杭州火車西站樞紐核心區(qū)基坑群設(shè)計(jì)施工基本原則分析

酈仲華，袁 靜，童 星*，張金紅，李 瑛，劉興旺

（1.杭州市交通投資集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310051；2.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006）

0 前 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加速，市區(qū)蔓延、土地匱乏、交通擁堵、環(huán)境惡化等問題日益凸顯，對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為解決這些問題，近年來以公共交通為導(dǎo)向的TOD（Transit-Oriented Development）模式正得到越來越多的嘗試。有別于傳統(tǒng)城市發(fā)展模式，TOD強(qiáng)調(diào)對(duì)土地的集約利用，通過規(guī)劃緊湊型社區(qū)，發(fā)揮基礎(chǔ)設(shè)施效力，提供多樣化交通和住房來控制城市的蔓延[1]。

杭州火車西站樞紐（以下簡(jiǎn)稱西站樞紐）是TOD模式下土地開發(fā)的代表性案例。相較于傳統(tǒng)地塊式地下空間，西站樞紐地下空間格局更為復(fù)雜。不同功能的緊密聯(lián)系以及共享空間的特點(diǎn)，對(duì)項(xiàng)目整體的建設(shè)時(shí)序、基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案、施工組織等均提出了較高要求，若仍按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工，則相應(yīng)的造價(jià)和工期將變得十分高昂和漫長(zhǎng)。為此，有必要針對(duì)西站樞紐地下空間的特點(diǎn)，提出相應(yīng)的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)理念和技術(shù)措施，從而提高效率，降低成本。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在大型交通樞紐建設(shè)技術(shù)方面已取得一些研究成果，對(duì)超深、超大、體形復(fù)雜的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，并在工程實(shí)踐中獲得了較好的應(yīng)用[2-6]。本文對(duì)杭州火車西站樞紐核心區(qū)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)施工的若干基本原則進(jìn)行了探討，旨在為本項(xiàng)目實(shí)施提供指導(dǎo)性意見，并為今后類似大型TOD地下空間基坑工程提供借鑒。

1 杭州西站工程概況

杭州火車西站樞紐位于杭州市余杭區(qū)，未來科技城核心片區(qū)北側(cè)（見圖1）。總用地面積約30萬m2，整體開發(fā)量地上約170萬m2，地下約45萬m2，其中站房總量約10萬m2，配套工程約40萬m2，綜合開發(fā)約120萬m2，建成后將成為長(zhǎng)三角一體化的重要聯(lián)系紐帶[7]。

圖1 杭州火車西站樞紐效果圖Fig.1 Design sketch of Hangzhou west railway station hub

西站樞紐整體設(shè)計(jì)以打造“站城一體”，城市未來生活的典范區(qū)為目標(biāo)。結(jié)合整體“云之城”的理念，將站房綜合體設(shè)計(jì)融入整體環(huán)境考慮，站房與城市綜合體多層次、多維度地建立聯(lián)系，打造站城高度融合的超級(jí)TOD。

1.1 核心區(qū)地下空間組成

西站樞紐核心區(qū)的地下空間主要包含：國(guó)鐵站房（主體站房、側(cè)式站房）與云門地下室、4條地鐵線（機(jī)場(chǎng)快線、3號(hào)線、K2、K3線）、南北綜合開發(fā)體地下室以及地下市政環(huán)路等部分。如圖2所示，各部分在平面上緊密相鄰，空間上穿插交疊、互聯(lián)互通。地下空間基坑總體呈矩形，面積約660 m×460 m，平面面積大；開挖深度約10～28 m，各部分開挖深度如表1所示。

表1 基坑開挖深度匯總表Table 1 Summary of foundation pit excavation depths

圖2 杭州火車西站樞紐核心區(qū)地下空間平面布局Fig.2 Layout of underground space of Hangzhou west railway station hub core area

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地地貌類型屬于濱海平原區(qū)-湖沼積平原亞區(qū)，地勢(shì)開闊較平坦，覆蓋層厚度相對(duì)較大，上部主要為沖湖積粉土、黏性土層，海積的淤泥質(zhì)土、黏性土層，中下部為洪沖積、坡洪積的粉質(zhì)黏土、粉砂、中砂及圓礫，下伏基巖為下白堊統(tǒng)朝川組泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖。基坑施工影響范圍內(nèi)的土層有：①1雜填土，①2素填土，①3淤泥質(zhì)填土，②2粉質(zhì)黏土，③2砂質(zhì)粉土，④1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，⑤1粉質(zhì)黏土，⑤2粉質(zhì)黏土夾粉土，⑥2粉質(zhì)黏土，⑦1粉質(zhì)黏土，⑦2粉質(zhì)黏土，⑦夾粉砂夾粉質(zhì)黏土，⑧2粉質(zhì)黏土，⑧3粉砂夾粉質(zhì)黏土，⑨2含砂粉質(zhì)黏土，?夾粉質(zhì)黏土，?2中砂，?4圓礫，?a-1全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，?a-2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，?a-3中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

其中，淺層④1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚度不均，層頂埋深0.2～5.5 m，厚度0.6～4.3 m，呈流塑狀；其下約20～30 m范圍內(nèi)為黏性土，滲透系數(shù)小，土質(zhì)較好；深坑坑底接近承壓含水層頂，土體滲透系數(shù)大，承壓水頭埋深約為2.45 m。

1.3 周邊環(huán)境

西站樞紐核心區(qū)場(chǎng)地北側(cè)、東側(cè)為河道，西側(cè)為良上線，南側(cè)為宣杭鐵路及八達(dá)物流庫房。東南角有兩層淺基礎(chǔ)磚混結(jié)構(gòu)，東北角河道北側(cè)有一村落。綜合開發(fā)體施工前南側(cè)宣杭鐵路將停運(yùn)，北側(cè)河道需遷改。

1.4 工期目標(biāo)

本項(xiàng)目總體工期目標(biāo)：機(jī)場(chǎng)快線、3號(hào)線和站房、站場(chǎng)在 2022年亞運(yùn)會(huì)前建成運(yùn)營(yíng)，總工期僅約3.5年。此外，綜合開發(fā)體（南、北）目標(biāo)完成至地面層，云門結(jié)構(gòu)及外立面完成。工期壓力大，對(duì)設(shè)計(jì)、施工要求高。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)思路分析

由于開發(fā)項(xiàng)目數(shù)量眾多、體量龐大、深淺不一、平面距離相近、施工工期交疊，不可避免存在相鄰基坑先后施工、交叉流水作業(yè)的工況，因此在前期籌劃過程中，相關(guān)設(shè)計(jì)咨詢單位針對(duì)西站樞紐地下空間的上述特點(diǎn)，就以下幾個(gè)方面對(duì)核心區(qū)基坑支護(hù)方案的設(shè)計(jì)思路和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了比較分析。

2.1 考慮開挖深度與建設(shè)工期的平面區(qū)塊劃分

西站樞紐核心區(qū)地下空間平面總體可分為3大區(qū)塊：A區(qū)，挖深10～17 m；B區(qū)，挖深＞20 m；C區(qū)，挖深＞20 m。在此基礎(chǔ)上，考慮到整體基坑由多個(gè)不同功能、不同挖深、不同開工時(shí)間、不同工期要求的子項(xiàng)組成，又將其進(jìn)一步細(xì)分為9個(gè)區(qū)塊，如圖3所示。其中：

圖3 基坑細(xì)化分區(qū)示意圖Fig.3 Detailed zoning of foundation pit

（1）A-1區(qū)為計(jì)劃運(yùn)營(yíng)地鐵（3號(hào)線與機(jī)場(chǎng)快線）與國(guó)鐵站房交疊區(qū)域，是影響總體工期的關(guān)鍵部位，需最先進(jìn)行土方開挖作業(yè)。

（2）A-1區(qū)、B-1區(qū)及C-1區(qū)為3號(hào)線與機(jī)場(chǎng)快線地鐵車站范圍，需盡快完成施工并投入運(yùn)營(yíng)。

（3）A-1區(qū)、A-2區(qū)為國(guó)鐵站房范圍，可在A-1區(qū)施工至?10 m標(biāo)高時(shí)同步進(jìn)行施工，有利于整體施工部署以及材料設(shè)備的全場(chǎng)周轉(zhuǎn)。

（4）B-2區(qū)、B-3區(qū)、C-2區(qū)、C-3區(qū)為綜合開發(fā)體地下空間以及遠(yuǎn)期K2線、K3線標(biāo)準(zhǔn)段。其中綜合開發(fā)體目標(biāo)要求為完成至地面層，而K2線、K3線則僅需完成土建部分。

（5）為避免影響地下環(huán)路和地面道路施工進(jìn)度，端頭井可與鄰近基坑整體合并同步施工或先期施工。

2.2 考慮整體設(shè)計(jì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式

西站樞紐核心區(qū)地下空間由多個(gè)子項(xiàng)組成，同時(shí)按照工期要求完成施工。若按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路對(duì)地鐵、國(guó)鐵、綜合開發(fā)體、地下環(huán)路等分別進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)、各自施工，則會(huì)帶來圍護(hù)樁基工程量大、工期長(zhǎng)、相鄰基坑相互影響、場(chǎng)地周轉(zhuǎn)困難等諸多問題，尤其是工期不滿足目標(biāo)要求。為縮短工期、節(jié)約工程造價(jià)、適應(yīng)復(fù)雜土質(zhì)條件和周邊環(huán)境的目標(biāo)，可將西站樞紐核心區(qū)地下空間作為整體進(jìn)行設(shè)計(jì)。

按照基坑開挖深度不同，可分為淺基坑（挖深10 m范圍）和深基坑（挖深≥17 m范圍），同時(shí)考慮到淺基坑位于深基坑兩側(cè)的有利條件，可將淺基坑和深基坑坑邊整體卸土10 m，剩余工字型深基坑范圍進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，如圖4所示。在滿足周邊環(huán)境要求的前提下，在“工字型”深基坑（挖深≥17 m）范圍內(nèi)進(jìn)行基坑整體設(shè)計(jì)，選擇合理圍護(hù)措施，加快施工進(jìn)度，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

圖4 整體設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面示意圖Fig.4 Schematic plan of overall designed enclosure structure

整體卸土10 m的優(yōu)勢(shì)在于：（1）可結(jié)合場(chǎng)地平整工作，在圖紙尚不完備的條件下先放坡開挖，后施工樁基，有利于加快工期進(jìn)度；（2）整體卸土后深基坑的開挖深度減小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及支撐道數(shù)也能進(jìn)一步優(yōu)化，由此可大大降低圍護(hù)工程造價(jià)，同時(shí)加快施工速度，減少深基坑開挖的施工時(shí)間；（3）可以協(xié)調(diào)A區(qū)和B區(qū)因開工時(shí)間不同帶來圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)邊土壓力不平衡、不協(xié)調(diào)的問題。

此外，卸土的同時(shí)還可結(jié)合地下環(huán)路及管廊等建設(shè)，如圖5所示。一方面，可將放坡平臺(tái)擴(kuò)大，有利于增強(qiáng)基坑穩(wěn)定性；另一方面，可簡(jiǎn)化環(huán)路或管廊的圍護(hù)形式，降低圍護(hù)造價(jià)和土方回填成本，符合節(jié)能環(huán)保的理念。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部放坡開挖結(jié)合地下環(huán)路設(shè)置Fig.5 Step-slope excavation above the top of envelope structure combined with the underground ring road installation

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和周邊環(huán)境，采用整體卸土10 m方案時(shí)，仍存在一些限制條件，但均可通過技術(shù)措施予以解決，例如：

（1）周邊場(chǎng)地遇條件限制（如宣杭鐵路廢除晚、較近民居拆遷困難等）時(shí)，該處可考慮采用懸臂式排樁、土釘墻或復(fù)合土釘墻等圍護(hù)方案。

（2）大放坡范圍淺層存在④1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層（北側(cè)該層較薄或幾乎沒有，南側(cè)約2～3 m厚，埋深約1～2 m），根據(jù)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層分布，淺層放坡剖面可考慮放緩坡、土釘墻或復(fù)合土釘墻，水泥攪拌樁加固等圍護(hù)方案。

2.3 考慮施工自由度的冗余措施

由于西站樞紐核心區(qū)地下空間各子項(xiàng)的挖深不同、開工日期不同、建設(shè)主體不同，工程存在諸多天然界面，因此在整體設(shè)計(jì)的前提下，必須兼顧不同子項(xiàng)的圍護(hù)界面，采取圍護(hù)結(jié)構(gòu)冗余技術(shù)措施（如圖6所示）。具體包括以下幾方面：

圖6 內(nèi)部界面設(shè)置冗余措施Fig.6 Redundancy measures for internal interface

（1）A-1區(qū)與B-1區(qū)、C-1區(qū)界面：在先行實(shí)施區(qū)工期緊張的前提下，通過A-1區(qū)與B-1區(qū)、C-1區(qū)間設(shè)置冗余措施，從而達(dá)到A-1區(qū)先行實(shí)施的條件，可滿足A-1區(qū)基坑及主體結(jié)構(gòu)優(yōu)先完成的目標(biāo)。

（2）B-1區(qū)與B-2區(qū)、B-3區(qū)間（C-1區(qū)與C-2區(qū)、C-3區(qū)間）界面：機(jī)場(chǎng)線、3號(hào)線工期要求較綜合開發(fā)體、K2線、K3線更為緊張，為優(yōu)先滿足B-1區(qū)（C-1區(qū)）基坑和主體結(jié)構(gòu)施工，可根據(jù)需要在此界面設(shè)置一定的冗余措施。

（3）B-1區(qū)（C-1區(qū)）內(nèi)部界面：由于站房部分結(jié)構(gòu)柱落在側(cè)式站房及云門基坑范圍內(nèi)，其施工進(jìn)度直接影響站房工期。因此可在機(jī)場(chǎng)線、3號(hào)線南北段與側(cè)式站房（或云門）間設(shè)置冗余措施以滿足整體工期安排。

（4）端頭井與鄰近工程界面：端頭井可根據(jù)需要先于鄰近工程實(shí)施（設(shè)置冗余措施），從而達(dá)到接收條件。

冗余措施的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)分區(qū)設(shè)計(jì)、施工，減小施工交叉和施工干擾的目標(biāo)。在整體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在基坑內(nèi)部界面適當(dāng)設(shè)置冗余措施（包括冗余圍護(hù)墻和冗余支撐體系），有利于標(biāo)段劃分和施工流水作業(yè)，可確保關(guān)鍵工程的關(guān)鍵時(shí)點(diǎn)滿足要求，從而增加施工自由度。

2.4 考慮整體性與經(jīng)濟(jì)性的止水帷幕設(shè)置

根據(jù)地勘資料，本項(xiàng)目承壓含水層頂板埋深約30 m，承壓水頭埋深約2.45 m，試算可得承壓水頭平衡臨界深度約13.6 m，而“工字型”范圍基坑開挖深度≥17 m，因此存在承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)，需考慮設(shè)置止水帷幕并結(jié)合降水措施。

在整體設(shè)計(jì)思路下，止水帷幕可結(jié)合“工字型”圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，同步實(shí)施（見圖 7a），但“工字形”止水帷幕形狀不規(guī)則、施工工期較長(zhǎng)、造價(jià)較高。若采用“矩形”止水帷幕，則平面規(guī)整、止水效果好、施工方便，其中A區(qū)東西側(cè)無受力要求，可僅設(shè)置單一止水帷幕，從而大大減小止水帷幕的工程量、縮短工期、降低工程造價(jià)（見圖7b）。

圖7 不同形式止水帷幕平面布置比較Fig.7 Comparison of layout of different types of waterproof curtain

采用整體止水帷幕前提，要求在A-1區(qū)及其他先行施工區(qū)域開挖至臨界深度 13.6 m前能夠?qū)崿F(xiàn)平面上止水帷幕封閉。鑒于本項(xiàng)目工期緊張，在“矩形”止水帷幕封閉存在不確定性的情況下，也可考慮在先行實(shí)施區(qū)增加冗余止水帷幕，確保工期滿足要求。

3 結(jié) 論

杭州火車西站樞紐核心區(qū)基坑具有平面尺寸大、開挖深度深、包含子項(xiàng)多、地質(zhì)條件復(fù)雜、工期緊等特點(diǎn)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，本文就基坑圍護(hù)平面分區(qū)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)與止水帷幕布置形式以及相關(guān)冗余措施等方面進(jìn)行了探討，得出大型 TOD地下空間基坑支護(hù)設(shè)計(jì)施工中可遵循的一些基本原則：

（1）合理分區(qū)，找出影響總體工期的關(guān)鍵部分先行實(shí)施，并根據(jù)功能要求、開挖深度、工期要求等規(guī)劃先后分區(qū)施工。

（2）盡量采取整體設(shè)計(jì)，將外部界面轉(zhuǎn)化為內(nèi)部界面，將多個(gè)獨(dú)立基坑轉(zhuǎn)化為一個(gè)或幾個(gè)包含局部深坑的大基坑。

（3）充分利用地下空間自身的高差特點(diǎn)，減少深基坑開挖深度，簡(jiǎn)化、優(yōu)化支護(hù)形式，從而降低圍護(hù)造價(jià)，縮短工期。

（4）條件充分時(shí)，止水帷幕可沿基坑群外包絡(luò)線布置，并且盡量截彎取直。

（5）當(dāng)相鄰子項(xiàng)或相關(guān)工序難以銜接時(shí)，可適當(dāng)增設(shè)冗余措施（圍護(hù)、支撐、止水帷幕等），增加施工自由度和靈活性，確保關(guān)鍵工程的工期目標(biāo)能夠順利完成。