地铁车站深基坑围护结构设计

GXF360 2017-06-22

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地铁车站深基坑围护结构设计

徐松

（广州地铁设计研究院有限公司）

【摘要】本文简要介绍了宁波市某地铁车站围护结构方案的设计，对围护结构的内力、变形、稳定性系数等进行了验算。并对基坑开挖有影响的坑底承压水层、坑外在建桥梁分别进行有限元计算，对基坑开挖的设计、施工组织提供了有力的支持与指导。

【关键词】地铁车站；深基坑设计；有限元方法

1 工程概况

腊梅路站沿规划的院士路东侧南北向设置，站址原为大漕村村舍，村舍农房现已基本拆迁完毕。车站站位东侧为拆迁空地，西侧为规划三官堂大桥，该桥已开工建设。西侧南部为施工区，部分高楼施工完毕，西侧北部为宁波体育运动学校。

车站为地下两层岛式站台车站，车站范围为单柱双跨或双柱三跨矩形框架结构，车站采用明挖顺作法施工，车站中心顶板覆土厚度3.0m。车站基坑长254.900m，标准段基坑宽19.70m，端头井宽23.8m。车站共设3个出入口、2组风亭，车站两端区间均为盾构区间，南北端均为盾构始发井。

图1 车站站位平面图

2 工程水文地质

拟建车站基本成南北走向，场地较为平坦，地势开阔，场地地面标高一般为2.00～3.00m。场地地形地貌单一，为冲积湖平原。

根据岩土详勘报告，场地自上而下主要包含以下几层：

①1a层：杂填土、①2层：黏土、①3b层：淤泥质黏土、②2b层：淤泥质黏土、②2c层：淤泥质粉质黏土、④2a层：黏土、⑤1a层：黏土、⑤3b层：粉砂。

物理力学性质参数表如表1所示：

表1 土层物理力学性质参数

序号土层名称(°)m (MN/m4)Kmax(MN/m3) 1①1a20.05.0010.002.05.0 2①219.230.6013.502.515.7 3①3b17.212.909.201.57.0 4②2c16.913.709.201.85.5 5②2b17.112.609.101.56.5 6④2a17.919.1010.802.212.5 7⑤1a19.840.7016.405.026.5 8⑤3b19.414.2031.906.523.5 (kN/m3)c (KPa) γ φ

松散岩类孔隙潜水主要赋存于场区表部填土和浅部黏土、淤泥质土层中。表部填土富水性、透水性及渗透性均较好，与地表水联系密切，主要接受地表水、管道渗漏水和大气降水的补给。

赋存于表部黏土、淤泥质黏土层中的孔隙潜水，富水性及透水性均较差，渗透系数在5.0×10-6～4.07× 10-7cm/s，水量贫乏。

根据场地钻探及区域水文地质孔资料，沿线埋藏分布有深部孔隙承压水，主要赋存于⑤3b层粉砂中，⑤3b层粉砂渗透系数介于3.12×10-3～4.11×10-3cm/s，属中等透水，水位埋深在3.80m左右。

3 围护结构选型与设计

3.1 工法选择

在进行车站设计计算之前，应首先选择合适的施工工法。目前国内陆下结构较为成熟的施工方法有明挖顺作、盖挖逆作及暗挖法。拟建场地周边环境较好，场地开阔，无建构筑物及市政管线，根据本工程特点，选择地下结构诸多施工方法中较为经济、且技术安全可靠的为明挖顺作法施作车站主体[1]。

3.2 围护结构选型

据统计，已经建成的地下车站围护型式主要有地下连续墙、钻孔咬合桩、灌注桩结合连续墙等形式[2]。

地下连续墙技术已经很成熟，其具有刚度大、抗渗止水防漏性能好，无振动、噪音低等优点，被广泛应用于北京、上海、广州等地工程中。它不仅可以很好地用作施工期间的基坑挡土止水围护结构，通过优化施工工法能很好地控制地面沉降，特别适合于周边环境保护要求等级较高的区域，比其他围护结构形式更具灵活性，适用于多种施工工法，同时也作为永久结构的侧墙（或侧墙的一部分）使用。故本站主体基坑围护结构采用地连墙加内支撑形式。

3.3 围护结构设计

本站基坑成长条形，标准段主体基坑深度约为15.81m，端头井深约17.2m，基坑深度范围内从上向下依次为：填土（硬壳层）、黏土、淤泥质黏土、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、黏土、黏土。淤泥质土层较厚，主体围护选用800厚地下连续墙，接头采用锁口管柔性接头。

3.2.1 支撑体系

目前地铁基坑的内撑形式主要有两种：钢筋混凝土支撑、钢支撑。内支撑体系的选择应根据基坑土质情况、基坑深度、周边环境情况以及围护结构的形式确定。实施时，也可以将各种内支撑体系结合使用，扬长避短，以达到加快施工进度，降低工程造价的目的。

根据地区前期已经建成通车的车站经验，结合本站情况，竖向从上由下共设置5道支撑+一道换撑，其中第一道为钢筋混凝土支撑（800×1000），其余为钢支撑（直径609或800mm，壁厚16mm），当钢支撑角撑跨度超过16m、对撑超过20m时中间设置格构柱支撑，保证稳定性。

3.2.2 基坑加固

基坑环境保护要求较高、地质环境条件较差，可采用地基加固，加固方式一般可采用高压旋喷加固、水泥土搅拌桩等[3]。

为满足设计和施工要求，在基坑开挖前一般超三周至个月底进行内井点预降水，以疏干并加固土体。本基坑内土体进行加固，降水深度控制在坑底以下1m。

由于本站基坑变形保护等级为一级，控制标准较为严格，故在坑底进行加固设计，采用φ850@600三轴搅拌桩加固，加固深度为3m，水泥掺量不小于20%，加固体28天无侧限抗压强度不小于0.8MPa。标准段采用抽条形式，条宽约3m，间距约3m；端头井采用裙边+大抽条形式，裙边宽度为4m。搅拌桩与地墙间的缝隙采用φ800@600高压旋喷桩进行填缝，与搅拌桩咬合300mm，水泥掺量不小于25%，加固体28天无侧限抗压强度不小于1.0MPa。

基坑标准段与端头井连接的阳角处，开挖时会产生应力集中，故采用φ800@600高压旋喷桩对坑外土体进行加固，加固深度为地面下5m至坑底3m，水泥掺量不小于25%，加固体28天无侧限抗压强度不小于1.0MPa。

坑内大部分土体为淤泥质土，为保证开挖的效率，采用三轴搅拌桩进行弱加固，水泥掺量不小于8%，加固体14天无侧限抗压强度不小于0.2MPa，加固平面范围同强加固。

3.2.3 基坑稳定性验算

对于长条形基坑，两侧对称开挖时，可视为平面问题，取1延米单片墙元，按竖弹性地基梁（或板）法进行计算，基坑开挖面以下的土体对墙的约束作用以一系列弹簧支座模拟。计算时考虑支撑点的位移、施工况及刚度影响，计入结构的先期位移以及支撑的变形，按“先变形后支撑”原则进行结构分析。

表2 支(换)撑反力范围

抗力相对桩顶深度(m)最小值(kN/m)最大值(kN/m)支撑第1道支撑0.60-171.1112.0第2道支撑3.53250.9577.0第3道支撑6.53193.5558.4第4道支撑9.53162.0613.2第5道支撑12.54600.01066.9换撑第1道换撑14.790.0871.4第2道换撑11.34300.0489.4第3道换撑7.930.0828.7第4道换撑2.380.029.1

图2 位移内力包络图

按照现行的行业及地方基坑规范，应按承载能力极限状态进行下列内容的验算：墙元的变形与内力，坑外地面沉降，整体稳定性、围护结构绕最下一道支撑为圆心的圆弧滑动抗隆起稳定性、按墙底地基承载力模式验算坑底抗隆起稳定性、围护结构抗倾覆稳定性、基坑开挖后坑内陆基土的抗渗流稳定性、抗承压水稳定性。

车站标准段的变形内力计算结果如图2所示。

根据基坑横向宽度及开挖深度，计算了几个典型横剖面，计算结果汇总于表3。

根据计算结果，可以满足变形保护等级一级基坑的要求。

3.2.4 降水设计

根据详勘报告，本场地深层存在含承压水层，且层较厚，计算坑底抗突涌系数不满足要求，根据上节计算得出的地墙插入深度未能隔断该层，综合考虑经济性及周边环境条件，采用“降灌结合”的方式进行降水，以保护基坑的安全[4]。

采用有限元软件，对车站降压过程进行模拟分析。模拟计算采用含水层三维模型，即水文地质概念模型。图中地层从上到下，依次概化分为5个水文地质层，平面计算区域为1200×1200m。如图3所示：

图3 含水层三维模型

表3 稳定性验算结果汇总

项目车站标准段车站外扩段一车站外扩段二车站南端头井车站北端头井整体稳定性1.37≥1.251.39≥1.251.38≥1.251.36≥1.251.39≥1.25坑底抗隆起3.02≥2.23.54≥2.23.45≥2.23.18≥2.23.54≥2.2墙底抗隆起12.45≥2.512.87≥2.512.54≥2.52.93≥2.512.87≥2.5抗倾覆1.50≥1.21.86≥1.21.87≥1.22.00≥1.21.86≥1.2抗渗流2.15≥2.02.27≥2.02.14≥2.02.22≥2.02.27≥2.0

按照上述计算模型，计算基坑减压降水期间坑内外水位降深分布情况参见图4。

3.2.5 风险源分析

车站西侧有在建三官堂大桥，目前桥桩已施工完成，距离车站外皮最近处约13m，小于一倍基坑开挖范围，风险源等级较高，需对其进行保护，故进行有限元计算分析开挖造成的影响[5-7]。