地鐵車站超大基坑設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐

李為潔 熊 旺

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海 200000)

地鐵車站超大基坑設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐

李為潔 熊 旺

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海 200000)

對地鐵車站設(shè)計(jì)中受到規(guī)劃的影響，與市政變電站合建成超大基坑設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，從地質(zhì)情況、周圍環(huán)境要求、工程功能、當(dāng)?shù)氐某Ｓ檬┕すに囋O(shè)計(jì)以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件方面進(jìn)行了論述，提出了超大基坑方案采用地下墻和桁架支撐支護(hù)體系方法，達(dá)到了在工程實(shí)施中經(jīng)濟(jì)合理性，保證了超大基坑安全實(shí)施；解決了桁架支撐體系的方案設(shè)計(jì)和分析理論計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比的問題。

地鐵車站，超大基坑，桁架支撐體系，等效剛度

0 引言

隨著城市軌道交通的建設(shè)，地鐵基坑大量涌現(xiàn)，明挖順作法實(shí)施的地鐵車站基坑中，根據(jù)地質(zhì)情況、周圍環(huán)境要求、工程功能、當(dāng)?shù)氐某Ｓ檬┕すに囋O(shè)計(jì)以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件綜合考慮選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型，標(biāo)準(zhǔn)車站基坑沿長邊設(shè)置采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)+對撐支護(hù)形式。但地鐵建設(shè)中受制于規(guī)劃影響，本工程實(shí)例結(jié)合規(guī)劃范圍內(nèi)地下變電站合建成超大基坑，論述了桁架支撐體系支護(hù)方案設(shè)計(jì)在深基坑工程中的應(yīng)用，分析超大基坑桁架支撐體系的受力特性及其計(jì)算理論，并與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，為類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概述

皇崗口岸站位于深圳市福田區(qū)皇崗口岸范圍內(nèi)，站位位于百合三路與同慶路路口。與皇崗口岸整體片區(qū)的變電站選址上存在沖突。經(jīng)協(xié)調(diào)，達(dá)成合建的方案車站和地下變電站合建成一個(gè)超大基坑，地下3層框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)施工工期，基坑分為兩期開挖施工，一期施工超大基坑108 m(長)×62 m(寬)×22.7 m(深)(基坑范圍內(nèi)包括車站及變電站)，二期施工車站標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)54 m(長)×21.8 m(寬)×22.7 m(深)。

2 工程地質(zhì)

本場地原始地貌為海沖積平原，基坑范圍內(nèi)土層類型及物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)建議值詳見表1。設(shè)計(jì)水位為地面下1 m。

表1 巖土物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)建議值

3 支護(hù)體系方案

根據(jù)本基坑的基本條件并結(jié)合施工條件，支撐體系方案如下所述。

3.1 支撐方案比選

1)錨索方案。

采用錨索代替內(nèi)支撐，適用于幾何尺寸較大的基坑。該方案優(yōu)點(diǎn)是施工作業(yè)面大，工程造價(jià)低。其缺點(diǎn)是本站緊鄰繁忙的道路，錨索基坑變形較大，考慮遠(yuǎn)期開發(fā)等多個(gè)關(guān)鍵因素，故不予采用。

2)桁架支撐方案。

采用圍檁和對撐為骨架的混凝土桁架支撐體系，節(jié)點(diǎn)處設(shè)置臨時(shí)鋼立柱。該方案三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其一，利用混凝土桁架支撐受壓的特點(diǎn)，平衡基坑各方向傳遞的土壓力，使支撐體系受力合理；其二，圍檁支撐剛度大，可有效控制基坑變形及安全；其三，混凝土支撐上方可設(shè)置施工棧橋板，便于施工作業(yè)，提高施工效率。

綜合考慮工程周邊環(huán)境、基坑面積及形狀、基坑開挖深度以及工期等因素，結(jié)合深圳地鐵基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，本基坑采用“地下連續(xù)墻+桁架式內(nèi)支撐”的支護(hù)形式。

3.2 桁架支撐剛度的計(jì)算方法

標(biāo)準(zhǔn)車站，支撐體系一般沿著長邊設(shè)置短邊方向上的水平對撐，支撐剛度如式(1)所示：

(1)

其中，λ為支撐不動點(diǎn)調(diào)整系數(shù)，取0.5；αR為支撐松弛系數(shù)，取1.0；ba為結(jié)構(gòu)計(jì)算寬度；E為支撐材料的彈性模量；A為支撐的截面面積；S為水平對撐間距；l0為受壓支撐構(gòu)件的長度。

但桁架支撐體系，通常所采取有限元數(shù)值計(jì)算的方法，采用圍檁支撐體系組成的平面桁架體系，在圍檁外側(cè)施加P=100 kN的單位力，根據(jù)平面桁架的變形δ的倒數(shù)求解圍檁支撐體系的剛度，計(jì)算如式(2)所示：

(2)

根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)理正深基坑計(jì)算，三道圍檁支撐體系受力情況，如表2所示。

表2 圍檁支撐均布力表 kN/m

所受均布力施加圍檁支撐體系上，計(jì)算結(jié)果如圖1,圖2所示，根據(jù)支撐軸力值確定支撐截面。

3.3 平面桁架支撐設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)核算，圍檁支撐截面如表3所示。根據(jù)基坑面積和平面尺寸，以及施工棧橋板需求進(jìn)行桁架支撐設(shè)計(jì)。本基坑采用兩個(gè)方向相互正交的對撐布置形式，角部采用斜撐布置，對撐、斜撐與圍檁之間采用連桿相連，連接點(diǎn)處設(shè)臨時(shí)鋼格構(gòu)柱。該支撐體系具有支撐剛度大、受力清楚的特點(diǎn)，控制基坑變形。支撐布置見圖3。

表3 圍檁支撐截面

mm

4 桁架支撐體系內(nèi)桿件的受力分析

基坑開挖工程中采用動態(tài)信息化施工，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、支撐軸力及周邊環(huán)境情況均進(jìn)行了監(jiān)測，圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移和支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)如圖3所示。

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移

根據(jù)施工工況：工況1：地下墻施工完成；工況2：開挖第一層土；工況3：第一道支撐施工完成；工況4：開挖第二層土；工況5：第二道支撐施工完成；工況6：開挖第三層土；工況7：第三道支撐施工完成；工況8：基坑開挖到底；工況9：施工底板完成；工況10：拆除第三道支撐；工況11：施工中板完成；工況12：拆除第二道支撐；工況13：施工頂板完成。選取工況2～工況10，其中測點(diǎn)QX1,QX3,QX6,QX15為基坑四個(gè)方向圍護(hù)墻監(jiān)測點(diǎn)，圍護(hù)墻位移監(jiān)測如圖4所示，圍護(hù)墻最大位移為25.1 mm，基坑在可控變形范圍內(nèi)。

4.2 支撐軸力受力分析

基坑地下墻剛度和支撐體系的剛度相當(dāng)，選取第二、三道桁架支撐體系中若干根桿件進(jìn)行對比分析。

如圖5所示，編號為ZL11根桿件軸力被低估，實(shí)測值比計(jì)算值偏大的范圍為23%。分析原因?yàn)槭┕み^程中，棧橋板范圍有重型設(shè)備及大量堆土，造成所在區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)偏大。

如圖5,圖6所示，第二、三道支撐監(jiān)測數(shù)據(jù)分析:1)施工完第二道支撐，并沒有挖到第三道支撐底500 mm，及時(shí)架設(shè)第三道支撐，造成第二道支撐一直承受側(cè)向土壓力；底板及時(shí)回筑，同時(shí)降低了第三道支撐軸力實(shí)測值；2)第三道支撐位置，地質(zhì)情況為砂層，側(cè)向土壓力系數(shù)較小，降低了第三道支撐軸力實(shí)測值。

綜上分析：1)監(jiān)測數(shù)據(jù)從上往下，第一道支撐軸力計(jì)算值與實(shí)測值近似，第二道、第三道軸力計(jì)算值比實(shí)測值偏差較大，支撐道數(shù)越大計(jì)算值與實(shí)測值相差越來越大。分析主要原因是計(jì)算理論地層側(cè)壓力系數(shù)取值偏大，實(shí)際地層側(cè)壓力系數(shù)較小，地質(zhì)顯示越往下地層性質(zhì)越好，側(cè)壓力系數(shù)越小。2)每道支撐計(jì)算軸力和監(jiān)測軸力比率基本一致，但越靠近上部支撐，受地面超載影響以及坑外水位變化的影響、個(gè)別基坑邊緣點(diǎn)軸力有突變。3)軸力實(shí)測值受周邊環(huán)境的影響，也會造成實(shí)測值有偏差。

監(jiān)測結(jié)果表明，超大基坑施工過程中，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系安全可控，說明所采用的圍護(hù)方案的設(shè)計(jì)和施工是成功的。

5 結(jié)語

1)受規(guī)劃影響，地鐵車站與市政變電站合建成超大基坑，采用桁架支撐的支護(hù)體系結(jié)構(gòu)受力合理，桁架支撐體系適用于平面尺寸長寬尺寸接近、四周地層相近、抗力接近的基坑。

2)在桁架支撐中，會出現(xiàn)零桿的情況，零桿保證基坑的穩(wěn)定與安全，有必要設(shè)置。

3)支撐軸力的計(jì)算值與實(shí)測值相比，部分?jǐn)?shù)據(jù)近似接近，但是實(shí)際施工過程中地層時(shí)空效應(yīng)，受周圍環(huán)境及施工過程影響，導(dǎo)致計(jì)算值與實(shí)測值有偏差。但是數(shù)據(jù)可以為將來超大基坑提供參考的依據(jù)。

4)基坑設(shè)計(jì)和施工過程說明，桁架支撐設(shè)計(jì)是合理的，保證了支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和安全。

[1] 唐 虎，胡海清，徐向輝，等．環(huán)梁—桁架支撐體系在大型基坑工程中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2007(12):44-48.

[2] 黃炳德．雙圓環(huán)支撐體系在超大面積深基坑工程中的設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐[J].建筑科學(xué),2012,28(sup):329-333.

[3] 陳 燾，張茜珍，周順華，等．異形基坑支撐體系剛度及受力分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2011,7(sup):1384-1389.

[4] 劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工程出版社，2009:571-577.

Metro station giant foundation pit design and manuals of engineering

Li Weijie Xiong Wang

(ShanghaiTunnelEngineeringandRailTransitDesignandResearchInstitute,Shanghai200000,China)

The design of metro station is affected by planning, and the design of large foundation pit is analyzed with the municipal substation. The paper discusses the geological condition, the surrounding environment, the engineering function, the local common construction process design, in addition the economic and technical conditions. The method of the diaphragm wall and truss supporting system is proposed. It has achieved the economic rationality in the implementation of the project and ensured the safe implementation of the large foundation pit. The design and analysis of the truss support system solved the comparison between the theoretical calculation and the actual monitoring data.

metro station, giant foundation pit, truss support system, equivalent stiffness

1009-6825(2017)20-0070-03

2017-05-06

李為潔(1982- )，女，工程師

TU463

A