建筑密集區(qū)半蓋挖車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型及分析

張剛

（中交一公局廈門(mén)工程有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

1 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展以及城市人口的不斷增多，很多城市的老城區(qū)修建了地鐵，以緩解老城區(qū)的交通壓力。但是老城區(qū)建筑物密集，地下障礙物多，場(chǎng)地十分狹小，可利用的有限空間問(wèn)題突出。在這種城市密集區(qū)對(duì)地鐵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型更為嚴(yán)格，既要承擔(dān)外圍土層壓力，又要控制基坑變形和周?chē)ㄖ锏某两?，保證周邊建構(gòu)（筑）物的安全。

在地鐵工程建設(shè)中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工是其中一個(gè)難點(diǎn)。在深大基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中主要有排樁和地下連續(xù)墻，內(nèi)支撐主要是鋼管支撐以及鋼架混凝土支撐；地下連續(xù)墻是利用成槽機(jī)械以及泥漿護(hù)壁在地下形成一字形、T字形或π形槽體，然后下放鋼筋籠，澆筑混凝土，從而形成一道具有防滲、擋土和承重功能且連續(xù)的地下墻體；排樁指通過(guò)旋挖鉆以及泥漿護(hù)壁+止水帷幕、或樁體咬合，下放鋼筋籠、澆筑混凝土后形成的一排或者雙排的擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)[1]。

2 工程概況

2.1 車(chē)站概況

廣州市某地鐵車(chē)站沿東川路南北向布置，既有1號(hào)線車(chē)站沿中山二路東西向布置，與1號(hào)線車(chē)站呈L形換乘。車(chē)站主體為地下4層雙跨島式車(chē)站，全長(zhǎng)170 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬24.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深27.35 m。因要保證市民的就醫(yī)與交通流量要求，基坑開(kāi)挖方案采用半蓋挖法。

2.2 周邊環(huán)境

車(chē)站位于老城區(qū)，道路狹窄，為16 m雙向4車(chē)道；周邊建筑物密集，兩側(cè)建筑物最小間距僅為36 m，與車(chē)站結(jié)構(gòu)最近建筑物僅1.8 m；車(chē)站北側(cè)為既有1號(hào)線區(qū)間，二者距離僅有8.5 m，在地鐵保護(hù)范圍內(nèi)，1號(hào)線出入口在車(chē)站主體范圍內(nèi)，施工時(shí)需要封閉拆除該出口；東側(cè)為人民醫(yī)院10～25層建筑物，為樁基礎(chǔ)并有2～3層地下室，距離車(chē)站3～5 m；西側(cè)主要為5～29層居民建筑物，高層多為樁基礎(chǔ)并有地下室，8層以下建筑物多為淺基礎(chǔ)；南側(cè)主要有2～7層建筑物，間距3～6 m，且多為淺基礎(chǔ)。兩側(cè)高層建筑基礎(chǔ)多為人工挖孔樁加錨桿支護(hù)，且錨桿侵入主體基坑范圍內(nèi)[2]。

車(chē)站范圍內(nèi)不僅建筑物密集，而且各種管線散布在車(chē)站兩側(cè)及車(chē)站結(jié)構(gòu)正上方。有100多條通信管線分布在車(chē)站范圍內(nèi)，DN800 mm排水管、DN219 mm燃?xì)夤堋N1200 mm排水、2000 mm×1500 mm雨水渠箱、十余條10 kV、3條110 kV電纜貫穿車(chē)站。

2.3 工程地質(zhì)、水文情況

車(chē)站為海陸交互相沉積地貌單元，地形較為平坦?；觽?cè)壁巖土層類(lèi)型較多，包括雜填土＜1-1＞、流塑狀淤泥質(zhì)土＜2-1B＞、中砂＜3-2＞、礫砂＜3-3＞、軟塑狀粉質(zhì)黏土＜4N-1＞、可塑狀粉質(zhì)黏土＜4N-2＞、硬塑～堅(jiān)硬狀粉質(zhì)黏土＜5N-2＞，以及全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粗砂巖、細(xì)砂巖＜6＞、強(qiáng)風(fēng)化粗砂巖＜7-1＞、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖＜7-3＞和中等風(fēng)化粗砂巖＜8-1＞、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖＜8-3＞、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖＜9-3＞。

3 基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車(chē)站基坑周邊建筑較為密集，且距離車(chē)站結(jié)構(gòu)較近。同時(shí)所處地質(zhì)較差，土體及巖層水較為豐富?；由疃容^深，為27.35 m。因此，內(nèi)支撐的承載力要求較高，豎向需要更多支撐。結(jié)合相關(guān)資料以及計(jì)算分析，基坑等級(jí)為一級(jí)，基坑重要性系數(shù)1.1，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移0.2%H（H為基坑深度，mm），且＜30 mm。擬設(shè)置5道支撐，其中1～4道支撐選擇鋼筋混凝土支撐，第5道支撐選擇φ609 mm鋼支撐。

第1道支撐截面1000 mm×1000 mm，間距6000 mm，冠梁截面1000 mm×1000 mm；第2～4道支撐截面700 mm×800 mm，間距6000 mm，混凝土腰梁截面800 mm×800 mm；第5道支撐采用φ609 mm，厚度t=16 mm鋼管撐，間距3000 mm。

支撐的剛度計(jì)算見(jiàn)式（1）：

式中，KT為支撐的實(shí)際剛度，MN/m；η為支撐的松弛系數(shù)，取1.0；Ez為支撐的彈性模量，MPa；Az為支撐的截面面積，cm2；Sa為支撐的計(jì)算寬度，取1 m；L為支撐的計(jì)算寬度，m；S為支撐水平間距，m；x為計(jì)算點(diǎn)至支撐點(diǎn)的距離，取0.5 m；Ls為支撐的計(jì)算長(zhǎng)度，m；θ為支撐與腰梁的夾角，對(duì)撐取90°，斜撐取45°；Ej為腰梁彈性模量，MPa；Ij為腰梁的慣性矩，cm4。

經(jīng)軟件計(jì)算得到支撐的實(shí)際剛度。第1道支撐KT1=2767.3 MN/m；第2道支撐KT2=1586 MN/m；第3道支撐KT2=1568 MN/m；第4道支撐KT4=1985 MN/m；第5道支撐KT5=554.2 MN/m。

支撐的材料抗力計(jì)算見(jiàn)式（2）：

式中，T為支撐的材料抗力，kN；ζ為與工程形式有關(guān)的調(diào)整系數(shù)，取1.00；ψ為與細(xì)長(zhǎng)比有關(guān)的調(diào)整系數(shù)；fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

代入式（2）得：第1道支撐T1=14222 kN；第2道支撐T2=6428 kN；第3道支撐T3=6428 kN；第4道支撐T4=8545 kN；第5道支撐T5=5617 kN。根據(jù)工程類(lèi)比、施工工序以及支撐的軸力計(jì)算可得支撐豎向間距，支撐豎向間距依次取5300 mm、5500 mm、5350 mm、5000 mm。

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型

由于車(chē)站周?chē)h(huán)境復(fù)雜，基坑深度較深，且對(duì)防水要求較高，因此，選擇對(duì)地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐方案和圍護(hù)樁+φ600 mm旋噴樁+內(nèi)支撐方案進(jìn)行比選。

4.1 地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐方案

地下連續(xù)墻厚1000 mm，嵌固深度微風(fēng)化巖層取1.5 m，中分化巖層取2.5 m，強(qiáng)風(fēng)化取4 m，平均槽段深度取28.95 m?；油獾孛娉d取用20 kPa，根據(jù)實(shí)際選取最不利孔位置MLZ3-LSLY-025，樓層高度為8層，取荷載為120 kPa，依據(jù)地下連續(xù)墻和車(chē)站相關(guān)參數(shù)及JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，采用理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)軟件F-SPW7.0，按彈性支點(diǎn)法和增量法計(jì)算。砂性土采用水土分算計(jì)算水土壓力，黏性土采用水土合算計(jì)算水土壓力。土的水平抗力系數(shù)按m法確定。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，地下連續(xù)墻的位移、彎矩、剪力如圖1所示，地下連續(xù)墻最大位移為：11.19 mm≤30 mm，且≤0.025%H，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；最大支撐軸力在第4道支撐處，為5248.55 kN；最大沉降量為14 mm，滿(mǎn)足JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》要求。

圖1 地下連續(xù)墻位移、彎矩、剪力圖

4.2 圍護(hù)樁+內(nèi)支撐方案

樁長(zhǎng)28.95 m鉆孔灌注樁+12 m樁間旋噴樁止水帷幕，鉆孔灌注樁直徑徑取1000 mm、間距1200 mm，旋噴樁直徑600 mm。選取與地連墻相同條件下進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)位移、彎矩、剪力如圖2所示，圍護(hù)樁最大位移為：15.00 mm≤30 mm，且≤0.025%H，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；最大支撐軸力在第4道支撐處，為5129.59 kN；最大沉降量為17 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

圖2 圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)位移、彎矩、剪力圖

4.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案比選

經(jīng)計(jì)算，地下連續(xù)墻和圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)都可以在本站實(shí)施，因此，在其他方面進(jìn)行方案比選。

4.3.1 受力性能

兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境、地層、外荷載以及內(nèi)支撐設(shè)置相同，因此，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度EI進(jìn)行比較，兩種結(jié)構(gòu)材料的彈性模量E相同，則只比較支護(hù)結(jié)構(gòu)的截面抗彎剛度I：圍護(hù)樁單元I樁=πD4/64（D為圍護(hù)樁直徑，m），地下連續(xù)墻支護(hù)單元I墻=bh3/12（b為地下連續(xù)墻厚度，m；h為截面高度，m）；經(jīng)過(guò)計(jì)算I樁=0.049 m4；I墻=0.0833 m4，而I墻＞I樁；因此，地下連續(xù)墻的抗彎剛度較圍護(hù)樁大。

4.3.2 對(duì)周邊環(huán)境的影響

由于本車(chē)站距離周?chē)ㄖ镙^近，且位于醫(yī)院附近，需要控制噪聲；同時(shí)在車(chē)站北端頭側(cè)8.5 m處有既有1號(hào)線區(qū)間，附近有大量居民樓房為天然基礎(chǔ)，因此，對(duì)施工產(chǎn)生的振動(dòng)需要控制。由于氣候環(huán)境和地質(zhì)、水文條件，地下水豐富，降水較多，所以，圍護(hù)結(jié)構(gòu)需要較好的止水防滲措施。圍護(hù)樁施工時(shí)，振動(dòng)大，噪聲難以控制；同時(shí)，防水措施采用φ600 mm旋噴樁，但增加止水帷幕措施，不僅增加了施工難度，也增加了對(duì)土體的擾動(dòng)次數(shù)。

而地下連續(xù)墻施工采用雙輪銑成槽，振動(dòng)小，降低了對(duì)附近建筑物、地鐵區(qū)間的影響；同時(shí)產(chǎn)生的噪聲可以控制，對(duì)居民、醫(yī)院病人的影響較??；地下連續(xù)墻接頭采用套銑接頭，該工藝成熟，已經(jīng)得到較好的止水效果，不易失效，工藝簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)的整體性較好。因此，在城市密集區(qū)以及地下水位較高的地質(zhì)情況下，地下連續(xù)墻更加適用[3]。

4.4 經(jīng)濟(jì)性比較

本工程方案研究階段，對(duì)地下連續(xù)墻及圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體工程費(fèi)用估算對(duì)比（見(jiàn)表1）。地下連續(xù)墻雖然總體造價(jià)較圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)造價(jià)高，但整體經(jīng)濟(jì)效益較為可觀。

表1 地下連續(xù)墻及圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)對(duì)比表萬(wàn)元

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)地下連續(xù)墻和排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、對(duì)環(huán)境的影響、成本、適用性進(jìn)行分析和計(jì)算，可以看出在城市建筑密集區(qū)地鐵基坑采用地下連續(xù)墻是不二的選擇。地下連續(xù)墻剛度較大、抗?jié)B性好、耐久性好、安全性高、經(jīng)濟(jì)性好，同時(shí)在建筑密集區(qū)施工時(shí)對(duì)周邊建筑物結(jié)構(gòu)和居民生活影響較小，機(jī)械化程度高，適用于各種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。通過(guò)合理規(guī)劃場(chǎng)地、控制施工參數(shù)等手段，地下連續(xù)墻會(huì)越來(lái)越適用于城市建筑密集區(qū)的基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。