建筑密集区半盖挖车站围护结构选型及分析

张刚

（中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361000）

1 引言

随着城市建设的快速发展以及城市人口的不断增多，很多城市的老城区修建了地铁，以缓解老城区的交通压力。但是老城区建筑物密集，地下障碍物多，场地十分狭小，可利用的有限空间问题突出。在这种城市密集区对地铁基坑围护结构选型更为严格，既要承担外围土层压力，又要控制基坑变形和周围建筑物的沉降，保证周边建构（筑）物的安全。

在地铁工程建设中，围护结构的设计和施工是其中一个难点。在深大基坑的围护结构中主要有排桩和地下连续墙，内支撑主要是钢管支撑以及钢架混凝土支撑；地下连续墙是利用成槽机械以及泥浆护壁在地下形成一字形、T字形或π形槽体，然后下放钢筋笼，浇筑混凝土，从而形成一道具有防渗、挡土和承重功能且连续的地下墙体；排桩指通过旋挖钻以及泥浆护壁+止水帷幕、或桩体咬合，下放钢筋笼、浇筑混凝土后形成的一排或者双排的挡土支护结构[1]。

2 工程概况

2.1 车站概况

广州市某地铁车站沿东川路南北向布置，既有1号线车站沿中山二路东西向布置，与1号线车站呈L形换乘。车站主体为地下4层双跨岛式车站，全长170 m，标准段宽24.7 m，标准段基坑深27.35 m。因要保证市民的就医与交通流量要求，基坑开挖方案采用半盖挖法。

2.2 周边环境

车站位于老城区，道路狭窄，为16 m双向4车道；周边建筑物密集，两侧建筑物最小间距仅为36 m，与车站结构最近建筑物仅1.8 m；车站北侧为既有1号线区间，二者距离仅有8.5 m，在地铁保护范围内，1号线出入口在车站主体范围内，施工时需要封闭拆除该出口；东侧为人民医院10～25层建筑物，为桩基础并有2～3层地下室，距离车站3～5 m；西侧主要为5～29层居民建筑物，高层多为桩基础并有地下室，8层以下建筑物多为浅基础；南侧主要有2～7层建筑物，间距3～6 m，且多为浅基础。两侧高层建筑基础多为人工挖孔桩加锚杆支护，且锚杆侵入主体基坑范围内[2]。

车站范围内不仅建筑物密集，而且各种管线散布在车站两侧及车站结构正上方。有100多条通信管线分布在车站范围内，DN800 mm排水管、DN219 mm燃气管、DN1200 mm排水、2000 mm×1500 mm雨水渠箱、十余条10 kV、3条110 kV电缆贯穿车站。

2.3 工程地质、水文情况

车站为海陆交互相沉积地貌单元，地形较为平坦。基坑侧壁岩土层类型较多，包括杂填土＜1-1＞、流塑状淤泥质土＜2-1B＞、中砂＜3-2＞、砾砂＜3-3＞、软塑状粉质黏土＜4N-1＞、可塑状粉质黏土＜4N-2＞、硬塑～坚硬状粉质黏土＜5N-2＞，以及全风化泥质粉砂岩、粗砂岩、细砂岩＜6＞、强风化粗砂岩＜7-1＞、泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩＜7-3＞和中等风化粗砂岩＜8-1＞、泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩＜8-3＞、微风化泥质粉砂岩＜9-3＞。

3 基坑内支撑系统设计

车站基坑周边建筑较为密集，且距离车站结构较近。同时所处地质较差，土体及岩层水较为丰富。基坑深度较深，为27.35 m。因此，内支撑的承载力要求较高，竖向需要更多支撑。结合相关资料以及计算分析，基坑等级为一级，基坑重要性系数1.1，支护结构最大水平位移0.2%H（H为基坑深度，mm），且＜30 mm。拟设置5道支撑，其中1～4道支撑选择钢筋混凝土支撑，第5道支撑选择φ609 mm钢支撑。

第1道支撑截面1000 mm×1000 mm，间距6000 mm，冠梁截面1000 mm×1000 mm；第2～4道支撑截面700 mm×800 mm，间距6000 mm，混凝土腰梁截面800 mm×800 mm；第5道支撑采用φ609 mm，厚度t=16 mm钢管撑，间距3000 mm。

支撑的刚度计算见式（1）：

式中，KT为支撑的实际刚度，MN/m；η为支撑的松弛系数，取1.0；Ez为支撑的弹性模量，MPa；Az为支撑的截面面积，cm2；Sa为支撑的计算宽度，取1 m；L为支撑的计算宽度，m；S为支撑水平间距，m；x为计算点至支撑点的距离，取0.5 m；Ls为支撑的计算长度，m；θ为支撑与腰梁的夹角，对撑取90°，斜撑取45°；Ej为腰梁弹性模量，MPa；Ij为腰梁的惯性矩，cm4。

经软件计算得到支撑的实际刚度。第1道支撑KT1=2767.3 MN/m；第2道支撑KT2=1586 MN/m；第3道支撑KT2=1568 MN/m；第4道支撑KT4=1985 MN/m；第5道支撑KT5=554.2 MN/m。

支撑的材料抗力计算见式（2）：

式中，T为支撑的材料抗力，kN；ζ为与工程形式有关的调整系数，取1.00；ψ为与细长比有关的调整系数；fc为混凝土抗压强度设计值，N/mm2。

代入式（2）得：第1道支撑T1=14222 kN；第2道支撑T2=6428 kN；第3道支撑T3=6428 kN；第4道支撑T4=8545 kN；第5道支撑T5=5617 kN。根据工程类比、施工工序以及支撑的轴力计算可得支撑竖向间距，支撑竖向间距依次取5300 mm、5500 mm、5350 mm、5000 mm。

4 围护结构选型

由于车站周围环境复杂，基坑深度较深，且对防水要求较高，因此，选择对地下连续墙+内支撑方案和围护桩+φ600 mm旋喷桩+内支撑方案进行比选。

4.1 地下连续墙+内支撑方案

地下连续墙厚1000 mm，嵌固深度微风化岩层取1.5 m，中分化岩层取2.5 m，强风化取4 m，平均槽段深度取28.95 m。基坑外地面超载取用20 kPa，根据实际选取最不利孔位置MLZ3-LSLY-025，楼层高度为8层，取荷载为120 kPa，依据地下连续墙和车站相关参数及JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》，采用理正深基坑支护结构软件F-SPW7.0，按弹性支点法和增量法计算。砂性土采用水土分算计算水土压力，黏性土采用水土合算计算水土压力。土的水平抗力系数按m法确定。

经过计算，地下连续墙的位移、弯矩、剪力如图1所示，地下连续墙最大位移为：11.19 mm≤30 mm，且≤0.025%H，满足设计要求；最大支撑轴力在第4道支撑处，为5248.55 kN；最大沉降量为14 mm，满足JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》要求。

图1 地下连续墙位移、弯矩、剪力图

4.2 围护桩+内支撑方案

桩长28.95 m钻孔灌注桩+12 m桩间旋喷桩止水帷幕，钻孔灌注桩直径径取1000 mm、间距1200 mm，旋喷桩直径600 mm。选取与地连墙相同条件下进行计算。

经过计算，围护桩结构位移、弯矩、剪力如图2所示，围护桩最大位移为：15.00 mm≤30 mm，且≤0.025%H，满足设计要求；最大支撑轴力在第4道支撑处，为5129.59 kN；最大沉降量为17 mm，满足设计及规范要求。

图2 围护桩结构位移、弯矩、剪力图

4.3 围护结构方案比选

经计算，地下连续墙和围护桩结构都可以在本站实施，因此，在其他方面进行方案比选。

4.3.1 受力性能

两种围护结构所处环境、地层、外荷载以及内支撑设置相同，因此，对围护结构的抗弯刚度EI进行比较，两种结构材料的弹性模量E相同，则只比较支护结构的截面抗弯刚度I：围护桩单元I桩=πD4/64（D为围护桩直径，m），地下连续墙支护单元I墙=bh3/12（b为地下连续墙厚度，m；h为截面高度，m）；经过计算I桩=0.049 m4；I墙=0.0833 m4，而I墙＞I桩；因此，地下连续墙的抗弯刚度较围护桩大。

4.3.2 对周边环境的影响

由于本车站距离周围建筑物较近，且位于医院附近，需要控制噪声；同时在车站北端头侧8.5 m处有既有1号线区间，附近有大量居民楼房为天然基础，因此，对施工产生的振动需要控制。由于气候环境和地质、水文条件，地下水丰富，降水较多，所以，围护结构需要较好的止水防渗措施。围护桩施工时，振动大，噪声难以控制；同时，防水措施采用φ600 mm旋喷桩，但增加止水帷幕措施，不仅增加了施工难度，也增加了对土体的扰动次数。

而地下连续墙施工采用双轮铣成槽，振动小，降低了对附近建筑物、地铁区间的影响；同时产生的噪声可以控制，对居民、医院病人的影响较小；地下连续墙接头采用套铣接头，该工艺成熟，已经得到较好的止水效果，不易失效，工艺简单，结构的整体性较好。因此，在城市密集区以及地下水位较高的地质情况下，地下连续墙更加适用[3]。

4.4 经济性比较

本工程方案研究阶段，对地下连续墙及围护桩结构进行整体工程费用估算对比（见表1）。地下连续墙虽然总体造价较围护桩结构造价高，但整体经济效益较为可观。

表1 地下连续墙及围护桩结构经济对比表万元

5 结语

综上所述，通过对地下连续墙和排桩围护结构的受力、对环境的影响、成本、适用性进行分析和计算，可以看出在城市建筑密集区地铁基坑采用地下连续墙是不二的选择。地下连续墙刚度较大、抗渗性好、耐久性好、安全性高、经济性好，同时在建筑密集区施工时对周边建筑物结构和居民生活影响较小，机械化程度高，适用于各种复杂的地质环境。通过合理规划场地、控制施工参数等手段，地下连续墙会越来越适用于城市建筑密集区的基坑的围护结构。