某地铁车站超深基坑围护结构设计

王枝茂

(福建省交通规划设计院 福建福州 350001)

0 引言

随着经济的发展，城市化步伐的加快，为满足日益增长的市民出行需要，大量兴建城市地铁工程，进而产生了大量的深基坑工程。由于这些深大基坑通常都位于密集城市中心，且常常紧邻建筑物、交通干道、地铁隧道及各种地下管线等，因而基坑施工场地紧张、施工条件复杂、工期紧迫。所有这些导致基坑工程的设计和施工的难度越来越大，重大恶性基坑事故不断发生，工程建设的安全形势越来越严重[1]。如何选择科学合理的支护方案，进行正确的围护结构设计，成为众多从事基坑工程的技术人员所关心的问题。本文以福州某地铁车站深达34m基坑工程为例，详细介绍本站基坑围护结构设计情况，以期能为类似基坑工程提供一定的借鉴作用。

1 工程概况

图1 站址环境图

福州某地铁车站位于福州市仓山区，为福州轨道交通A、B两条地铁线的换乘站，如图1所示。

该车站位于洪塘路和闽江大道交叉口，其中A线部分车站主体，沿洪塘路路中西南东北向设置；B线部分车站主体，沿闽江大道西北东南走向设置；两线车站于交叉路口地下设置节点，L型换乘。车站周边现状路口东北侧为中联水岸名居小区，西南侧为中联滨江大厦(在建)、中国电信建新营业厅和滨江丽景临江园小区，西北侧为状元山庄小区，东南侧为联通大厦和联通花园小区。A线部分车站因过江需要，采用地下4层岛式车站，主体结构总长181.0m，顶板覆土厚度为3.5m，基坑标准段宽度26.3m，深度34.0m。基坑支护设计，采用“1200mm厚地连墙+7道内支撑”支护方案，明挖顺做法施工。基坑具体平面布置如图2所示。

图2 车站基坑围护结构平面布置图(第一道支撑位置)

2 地质及水文概况

拟建车站基坑所处地层，由上至下依次为：<1-2>杂填土、<2-1>粉质黏土、<2-4-1>淤泥、<3-1-1>粉质粘土、<6-1>全风化花岗岩、<7-1>砂土状强风化花岗岩、<7-5-1>砂土状强风化辉绿岩。土层分层情况如图3所示，主要地层物理力学参数如表1所示。

表1 场地土层地基基础设计参数表

该场地揭示的地下水,按埋藏条件包含上层滞水和孔隙裂隙承压水两种类型。上层滞水，主要赋存于<1-2>杂填土、<2-4-1>淤泥、<3-1-1>粉质粘土中，富水性、透水性及渗透性相对较差，水位埋深1.3m～4.0m，水位和水量随季节变化较大，雨季水量较丰富，枯季水量变小。孔隙裂隙承压水，主要赋存与<6-1>全风化花岗岩、<7-1>强风化花岗岩(砂土状)、<7-5-1>强风化辉绿岩(砂土状)中，具有弱承压性，透水性和富水性一般，水位埋深7.5m～9.6m，水位较高，水量一般，水位和水量变化不大。

3 围护结构方案与设计

该车站地层主要为杂填土、淤泥、粉质粘土、全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、砂土状强风化辉绿岩，地下水位埋深约1.3m～4.0m，同时，基坑距离周边建筑物很近。结合福州地区建设的经验，车站基坑围护结构，推荐采用围护结构刚度较大、变形较小，基坑施工对邻近建筑与地下管线影响较小，工艺成熟，防渗性能好的连续墙方案。

3.1 围护结构布置

基坑围护，结构采用厚度为1200mm的地下连续墙。地下连续墙深度共44.3m，其中，基坑深度为34.3m，嵌固深度为10m。基坑竖向共设7道支撑，其中，第一、三道为800mm×1000mm钢筋混凝土支撑，第五、六道为1000mm×1200mm钢筋混凝土支撑，间距按9m设置；其余为Ф800、t=16mm钢管支撑，间距按3m设置，具体布置如图3所示。

图3 围护结构断面图

3.2 围护结构荷载

就基坑而言，主要有以下荷载：①侧向土、水压力，施工阶段对于粘性土地层采用水土合算；对于砂性土地层采用水土分算的办法，介于粘性土和砂性土之间的地层，根据其渗透性确定其是采用水土合算，还是水土分算；使用阶段无论砂性土或粘性土，都根据设计水位全水头和水土分算的原则确定[2]。②地面超载采用20kPa。

3.3 计算模型与计算简图

围护结构设计内力和变形计算，沿车站纵向取单位长度按弹性地基梁计算；坑内开挖面以下地层对墙体的约束，采用一系列弹簧支座模拟,如图4所示。计算时考虑支撑点的位移，施工工况及支撑刚度等对结构的内力与变形的影响，按照“先变形，后支撑”的原则，最终控制设计的位移与内力值应为各工况计算结果的包络值。

3.4 计算结果及分析

使用理正基坑设计7.0软件，利用表1中场地土层物理力学参数，对于基坑围护结构进行计算，各项计算指标如下。

图4 围护结构计算原理简图

(1)整体稳定性

整体稳定性分析采用瑞典条分法计算，软件采用的是单片地连墙结构模型，得到的整体稳定性计算安全系数2.19>1.35，满足规范要求。实际上对于这种多道内撑超深基坑结构，绕地连墙末端的圆弧滑裂面已经超出基坑宽度范围，故不会存在整体滑动稳定问题。

(2)抗倾覆稳定性

(3)抗隆起稳定性

对于此类超深基坑，如果地连墙嵌固深度过小、土强度又比较低时，土体就会从挡土构件底端以下向基坑内隆起挤出，从而土体丧失竖向平衡状态。因此，对超深基坑必须进行抗隆起破坏验算。经计算，本站基坑抗隆起安全系数Kb=3.49>1.80，满足规范要求。

(4)地连墙结构内力及位移

该工程基坑共分为27个工况进行分析。第1工况：施工围护结构、临时立柱及立柱桩、冠梁，向下开挖至第一次开挖面；第2工况：架设第1道支撑及路面盖板；第3工况：向下开挖至第二次开挖面；第4～15工况: 按以上步骤随挖随撑，向下开挖至基底；第16个工况：施工接地网、垫层、底板防水层及底板；第17工况：待底板混凝土达到设计强度后拆除第7道支撑,第18个工况：向上施工站台层侧墙防水层、侧墙，待混凝土达到设计强度后拆除第6道支撑；第19～27工况：按以上步骤先施工主体结构再拆撑，直到拆除第1道支撑为止。通过以上工况分析，地连墙在第18工况下内力M=2536.96kN·m、V=1238.36kN、位移=22.37mm，分别达到最大值，为最不利状态，如图5所示。

利用上述内力值对地连墙进行配筋计算，地连墙的设计厚度(1200mm)能够满足其承载力极限状态要求。同时，其位移也小于0.15%H(H为基坑深度)与30mm的较小值。

图5 标准段各工况地连墙结构内力、变形包络图

(5)支撑结构内力

在上述工况下，各道内支撑轴力最大值如表2所示。截面800mm×1000mm、1000mm×1200mm钢筋混凝土支撑以及Ф800、t=16mm钢管支撑的材料抗力分别10 000kN、16 000kN、4000kN。从表中可以看出第五道支撑(1000mm×1200mm)轴力14 539kN<16 000kN，第三道支撑(800mm×1000mm)轴力6745kN<10 000kN，钢支撑轴力2863kN<4000kN，支撑承载力均满足要求。

表2 内支撑轴力 kN

从以上计算结果可以看出，该围护结构方案各项稳定性及强度安全指标均满足规范要求。

3.5 基坑辅助措施

(1)地连墙槽壁加固

该站基坑局部开挖范围内具有一定厚度的淤泥，福州地区软弱淤泥层具有含水量高、孔隙比大、强度低，灵敏度高、易扰动的特点，开挖易产生流变现象，为保证基地下墙成槽过程中的施工质量，采用Φ650@450mm三轴搅拌桩对地连墙槽壁进行加固，加固深度至淤泥层以下1m。

(2)基坑疏干降水措施

因该站周边环境复杂、建筑物距基坑距离较近，且基底位于强风化花岗岩及辉绿岩中，故采用地连墙兼作竖直隔水帷幕+坑内管井井点的降水方案，对基坑坑内进行疏干降水。降水井降水面积约150m2～200m2，故降水井沿车站宽度方向中部的两侧(距基坑边约5m)、纵向间距14m左右进行布置。

根据上海地区的基坑工程施工经验，基坑降水应将基坑内水位降低到基底以下1.0m。在基坑开挖前，通过设置于基坑内的水位观测井，观测被开挖土体的地下水水位是否下降至满足设计要求的深度，并在施工期间根据量测结果，采取回灌和跟踪注浆的方式对周边地下管线和地表建筑进行保护。降水井待顶板覆土完成后方可拔除井点管、进行井点封堵。

(3)与临近建筑的关系及处理

在基坑开挖时，沿重要建构筑物布设沉降、倾斜监测点，监测其变形值，该变形值不得超过相应规范的允许值。信息化施工是保证基坑安全和周围环境影响进行报警的重要手段。监测单位应根据设计要求对基坑工程作出详细的监测方案，仪器的精度必须达到设计要求。施工前在重要及重大管线间打设回灌井及跟踪注浆孔，当监测数据异常时，及时采取地下水回灌或补偿注浆措施，保证建筑物及地下管线的安全[4]。

3.6 基坑施工方法

该站的场地主要位于洪塘路，东端头紧邻洪塘路与闽江大道交叉路口。车站周边建构筑物较密集，交通繁忙，特别是闽江大道为福州南北走向主干道，同时周边疏解条件有限，道路两侧建筑最小距离约47m,为保证闽江大道、洪塘路交通及车站施工质量，故采用半盖挖顺做法施工。

4 结语

某福州地铁车站基坑深度达到34m，并且临近基坑区域存在保护要求较高的建、构筑物及市政管线，针对此种情况，该基坑采用1200mm厚地下连续墙加7道内支撑围护结构体系，并采用理正软件对其进行分析。分析结果表明，文中所采用的围护结构方案，可以较好满足该类超深基坑工程的建设需要。

基坑开挖范围内主要为粘性土、风化岩等土层，基坑降水采用地连墙兼作竖直隔水帷幕+坑内管井井点的降水方案，对基坑坑内进行疏干降水。由于该基坑深度较深，在施工期间须注意根据量测结果，采取回灌和跟踪注浆的方式对周边地下管线和地表建筑进行保护。