地鐵十字形基坑設計

程 捷，梁 健

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院，山西太原030013)

地鐵車站考慮城市布局和居民出行的便利，常設置于交通量大、人口密集、經(jīng)濟繁華的地區(qū)。隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，車站周邊環(huán)境及條件日趨復雜，為確保建設期間車站周邊建筑物及場地的安全，保障周邊市民正常出行，所需解決的問題日益復雜嚴峻。為此，本文結合深圳地鐵三期工程7、9號線紅嶺北站基坑設計過程中遇到的特殊情況，闡述地鐵十字形換乘站基坑的設計過程和風險源及針對措施，并為后續(xù)相關設計提供參考。

1 項目背景及工程概況

1.1 車站布置

紅嶺北站是深圳地鐵三期工程7號線與9號線換乘站，設于紅嶺北路與八卦三路、梅園路十字路口處。7號線車站全長168.4 m，覆土約為3.1 m，為三層雙柱三跨矩形框架結構，標準段外包尺寸為21.9 m(寬)×20.04 m(高)。9號線車站全長359.2 m，覆土約為3 m，為二層雙柱三跨矩形框架結構，標準段外包尺寸為29.4 m(寬)×13.5 m(高)。7號線小里程設盾構始發(fā)井，大里程接暗挖區(qū)間；9號線小里程設盾構吊出井，大里程接園嶺站(圖1)。

圖1 車站總平面布置

1.2 地質(zhì)條件

紅嶺北站原始地貌為臺地及其間溝谷區(qū)，經(jīng)人工填挖整平，現(xiàn)地勢較平坦；地面被建筑物、道路覆蓋，原始地貌不復存在。車站范圍內(nèi)自上而下依次為素填土、粉質(zhì)粘土、圓礫、砂質(zhì)粘土、全風化巖、強風化巖、中風化巖、微風化巖。7號線部分下部巖層多為混合花崗巖，9號線部分下部巖層多為花崗巖。車站底板位于中、微風化巖層。地下水位埋深約3.5 m，主要賦存于砂層內(nèi)。地下水類型主要有松散巖類孔隙水和基巖(構造)裂隙水。

1.3 周邊環(huán)境

車站基坑周邊建筑物密集且距離較近，影響范圍內(nèi)主要建筑物有超凡筍崗家居廣場、深圳市地稅局大廈、深圳友誼醫(yī)院、外運監(jiān)管倉庫、深圳市廣信倉庫公司。其中距離地鐵車站基坑最近的建筑物超凡筍崗家居廣場為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結構，基礎為淺基礎；建筑物外墻距離基坑最近距離僅為2.7 m，此處基坑深度約為22.5 m。

2 基坑設計

2.1 十字形基坑開挖工序

紅嶺北站為同期建設的換乘站，十字形基坑面積約為1.3×104m2。綜合紅嶺北站所在場地的地質(zhì)水文條件和周邊站址環(huán)境，本站采用明挖順筑法施工，。由于車站基坑范圍很大，考慮施工風險和施工工期，設計中采用分倉開挖的工序將十字形基坑分為3個基坑開挖(圖2)。

圖2 主體圍護結構及支撐平面布置

車站7號線部分為3層站，小里程有盾構始發(fā)井。考慮盾構始發(fā)要求，7號線部分和十字形基坑節(jié)點作為一期基坑開挖。車站9號線部分為2層站，除車站節(jié)點處將9號線部分劃分為兩個基坑作為一期基坑開挖。考慮施工工期，兩期基坑可同期開挖，在9號線部分靠近節(jié)點處留土30 m，從兩側向節(jié)點依次開挖。

2.2 基坑降水形式的選擇

基坑周邊建筑物密集且位于市區(qū)繁華地段，基坑外地面沉降應嚴格控制。基坑范圍內(nèi)巖面較高均在基坑底部附近。基坑采用內(nèi)降水方案，止水采用落底式止水帷幕，可減少基坑外側由于降水引起的水土流失，進而控制由于失水引起的地面沉降。

2.3 基坑圍護設計

車站基坑范圍內(nèi)巖面較高但起伏不大，中風化巖層巖面在7號線部分為中板和底板之間，9號線部分在車站底板附近。車站基坑位于繁華市區(qū)，考慮基坑安全性，基坑圍護均采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻。

車站9號線部分除換乘節(jié)點外分為兩個基坑，此基坑為兩層站基坑，基坑深度約為16.7 m。圍護采用0.8 m厚鋼筋混凝土地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系。由于中風化巖層在車站底板附近，圍護結構嵌固到車站底板下的中風化巖層中。

基坑標準段內(nèi)支撐為一道鋼筋混凝土支撐+兩道鋼管支撐。混凝土支撐斷面為800 mm×1 000 mm,鋼管支撐為φ600 mm，壁厚為16 mm的鋼管。經(jīng)過計算車站標準段寬度為29.8 m處第二道支撐軸力達2 860 kN，在基坑中部設一排臨時立柱和聯(lián)系梁以增加支撐剛度。

根據(jù)施工工序安排，9號線部分兩個基坑從兩側向節(jié)點開挖，這兩個基坑外籠闊較規(guī)整，與周邊建筑物距離較遠且建筑物基礎均為樁基礎，基坑無重大風險源。

車站7號線部分和十字形基坑節(jié)點設計為一個基坑，此基坑為三層站基坑，基坑深度約為23.1 m。圍護采用1 m厚鋼筋混凝土地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系。由于中風化巖層在車站地下二層中板和底板之間，圍護結構嵌固到底板下中風化巖層中。

基坑標準段支撐為一道鋼筋混凝土支撐+四道鋼管支撐。鋼筋混凝土支撐斷面為800 mm×1 000 mm,鋼管支撐為φ600 mm，壁厚為16 mm的鋼管。經(jīng)過計算車站標準段處第二、三和五道支撐軸力達3 055 kN、3 230 kN和3 575 kN，在基坑中部設一排臨時立柱以增加支撐剛度。

車站7號線部分基坑包括換乘節(jié)點，基坑北側離建筑物最近處距離僅有2.7 m。此基坑存在節(jié)點和鄰近建筑物兩個較大風險源，是十字形基坑設計的重點和難點。

2.4 基坑節(jié)點處結構設計

紅嶺北站節(jié)點部分為地下三層車站，此處基坑底埋深為23.1 m。地層自上而下依次為素填土、粉質(zhì)粘土、圓礫、礫質(zhì)粘土、全風化巖、強風化巖、中風化巖、微風化巖，中風化巖面在地下二層中板上2.5 m附近。基坑節(jié)點與7號線部分作為一個基坑一起開挖，為方便節(jié)點處與9號線主體接口施工方便，9號線部分兩側所設堵頭墻設在在車站內(nèi)墻外3.5 m處。

計算車站節(jié)點時，考慮9號線部分已經(jīng)同期開挖，節(jié)點兩側各留土30 m，堵頭墻外側9號線部分已經(jīng)降水至負2層；堵頭墻外側水位按實際情況計算，為地面下10 m。此處基坑深度為23.1 m，寬度為28.8 m，由于堵頭墻外側水位較低，堵頭墻采用0.8 m厚鋼筋混凝土地下連續(xù)墻。考慮施工方便，節(jié)點處支撐在基坑豎向位置與車站標準段一致，采用一道鋼筋混凝土支撐+四道鋼管支撐。由于節(jié)點處圍護外側水位為地面下10 m，內(nèi)支撐第二、三和五道支撐軸力為2 160 kN、2 600 kN和2 660 kN。節(jié)點處內(nèi)支撐軸力小于車站標準段支撐軸力，但基坑寬度為28.8 m，為增加鋼管支撐的剛度，在基坑中部設一排臨時立柱(圖3)。

2.5 基坑臨近建筑物保護

車站7號線部分北側基坑距超凡筍崗家居廣場外墻最近距離為2.7 m，基坑深度約為22.5 m。由于基坑距建筑物很近，基坑深度較深，是本次設計的另一個重大風險源(圖4)。

根據(jù)地質(zhì)報告，此處地層自上而下依次為填土層、粘土層、砂層、粘土層、全風化混合花崗巖、強風化混合花崗巖、中風化混合花崗巖、微風化混合花崗巖層。巖面約為地面下18 m，地下水穩(wěn)定水位埋深約3 m。

由于超凡筍崗家居廣場基礎為淺基礎，此處基坑受到較大的建筑物地面超載。超凡筍崗家居廣場為地上6層鋼筋混凝土框架結構，荷載按一層15 kN/m2取，地面超載為90 kN/m2。

根據(jù)規(guī)范及相關的技術要求，需要保證基坑外側土體沉降量小于20 mm。為達到目標，首先，對圍護結構型式及支撐類型進行比選，在此處選用整體性好的地下連續(xù)墻和支撐剛度較大的鋼筋混凝土支撐，以減小基坑變形；其次，優(yōu)化支撐豎向間距，在滿足基坑變形前提下，合理控制支撐軸力，經(jīng)計算分析設計采用三道鋼筋混凝土支撐+兩道鋼管支撐方案(圖5)。

圖3 紅嶺北站節(jié)點處圍護結構橫斷面

圖4 臨近建筑物示意

設計采用1 m厚鋼筋混凝土地連墻和內(nèi)支撐的支護形式。第一、二和三道支撐采用800 mm×1 000 mm的鋼筋混凝土支撐；第四和五道支撐采用φ600 mm、壁厚為16 mm的鋼管支撐。經(jīng)過計算建筑物保護處基坑的最大沉降量為20 mm，基坑的最大水平位移為16.42 mm(圖6、圖7)。

最后，需要制定建筑物地基加固方案。在基坑開挖前，沿建筑物結構外邊線施作兩排袖閥管注漿，間距1 500 mm×2 000 mm，梅花形布置，漿孔深度到強風化層頂面下1 m。

圖5 紅嶺北站建筑物保護處圍護結構橫斷面

圖6 基坑沉降計算

圖7 基坑位移計算

3 結論與建議

(1)對于大型的十字換乘站基坑，開挖工序需與工程籌劃綜合考慮，以降低施工風險為原則，一般先進行深基坑開挖。本車站基坑由于工期限制，需要考慮同期開挖，為降低施工難度及施工風險，保留車站節(jié)點處9號線部分兩側土各30 m，并對其進行降水處理。

(2)為保證圍護結構整體安全，基坑十字節(jié)點處需考慮一定的安全儲備，支護結構剛度應該適當放大。本設計節(jié)點處采用一道混凝土支撐+四道鋼支撐的方案。 (3)基坑開挖過程中，為確保周邊建筑物安全，需要設定絕對的水平位移控制值及沉降控制值作為支護結構計算時的參考標準。現(xiàn)行《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JG J120-2012)要求支護結構水平位移控制值、建筑物的沉降控制值應按不影響其正常使用的要求確定，并符合國家標準《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007-2011)中對地基變形允許值的規(guī)定。但由于基坑開挖而造成的建筑物的沉降是無法準確計算的，且地基規(guī)范規(guī)定的地基變形允許值是建筑物自身荷載所產(chǎn)生的變形允許值，外來因素產(chǎn)生的附加變形是否能夠參考地基規(guī)范限值有待商榷。故本次設計在考慮周邊建筑物荷載的前提下，以限制支護結構的最大水平位移及其后土體的最大沉降值進行設計。參考《深圳市深基坑支護技術規(guī)范》(SJG 05-2011)及相關技術要求，本次設計支護結構的最大水平位移值取30 mm，土體沉降限值取20 mm。

4 結束語

基坑設計過程中，需以計算分析為依據(jù)，以規(guī)范及相關技術要求為原則；但基坑周邊環(huán)境條件復雜多變，不同的環(huán)境對基坑變形的適應能力不同，設計人員需要酌情掌握計算限值尺度，通過加強設計過程中的構造措施，保障重點節(jié)點部位的安全儲備，并結合工程籌劃及周邊條件，合理確定施工工法、工序，降低基坑施工風險。

[1] JGJ 120-2012建筑基坑支護規(guī)程 [S]

[2] SJG 05-2011深圳市深基坑支護技術規(guī)范[S]

[3] 劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009

[4] 夏明耀，曾進倫.地下工程設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009