車站基坑支護形式選擇與支護體系設(shè)計的研究與應(yīng)用

◎ 北京中環(huán)世紀(jì)工程設(shè)計有限責(zé)任公司 李善瑞 馬 劍

1.車站概況

本次車站設(shè)計的結(jié)構(gòu)形式為兩層兩跨箱型框架結(jié)構(gòu)體系，基礎(chǔ)底板埋深15.82m～17.46m，車站頂板覆土南深北淺，最深處4.10m，最淺處2.52m，根據(jù)車站結(jié)構(gòu)特征及當(dāng)?shù)氐貐^(qū)經(jīng)驗，抗浮設(shè)防水位取值約為距地表3m～4m處。車站總長度為251m，有效站臺寬度10米，有效站臺長度120米。

2.站址環(huán)境

該工程為青島市地鐵3號線一期某車站工程，車站位于兩條主要交通路線交叉口，車站西側(cè)約10米處有一加油站，為了避免發(fā)生事故，車站施工期間加油站停止運營，并清空油品。站址范圍內(nèi)其它均為三層以下磚房及臨時性建筑物，需進行拆遷。站址上方有電力、電信、給排水等管線，需進行導(dǎo)改，附近無高大構(gòu)、建筑物。

根據(jù)地質(zhì)資料，本站址范圍第四系上部土層為第①層人工填土、沖洪積層，第⑤、⑦、⑦1層粉質(zhì)粘土，第?層含砂粘性土（礫砂），下伏基巖為燕山期花崗巖，強風(fēng)化帶風(fēng)化深度較大，中、微風(fēng)化巖面埋藏深度為4.80～28.80m。

由于本次基坑開挖深度較深（最深約18m），中風(fēng)化巖面埋藏深度起伏較大，為4.2m，上部覆蓋層主要為第四系及強風(fēng)化花崗巖，基坑開挖時，可能出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象，引起地面沉降及基坑位移變形，所以基坑開挖及支護設(shè)計中應(yīng)考慮相應(yīng)的加強及防護措施。

表1 車站常用施工方法對比

3.車站開挖形式的選擇

目前國內(nèi)地鐵車站施工較為成熟的方法有明挖法、蓋挖法和暗挖法，針對于本站，各方法特點如表1：

根據(jù)站位處的周邊環(huán)境、地下管線及地面交通情況，本站重點對明挖和暗挖兩種施工方案進行了比較。

如采用暗挖法進行施工；由于車站位處地層條件較差，強風(fēng)化底至地面深度達3.9～23.5米，且地下水位較高，含水量豐富，強風(fēng)化巖具遇水軟化特點，采用暗挖法施工風(fēng)險較大且造價較高。

如采用明挖法進行施工；僅占用主要交通要道的一個車道，對道路的交通基本沒有影響，牽涉到的管線相對較少，且主要管線也具備遷改路由，道路兩側(cè)分別設(shè)置約5m人行道，兩側(cè)建筑控制線均退后道路紅線20m，施工場地條件較為充足，地下水可以采用止排結(jié)合，施工風(fēng)險較小，造價降低。

綜合以上分析，本次車站設(shè)計采用明挖法施工。

4.車站支護體系選擇

基坑圍護結(jié)構(gòu)是控制工期和工程投資的重要因素，應(yīng)綜合考慮周圍環(huán)境條件、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況、基坑特點、施工技術(shù)以及工程造價等諸多因素，因地制宜地選擇安全可靠、經(jīng)濟合理的支護型式，同時還要考慮其與主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

主要基坑圍護結(jié)構(gòu)型式有土釘墻、放坡法、鉆孔灌注樁、鋼管樁、地下連續(xù)墻等，篩選后主要對土釘墻和鉆孔灌注樁兩種支護形式進行了比較。

土釘墻支護：該方法是邊開挖基坑，邊對兩側(cè)基坑土體壁面設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴混凝土，通過打入式或鉆孔注漿式設(shè)置土釘，土釘通過滑裂面將坑周土體加固，約束土體變形，保持土體穩(wěn)定。（另附：土釘墻的適用深度一般為12m左右，適用土層一般為N值大于5的砂質(zhì)土或N值大于3的粘性土，施工時需要坑內(nèi)外同時降水。）

鉆孔灌注樁法 ：該法是應(yīng)用比較廣泛的一種基坑支護型式，支護結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土樁體，一般結(jié)合坑內(nèi)的混凝土支撐、鋼支撐或坑外的抗拉錨桿作為樁體受力支點以減少內(nèi)力和撓度，該工法造價與土釘墻相比偏高。（如表2）

根據(jù)以上兩種圍護結(jié)構(gòu)形式比較，結(jié)合本站工程特點，車站基坑大部分采用鉆孔灌注樁加鋼支撐的支護形式較為經(jīng)濟合理；小里程段鋪軌基地預(yù)留口部分采用鉆孔灌注樁加錨索支護形式；考慮基坑開挖時，可能出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象，會引起地面沉降及基坑位移變形，故采用旋噴樁進行樁間止水。

表2 兩種圍護結(jié)構(gòu)型式對比

5.支護體系設(shè)計

根據(jù)上述施工方法和支護體系論證，本次基坑支護體系設(shè)計主要圍繞鉆孔灌注樁、鋼管內(nèi)支撐和預(yù)應(yīng)力錨索進行展開。

根據(jù)本工程實際環(huán)境特點及水文地質(zhì)條件，沿基坑周邊外做φ1000@1700鉆孔灌注樁，樁間設(shè)置φ1200@1700高壓旋噴樁止水帷幕，止水帷幕與灌注樁咬合。

同時自基坑小里程端地面下1.5m處開始設(shè)置冠梁，冠梁依次做臺階下落隨地勢下落，保證冠梁覆土高度有1m左右，這樣架設(shè)內(nèi)支撐后土地能給予鋼管內(nèi)支撐有足夠的反撐力；冠梁以下6m處，做一道鋼圍檁，這樣兩排內(nèi)支撐分別架設(shè)在冠梁和圍檁上，豎向間距6m?？紤]到第一排內(nèi)支撐距離地表較近，基坑兩側(cè)壁側(cè)壓力較小，所以第一排內(nèi)支撐橫向間距定為6m左右；第二道內(nèi)支撐距離地面已有8m左右，基坑側(cè)壁壓力已較大，橫向間距定為3m左右。（具體數(shù)值通過軟件計算確定）。

鋼圍檁向下分別設(shè)置兩道鋼腰梁，豎向間距3m左右，兩道鋼腰梁上分別架設(shè)@1700的預(yù)應(yīng)力錨索，錨索預(yù)應(yīng)力需由相關(guān)軟件計算確定。

最后考慮到本車站中風(fēng)化巖面埋藏深度起伏較大，對于中風(fēng)化比較矮的地段，鉆孔灌注樁可以徑直做到基坑底部，并嵌固1.5m 左右；對于中分化比較高的地段，鉆孔灌注樁做到基坑底部施工困難、工期長和造價高。據(jù)研究決定，本次工程中風(fēng)化較高處采用無嵌固樁支護體系，在中風(fēng)化層頂面放平臺，平臺寬度1000mm，平臺以下基坑采用超前鋼管樁支護，然后直坡開挖。

6.支護體系計算

本站基坑安全等級為一級，地面最大沉降量≤0.15%H，圍護結(jié)構(gòu)大水最平位移≤0.2%H，且≤30mm），基坑設(shè)計使用年限20個月，圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足基坑穩(wěn)定要求，不產(chǎn)生傾覆、滑移和局部失穩(wěn)。支撐系統(tǒng)不失穩(wěn)，錨索及腰梁等圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生強度破壞。鋼管內(nèi)支撐預(yù)加軸力按支撐設(shè)計軸力的40%～60%計。錨索張拉力應(yīng)張拉至設(shè)計預(yù)加力的105%-110%，再按規(guī)定值進行鎖定。同時地面超載標(biāo)準(zhǔn)段地面超載按20kPa計算,且基坑周邊2m范圍內(nèi)不得堆載。

圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+鋼支撐支護體系，其計算原理及方法如下：

圍護樁支護體系采用彈性支點桿系有限元法計算。被動土壓力按彈性地基梁考慮，水平抗力系數(shù)采用K值常數(shù)法。根據(jù)施工中開挖、加鋼支撐、澆注混凝土等過程，分階段進行內(nèi)力分析，圍護樁內(nèi)力按“總和法”計算，須計入結(jié)構(gòu)的先期位移值以及支撐的變形，按先變形后施作鋼支撐的原則進行結(jié)構(gòu)分析。截面設(shè)計按內(nèi)力包絡(luò)圖進行，鋼支撐軸力取各階段計算的最大值，計算程序采用理正深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件6.0 正版軟件。

下圖為經(jīng)過計算確定基坑斷面支護形式。

圖1 支護體系斷面形式一

圖2 支護體系斷面形式二

7.結(jié)論與學(xué)習(xí)

經(jīng)各咨詢單位審核，本次支護體系設(shè)計方案工藝成熟、施工難度較小，圍護結(jié)構(gòu)剛度大，變形小，基坑施工對鄰近建筑與地下管線影響較小，對于地下水位以上和有一定自穩(wěn)能力的地層支護非常有效，望本工程實例能給同類工程提供借鑒和幫助。