市域（郊）铁路地下车站基坑支护设计

翟海峰

中铁上海设计院集团有限公司 上海 200070

引言

市域（郊）铁路地下车站的基坑开挖、降水会引起地层环境的变化、地下水水位的下降，进而造成周边地表出现沉降变形、周边建构筑物及管线出现相应的应力变形[1]。故地下车站基坑的设计过程时，需先根据基坑工程的规模（长、宽、深等）、基坑的周边环境来确定基坑的安全等级、环境保护等级,再选取合适的围护结构形式。

1 工程概况

1.1 工程地质概况

该车站基坑范围内土层主要为杂填土、粉质黏土夹泥炭质土、黏质粉土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、砂质粉土夹粉质黏土、砂质粉土、粉砂、粉质黏土夹粉土。土层编号及物理力学参数详见表1。

表1 土体的物理力学参数

该车站底板基本位于⑥41粉质黏土，可塑～硬塑（局部位于⑥33粉质黏土，可塑～软塑）；

水文地质条件：潜水主要赋存于浅部土层中；微承压水主要分布在⑥32层中，承压水主要赋存于⑦1、⑧21、⑧22、⑧23层中，隔水层为⑥1及⑥41层暗绿～草黄色粉质黏土、⑥42层、⑧1层灰色粉质黏土。

1.2 车站基坑概况

该车站为地下二层三岛五线，内部结构为两层四柱五跨现浇框架结构。该车站外包总长1004.6m，基坑标准段开挖深度约21.8～23m，端头井开挖深度约24～24.9m，基坑宽度为13.8～55.3m，顶板覆土厚度约4m。该车站一倍基坑范围内无建构筑物及重大管线，围护范围内管线（最大管径约0.3m）均临时改移至车站基坑边5m外。

结合基坑深度及周边环境，该车站基坑安全等级取一级，基坑环境保护等级取二级。

2 支护结构选型

2.1 施工方法

地下车站的施工方法主要分明挖法、暗挖法和盖挖法3种[2]。明挖法无论从施工难度、工期、防水质量及工程造价等方面均具有明显的优势，该车站具备明挖条件，故采用明挖法施工。

2.2 基坑支护结构方案的选择

该车站围护结构既要有较大的刚度，又能承受水土压力并有较理想的止水能力，围护结构可有以下3种方式选择：地下连续墙（单层墙、叠合墙、复合墙）、钻孔灌注桩法+止水帷幕、钻孔咬合灌注桩。

本基坑深度21.8～24.9m，环境保护等级二级，结合上海地区的工程设计经验，采用1m厚地下连续墙（叠合墙）。地墙标准墙幅取6m，分幅布置时宜考虑墙缝与内部诱导缝对齐。针对本基坑宽度变化较大，在基坑较宽处（30～55.3m）采用5道砼支撑，在基坑宽度小于30m处采用两道砼支撑+3～4道钢支撑，砼支撑水平间距约8～9m，钢支撑按距地墙墙缝1m设置（一幅地墙2根钢支撑，实际间距2m+4m）。

2.3 基坑支护结构计算

通过同济启明星软件FRWS计算出标准段最宽处变形及内力计算结果，坑内、坑外最大弯矩分别为2064.2KN.m和1157.8KN.m，标准段1000mm厚地下连续墙外侧最大配筋取E28@150+E28@150，内侧最大配筋取E32@150+ E32@150+E28@300时满足强度要求。

2.4 基坑支护结构开挖

该车站基坑最宽处约55.3m，且坑底以上多为软土，建议采用小尺度块内盆式挖土的方法[3]。该方法有效地缩短了基坑无支撑暴露时间，能够起到约束围护结构变形的效果。基坑的深度大于18m时，预留盆边护壁土的宽度可取6m。

3 工程桩及立柱布置

该车站结构设计应按最不利工况进行抗浮验算，抗浮工程设计等级为甲级。施工阶段抗浮安全系数不小于1.05，使用期间抗浮安全系数不小于1.10。结构自身抗浮不满足要求时，应采取相应的抗拔措施。该车站工程桩均为永久抗拔桩，所有临时立柱桩均利用抗拔桩。

工程桩位置需综合考虑支撑稳定性验算长度及控制底板变形两个因素：①根据支撑稳定性验算（最大计算长度取15m）来进行工程桩1～3（兼做立柱桩）布置。②考虑工程桩1～3及地连墙对该车站底板的竖向约束的基础上，通过SAP2000试算结构最宽处（四柱五跨钢筋砼结构）底板变形可知：在最大跨跨中增设一排抗拔桩时控制底板变形效果要优于在结构柱下方增设抗拔桩，对应最大变形分别为9.6mm和13.4mm。跨中及柱下设桩底板变形对比详见图1。

图1 跨中及柱下设桩底板变形对比

4 降水设计

该车站基坑开挖过程中潜水以疏干为主，承压水按照计算分区分段按需降压[4]。

疏干井单井有效面积按200m2/口布置，井深宜插入基底下6m，且与下部承压水层保持一定的安全距离。

承压含水层：地下墙已隔断⑦1层坑内外水力联系，采用封闭式减压降水；⑧2层承压含水层厚度大于30m，地下连续墙完全隔断需加约25m的素墙，代价较大，采用悬挂式隔水帷幕。⑧2层水头降深约为1.1～4.0m，小于5m，悬挂式隔水帷幕深度可取降水井深度下1～3m，该车站按2m控制。根据水勘实测沉降及参数取值，采用分层总和法估算，悬挂高度为2m条件下该车站周边最大预估沉降约2.5mm。

5 车站施工对周边环境影响

该车站基坑开挖期间周边环境：

该车站东侧周边未拆除建构筑物有微波塔（筏板基础，基础底埋深4.5m）和上海金鹰线带有限公司（砖混结构1-2层，采用条形基础），距离主体基坑距离最近处约24.7m（一倍基坑深度范围外）；基坑周边临时改迁管线（基坑5m范围外）直径较小，主要为给水管DN300 、燃气管DN250及污水管DN300等其他管线。

软件及模型：基坑开挖对周边环境的影响数值模拟采用MADIS GTS有限元软件；其中土层材料的本构模型采用修正摩尔-库伦模型，结构采用梁板单元模拟，材料按线弹性考虑。计算分析结果如图2所示。

图2 周边建构筑物竖向位移云图

根据计算结果，该车站主体基坑开挖至坑底时，该车站基坑周边房屋沉降位移7.33mm+2.5mm=9.83mm＜20mm，微波塔沉降位移17.98mm+2.5mm=20.48mm＜40mm，微波塔差异沉降值约17.98-11.18=6.8mm＜0.005L=40mm，L基础宽度约8m，最大倾斜值6.8/8000＜5/1000，均满足变形保护要求；该车站基坑周边临时改迁管线沉降位移4.25mm+2.5mm=6.75mm＜10mm，道路沉降位移4.93mm+2.5mm=7.43mm＜10mm，均满足变形保护要求。

6 结论与建议

通过该车站的计算及分析可知：①在浅部土层主要由黏性土、淤泥质土、饱和粉性土组成的软土地区，基坑深度20～25m，可采用1m厚地下连续墙+内支撑的围护结构；②对于超宽的地下车站基坑，可采用小尺度块内盆式挖土的方法缩短基坑无支撑暴露时间；③车站自身抗浮不满足要求时，抗拔桩宜结合内部结构计算确定合适的位置，可有效减小内部结构底板的变形；④承压水抗突涌安全系数不满足的车站，可考虑隔断承压水与悬挂式隔水帷幕两种方式。在基坑内设置降压井进行悬挂式减压降水的方案对周边的环境影响较小。

地下车站的基坑支护结构需要具体工程具体分析，只有综合考虑场地工程地质条件、水文地质条件、周边建构筑物及管线的保护要求、内部结构的抗浮及受力需求，才能更好地进行支护结构设计，保证工程质量，同时避免工程浪费，节约工程投资。