武漢地鐵車站深基坑支護結構選型研究

吳翔天， 丁烈勇， 周 誠， 余群舟

(1．西安科技大學 土木工程學院， 陜西 西安 710054；2．武漢光谷建設投資有限公司， 湖北 武漢 430074；3．華中科技大學 a．土木工程與力學學院； b．控制結構湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430074)

我國的城市軌道交通尤其是地鐵建設正處于高速發展期。迄今為止，全國已經擁有地鐵的城市是10個，共有19個城市57條地鐵線路同時在建。2015年前后，將建成89條地鐵線路、總里程2495 km，2010至2015年地鐵建設投資規劃總額將達11,568億元。由于地鐵工程建設風險高，周期長，規模大，地質水文環境復雜，加上管理失誤，地鐵工程施工安全事故呈明顯上升趨勢。地下工程發生事故的原因是多方面的，由于設計失誤導致的風險責任界定不清，而這些風險往往到施工時才反映出來[1～4]，因此，加強地鐵設計風險管理，特別是地鐵車站深基坑支護結構的選型設計，是確保地鐵車站深基坑施工安全的重要環節。

地鐵車站深基坑支護設計中首要的任務就是結合地質水文條件，周邊建筑物及地下管線等工程環境，選擇安全、經濟、合理的支護型式[5～9]，然后進行支護結構的力學計算分析，根據計算分析結果進行支護結構的詳細設計，包括圍護結構截面、配筋、支撐或錨桿尺寸、入土深度等的設計。同一個地鐵車站深基坑，若采用不同的支護型式，安全性能和綜合造價相差可能是巨大的。本文通過武漢地鐵二號線一期工程幾個典型的車站深基坑工程支護型式的分析，闡明地鐵車站深基坑支護型式選型的具體方法，供參考。

1 車站深基坑支護型式特點及選型

武漢地處江漢平原東部，地勢為東高西低，南高北低，中間被長江、漢江呈Y字形切割成三塊，即武漢三鎮。武漢地區的長江最高洪水位為29.73 m(吳淞高程系統)，最低枯水位8.87 m，水位升降幅度20.86 m。長江水與其兩岸承壓水有密切的水力聯系，互補關系明顯。武漢地區地貌形態主要有三種類型[5]，如圖1所示。

圖1 武漢長江階地分布

(1)剝蝕丘陵區：主要分布在武昌、漢陽地區，丘陵呈線狀或殘丘狀分布，如武昌的磨山、珞珈山、漢陽的扁擔山等，丘頂高為80～150 m，組成殘丘的地層為志留系與泥盆系的砂頁巖。

(2)剝蝕堆積垅崗區：主要分布在武昌、漢陽的平原湖區與殘丘之間，地形波狀起伏，垅崗與坳溝相間分布，高程為28～35 m(相當于長江Ⅲ級階地)。組成垅崗的地層主要為中、上更新統粘性土(老粘土)。地層地質大部分粘土、粉質粘土夾碎石，屬老粘土，遇水有可塑性、膨脹性的特征，失水干裂遇水膨脹，膨脹土中裂隙較發育，裂面光滑。裂隙中富水時可能導致基坑失穩。總體土質較好，圍護結構一般選用排樁支護。

(3)堆積平原區：分布于整個漢口市區及武昌、漢陽沿江一帶，主要為由長江、漢江沖洪積物構成的Ⅰ、Ⅱ級階地。Ⅰ級階地廣泛分布于長江、漢江兩岸地區，地面標高19～21 m。地層由全新統粘性土、砂性土及砂卵石層構成。 該區域土層結構除表層部分人工填土外，上部為粘性土，下部為砂土(含礫、卵石)，呈典型的二元結構，下伏基巖為志留系中統墳頭組泥巖。巖性以粉土、粉質粘土、粉砂互層、粉細砂、細砂為主。

由于該區域地下水含量豐富，孔隙承壓水為賦存于第四系全新統沖積粉質粘土、粉土、粉砂互層土及砂卵石層中承壓水，與長江、漢江具有水力聯系，其上覆粘性土層及下伏基巖為相對隔水頂、底板。為了防止地下水滲透進入基坑內，可能造成基坑圍護結構變形破壞，一般選用剛度大止水效果好的地連墻做圍護結構 ，為防止出現坑底涌水涌砂，在基坑開挖前應進行降水。

針對武漢地區復雜的地質水文條件，要合理選擇車站深基坑支護的型式，一方面要結合各種支護型式的特點， 另一方面要結合地質條件和周邊的環境和工程造價進行綜合考慮。 一般支護的型式的適用范圍和主要特點可簡單概括為[10～13]：

(1)放坡。放坡適用場地開闊，無變形控制要求，造價低。在武漢市郊區的幾個車站，如金銀潭、楊春湖車站均使用放坡支護型式。

(2)排樁支護。鋼筋混凝土排樁剛度大，抗彎能力強，變形較小，有利于保護周邊環境，且價格相對較低。鉆孔灌注樁不能做到相割或相切，因而不連續，實際應用中一般要加圍檁加強并做防水帷幕防水。在武昌剝蝕堆積垅崗區的地鐵車站深基坑大部分使用這種支護方式，如寶通禪寺站、光谷站、名都花園站等。

(3)地下連續墻。地下連續墻剛度大，止水效果好，是支護結構中最強的支護型式，適用于地質條件差和復雜、基坑深度大、周邊環境要求高的深基坑支護，但造價較高，施工要求專用設備。若能與地下結構結合使用，即施工后成為地下結構的一個組成部分則較為理想。在漢口長江Ⅰ級階地的地鐵車站深基坑基本使用這種支護方式。通常連續墻的厚度為600 mm、800 mm、1000 mm，也有厚達1500 mm的，但較少用，例如武漢地鐵越江隧道江南、江北風井基坑開挖深度分別為38 m和46 m，均采用1500 mm的地下連續墻。在武昌長江Ⅲ級地，環境復雜要求基坑開挖變形小的條件下，部分車站圍護結構也采用地連墻，如武昌的中南路車站，本車站地連墻設計成為車站永久結構的組成部分，做到了節約投資。

(4)支撐形式。支撐一般分為基坑內的支撐和基坑外的拉錨兩類。在城市繁華區域施工地鐵車站，由于受到場地限制及周邊環境的要求，一般采用基坑內支撐。內支撐常用的有鋼支撐、鋼筋混凝土支撐。鋼筋砼支撐剛度大，能夠做到先撐后挖，但拆除不方便，造價高；鋼支撐剛度相對小一些，但拆除方便，可預加軸力達到控制位移的目的，但一般施工中很難做到及時支撐。 武漢地鐵車站深基坑開挖中，結合地質及周邊環境特點采用不同組合形式的內支撐，在長江Ⅰ級階地一般用鋼筋混凝土支撐與鋼支撐相結合方式，如循禮門車站第一道采用鋼筋砼支撐，其他采用鋼管支撐；在長江Ⅲ級階地一般采用鋼支撐。

2 工程實例分析

2.1 長江Ⅰ級階地區地鐵車站深基坑支護

2.1.1積玉橋車站

積玉橋車站位置處于長江Ⅰ階地向Ⅱ級階地過渡地帶。主體結構基坑圍護結構采用復合地下連續墻結構，墻厚800 mm，中間設防水層。冠梁采用C30鋼筋砼，截面尺寸為800 mm×1400 mm，冠梁兼做壓頂梁。標準段、兩端頭井支撐只設置四道鋼管支撐，沒有用鋼筋混凝土支撐。車站主體結構底板位于淤泥質土層，厚約1.5 m，基底淤泥質土采用三軸和單軸攪拌樁進行裙邊和抽條加固，如圖2、圖3所示。車站標準段框架柱距一般為縱向8.0 m，沿縱向設梁。該設計方案是較合適的方案，地連墻剛性大，入土比較大，因此是較合理的方案。當然，對本工程，由于距離長江最近距離400 m，為防止出現基坑坑底突涌所使用的裙邊和抽條加固，一定程度上增加了工程造價。

圖2 積玉橋車站圍護結構斷面

圖3 積玉橋車站圍護結構平面

2.1.2江漢路車站

圖4 江漢路車站圍護結構斷面

江漢路車站位置處于長江Ⅰ階地，主體結構為矩形加三角外掛鋼筋混凝土框架結構，車站主體基坑深24.7 m，設地下四層。三角外掛部分基坑深14.5 m，基坑是武漢著名的百年商業老街——江漢路步行街與中山大道和花樓街合圍的繁華商業地段，人流密集。設計方案充分考慮到周邊環境復雜，且承壓水位高、開挖深度深的特點，基坑圍護結構采用地下連續墻結構，墻厚1000 mm，平均深度57 m，入巖5.5 m。標準段內支撐設置五道鋼筋混凝土支撐，第六道支撐采用鋼管支撐，中間設抗拔樁，如圖4所示。 該方案采用地下連續墻加砼支撐，剛度大，減少對基坑外土體擾動。基坑開挖前采用深井降水，將地下水降到開挖土體以下，確保開挖中基底不出現涌水涌砂。

2.2 長江Ⅰ級階地區地鐵車站深基坑連續墻落底的必要性分析

2.2.1循禮門車站

循禮門車站主體結構采用鋼筋混凝土箱型結構，圍護結構采用地連墻加內支撐，圍護結構與主體結構采用復合墻的連接方式。地下連續墻墻厚800 mm，平均深度52 m，入巖1.5 m。采用剛性的H型鋼接頭。圍護結構支撐設置5道支撐，其中第一道采用鋼筋混凝土支撐，2～5道設置鋼支撐，第四道采用雙拼設置。鋼支撐均采用直徑609 mm，壁厚16 mm的鋼管。為加強基坑的穩定，在5個大的拐角處，設300厚C30混凝土角撐，層數同支撐，上下與鋼支撐錯開。

該設計方案在實際施工中由于地連墻深度大于周邊輕軌樁深，引起輕軌下沉達18 mm，且設計考慮是坑內降水，因此地連墻落底入巖，但由于連續墻滲漏并未實現實際設計意圖，如圖5所示。原因在于落底式連續墻條件下的坑內降水易造成較大的水頭差壓力，使得地連墻接縫等薄弱位置的滲漏風險增加。

圖5 循禮門車站施工

2.2.2中山公園站

中山公園車站主體及附屬均為明挖法施工，車站主體基坑采用地下連續墻結合內支撐系統支護，地下連續墻墻寬800 mm，混凝土強度為C30。地下連續墻標準段深度為26.6～27.4 m，盾構井段為28.3～29.1 m，連續墻采用H型鋼接頭。基坑支撐采用φ609鋼管，由上至下標準段基礎坑設置3道支撐，盾構井段為4道，其中第3道支撐需要換撐。第1道支撐鋼管壁厚為12 mm，其余支撐壁厚均為16 mm。基坑標準段平均開挖深度為16.6 m，盾構井段17.6 m，其中局部加深廢水池挖深達到19 m，如圖6所示。

圖6 中山公園車站施工

該車站與循禮門車站地層結構和周邊環境及其類似，但在設計過程中正確認識了基坑降水和地連墻深度間的關系，即相信深井降水引起地面沉降不會造成周圍建(構)筑物及管線破壞。設計優化把落底式地連墻改為懸掛式地連墻，減少工程造價達5000萬元。實際工程監測數據表明，按優化后的設計方案，基坑施工引起高架橋沉降1～2 mm；距離基坑最近距離3.5 m的建于50年代條基建筑物廣電大廈沉降控制在30 mm以內，目前該車站主體結構已經封頂。因此，在基巖埋深大于40 m時，宜用懸掛式地連墻加深井降水，而基坑埋深在30 m左右且含水層為互層土時，可用落底式地連墻加坑內降水井疏干。

2.3 武昌剝蝕堆積垅崗區基坑支護

以螃蟹甲站為例，車站主體圍護采用φ=1000 mm鉆孔灌注樁，樁間距1300 mm，鉆孔灌注樁根數為371根，鉆孔長度為10938.3 m；標準段局部第一道支撐采用800 mm×800 mm鋼筋混凝土，其他采用φ609,t=16鋼管三道作為內支撐；鉆孔灌注樁之間采用φ600旋噴樁止水。

武昌剝蝕堆積垅崗區基坑支護一般采用排樁加內撐支護，但設計中應注意基巖埋深淺，開挖深度內出現上土下巖時，對上部土層(含全、強風化層)采用“吊腳樁”加內支撐支護，下部巖體視巖體結構狀況采用巖體護面或錨固技術，不應按土壓力理論計算，而應按巖體結構分析其穩定性。

3 結 論

本文結合武漢地區長江Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級階地的地質與水文特征，介紹了武漢地鐵位于不同階地的典型車站圍護結構選型方法及結果。以武漢地鐵二號線一期工程為例，中山公園車站基坑把落底式地下連續墻支護優化為懸掛式地下連續墻支護，節省造價達五千多萬元；而在有些地方，如存在淤泥軟土較厚而周邊建筑物又近的地方，當采用懸掛式地下連續墻時，又會造成深基坑施工安全問題，如金色雅苑車站。通過對武漢地區復雜地質環境條件下地鐵車站深基坑圍護結構選擇的分析，對地鐵車站深基坑支護型式的合理選擇可以得到相關的啟示：

(1)應根據地質條件，周邊環境的要求及不同支護型式的特點，造價等綜合確定。

(2)一定要牢固樹立宏觀地質分區特征的觀念，明確把握“地貌單元、地層時代、地層組合”三要素對深基坑圍護機構選型的控制作用。

(3)支撐的型式應結合地質、周邊環境、經濟性等要求進行有機組合，做到技術可行、經濟合理。

(4)武漢地區地鐵深基坑圍護結構應按照不同的階地分區進行選擇：處于長江Ⅰ、Ⅱ級階地地質區域的深基坑一般采用地連墻加鋼筋混凝土與鋼支撐組合的圍護結構體系；處于長江Ⅲ級階地的一般采用排樁加鋼支撐的圍護結構體系，當基坑不規則且場地條件允許下，可以選用排樁加拉錨體系。

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