地鐵車站深基坑設計中遇到的若干問題及總結

鄭曉蒙

(中鐵二院西安勘察設計研究院有限責任公司，陜西西安 710054)

1 工程概況

本車站位于西安市建工路與金華南路交界處。車站設計起點里程為 CK27+901.421，終點里程為 CK28+091.821，車站總長190.400 m，本站標準段寬度19.2 m，擴大段寬度24.8 m。有效站臺中心處地面高程約為422.873 m、底板高程約405.69 m，有效站臺中心處車站埋深約16.2 m(從現(xiàn)地面起算)，擴大段的車站埋深約19.55 m(從現(xiàn)地面起算)。

車站主體施工方法采用明挖法施工。車站的圍護結構設計采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐(第一道混凝土支撐，二、三道鋼支撐)的圍護支護方案，本站采用基坑內(nèi)降水使用高壓旋噴樁(直徑800間距1 400)與鉆孔灌注樁(直徑1 200間距1 600)共同形成止水帷幕，鉆孔灌注樁和旋噴樁的插入深度均為6.5 m。

2 周邊環(huán)境

車站沿東二環(huán)(金華南路)呈南北走向，距離車站較近且對基坑有影響的建、構筑物有3個，分別為高層辦公樓(9層混凝土結構)、東二環(huán)立交橋(連續(xù)梁結構)、多層辦公樓(4層磚混結構):1)9層的混凝土結構信號廠辦公樓(基礎采用混凝土預制摩擦樁，樁型為AZHa-240-1313C，樁長26 m)，位于車站基坑東側5 m處。2)東二環(huán)立交橋(高 3.5 m～9.2 m，采用樁基礎，樁徑1 500 mm，樁長40 m～45 m)位于車站基坑西側11 m處，呈南北走向。3)多層辦公樓(4層)位于車站基坑東側7 m處。

3 場地地層巖性特征

根據(jù)鉆探揭露，本區(qū)間沿線地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土，上更新統(tǒng)風積新黃土、殘積古土壤，中更新統(tǒng)風積老黃土及殘積古土壤等地層，①-1雜填土，①-2素填土，③-1-1層新黃土(水上)，③-1-3層飽和新黃土，③-2層古土壤，④-1-2-1層老黃土(水下)，④-1-2-2層老黃土(水下)滲透系數(shù)為7 m3/d。

4 車站基坑的問題

1)由于高層距離基坑僅5 m，且高層的基礎為預制摩擦樁。本站采用基坑內(nèi)降水，止水帷幕插入④-1-2-1層老黃土層，未進入不透水和相對不透水層，經(jīng)過降水和基坑開挖之后高層的沉降難以控制。2)擬建車站東北側為信號廠住宅樓，為磚混結構，整體剛度較小，采用淺基礎，地基處理以灰土墊層為主。結合本車站工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，若基坑施工長時間大幅度抽取地下水對上述建(構)筑物有較大的影響，容易產(chǎn)生地基不均勻沉降，造成建(構)筑物傾斜、開裂。3)車站西側立交橋結構形式為連續(xù)梁，對沉降變形非常敏感，較大幅度的降水和基坑開挖可能引起立交橋的不均勻沉降，導致橋身結構變形、開裂。4)建工路車站有10 m深飽和軟黃土。在土體的側壓力作用下易發(fā)生變形，且長時間降水易產(chǎn)生較大的地面沉降;且容易出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象。

5 設計分析原理

5.1 考慮周邊建筑物對建筑的影響

由于9層的混凝土結構信號廠辦公樓距離基坑僅5 m，且此高層的基礎為預制摩擦樁(基礎采用混凝土預制摩擦樁非端承樁，樁型為AZHa-240-1313C，樁長26 m)。要保證基坑的安全就必須考慮此建筑的附加荷載，車站埋深約為16.2 m，建筑物樁長26 m，如果把建筑物的荷載都附加在基坑邊上，偏于保守，采取折減系數(shù)又沒有依據(jù)，因此本文提出新的思路，僅供大家參考。此建筑物的樁長在基坑地面以下的摩擦力對基坑沒有影響，因此只需要考慮基坑地面以上部分的摩擦力占總摩擦力的比值乘以總的附加荷載為基坑實際承受的附加荷載。

5.2 基坑開挖對地面沉降的影響

基坑圍護結構的變形形狀同圍護結構的形式、剛度、施工方法等有著密切的關系。將內(nèi)支撐和錨拉系統(tǒng)的開挖所引起的圍護結構變形歸為三類，第一類為懸臂式位移;第二類為拋物線位移;第三類為上述兩種形態(tài)的組合。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，地表沉降的兩種典型形狀為三角形和凹槽形。根據(jù)目前的圍護樁加內(nèi)支撐方式，地表沉降類型為凹槽形，此沉降可通過里正深基坑等軟件計算得出。

5.3 降水對地面沉降的影響

土體一般由土體顆粒，空隙水和氣體三相組成。一般認為土體變形是空隙水的排出，氣體體積減小和土體發(fā)生錯動而造成的。長期的基坑降水將形成地下水降落漏斗，抽取承壓水使得含水層組的空隙水壓力降低，有效應力增加，土體壓密，導致基坑周圍的地面沉降。降水引起的沉降計算思路:

1)首先通過穩(wěn)定的滲流公式，計算出井點降水的漏斗曲線，確定基坑周邊任意點的水位下降值。根據(jù)達西定律［1］:

其中，Q為穩(wěn)定涌水量，m3/d;k為滲透系數(shù);c可通過邊界條件得出，m。

2)降水過程中處于地下水位之下的土體，當?shù)叵滤皇韪蓵r，浮力消失，所消失的浮力轉(zhuǎn)化為自重應力，其自重應力增加值相當于浮力消失值，并可視等同于原始狀態(tài)下土體附加應力增加值。土體在附加應力作用下產(chǎn)生壓縮變形的公式如下:

其中，s為最終沉降量，mm;Δp為降水引起的附加應力，MPa;H為壓縮層厚度，mm，本計算中均取到設計水位;Es為土體壓縮模量，MPa;e0為孔隙比;as為壓縮系數(shù)，MPa－1。

6 在設計中針對以上問題所采取的措施

針對高層辦公樓、東二環(huán)立交橋、多層辦公樓與基坑距離太近的特點采用以下幾點措施:第一，圍護結構的第一支撐采用混凝土支撐，混凝土截面大，抗壓剛度大，因此水平向的水平位移小，可減小建筑物的地面沉降。第二，在建筑與基坑最近處增加圍護樁直徑，以減小圍護樁的變形，可減小建筑物的地面沉降。第三，提前設置回灌井如建筑物的沉降超過報警值，及時回灌阻止建筑物沉降。第四，本站采用動態(tài)施工法，如沉降值過大可采用注漿加固措施。第五，由于有10 m多深的飽和軟黃土，為了防止塌孔和縮孔，可采用套管或者泥漿護壁。

7 結語

圍護結構的設計方案依賴于地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、施工工藝、經(jīng)濟條件。因此不同地域的圍護結構設計方案完全照搬恐是行不通的，應具體問題具體分析。由于水平有限，本文難免有錯誤和不足之處，懇請專家和讀者批評指正。

［1］顧曉魯，錢鴻縉，劉惠刪，等.地基與基礎［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.