区复杂地质环境条件下地铁车站深基坑围护结构选择的分析，对地铁车站深基坑支护型式的合理选择可以得到相关的启示：

(1)应根据地质条件，周边环境的要求及不同支护型式的特点，造价等综合确定。

(2)一定要牢固树立宏观地质分区特征的观念，明确把握“地貌单元、地层时代、地层组合”三要素对深基坑围护机构选型的控制作用。

(3)支撑的型式应结合地质、周边环境、经济性等要求进行有机组合，做到技术可行、经济合理。

(4)武汉地区地铁深基坑围护结构应按照不同的阶地分区进行选择：处于长江Ⅰ、Ⅱ级阶地地质区域的深基坑一般采用地连墙加钢筋混凝土与钢支撑组合的围护结构体系；处于长江Ⅲ级阶地的一般采用排桩加钢支撑的围护结构体系，当基坑不规则且场地条件允许下，可以选用排桩加拉锚体系。

[1] 中华人民共和国建设部.地铁及地下工程建设风险管理指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] 周 诚．地铁工程建设安全控制系统设计与应用研究[D]．武汉：华中科技大学，2007.

[3] 钱七虎，戎晓力．中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议[J]．岩石力学与工程学报，2008,27(4)：649-655.

[4] 王梦恕，张成平．城市地下工程建设的事故分析及控制对策[J]．建筑科学与工程学报，2008,25(2)：1-3.

[5] 范迎春．深基坑支护结构选型决策方法的研究与应用[D]．重庆：重庆大学，2005.

[6] 杨光华．深基坑支护结构的选型问题[C]∥岩土工程勘察与深基坑支护技术专题研讨交流会，武汉，2006： 14-17.

[7] 廖貅武，吕培印．深基坑支护方案的多属性决策分析[J]． 岩石力学与工程学报, 2003, 22(3):490-493.

[8] 曹文贵，张永杰，赵明华．基坑支护方案确定的区间关联模糊优化方法研究[J]．岩土工程学报, 2008, 30(1): 66-71.

[9] 韩 利，陈殿强，郝 哲．深基坑支护方案的模糊综合评判[J]．辽宁工程技术大学学报(自然科学版), 2008, 27(3):380-383.

[10] 李惠强，吴 静．深基坑支护结构安全预警系统研究[J]．华中科技大学学报(城市科学版)，2002,19(1):61-63.

[11] 阮永芬, 叶燎原．用灰色系统理论与方法确定深基坑支护方案[J]．岩石力学与工程学报, 2003, 22(7): 1203-1206.

[12] 戴佑斌，张尚根，周早生,等．模糊一致矩阵理论在地铁深基坑支护方案优选中的应用[J]．岩土工程学报, 2005,27(10): 1162-1165.

[13] 张尚根, 陈灿寿, 夏 炎．深基坑支护方案的模糊优选模型及其应用[J]．岩石力学与工程学, 2004, 23(12):2046-2048.