地鐵車站超大基坑設計與工程實踐

李為潔 熊 旺

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200000)

地鐵車站超大基坑設計與工程實踐

李為潔 熊 旺

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海 200000)

對地鐵車站設計中受到規劃的影響，與市政變電站合建成超大基坑設計進行了分析，從地質情況、周圍環境要求、工程功能、當地的常用施工工藝設計以及經濟技術條件方面進行了論述，提出了超大基坑方案采用地下墻和桁架支撐支護體系方法，達到了在工程實施中經濟合理性，保證了超大基坑安全實施；解決了桁架支撐體系的方案設計和分析理論計算與實際監測數據對比的問題。

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，地鐵基坑大量涌現，明挖順作法實施的地鐵車站基坑中，根據地質情況、周圍環境要求、工程功能、當地的常用施工工藝設計以及經濟技術條件綜合考慮選擇支護結構的類型，標準車站基坑沿長邊設置采用圍護結構+對撐支護形式。但地鐵建設中受制于規劃影響，本工程實例結合規劃范圍內地下變電站合建成超大基坑，論述了桁架支撐體系支護方案設計在深基坑工程中的應用，分析超大基坑桁架支撐體系的受力特性及其計算理論，并與實際監測數據對比，為類似工程的設計提供參考。

1 工程概述

皇崗口岸站位于深圳市福田區皇崗口岸范圍內，站位位于百合三路與同慶路路口。與皇崗口岸整體片區的變電站選址上存在沖突。經協調，達成合建的方案車站和地下變電站合建成一個超大基坑，地下3層框架結構，根據施工工期，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)(基坑范圍內包括車站及變電站)，二期施工車站標準段圍護結構54 m(長)×21.8 m(寬)×22.7 m(深)。

2 工程地質

本場地原始地貌為海沖積平原，基坑范圍內土層類型及物理力學設計參數建議值詳見表1。設計水位為地面下1 m。

表1 巖土物理力學設計參數建議值

3 支護體系方案

根據本基坑的基本條件并結合施工條件，支撐體系方案如下所述。

3.1 支撐方案比選

1)錨索方案。

采用錨索代替內支撐，適用于幾何尺寸較大的基坑。該方案優點是施工作業面大，工程造價低。其缺點是本站緊鄰繁忙的道路，錨索基坑變形較大，考慮遠期開發等多個關鍵因素，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，節點處設置臨時鋼立柱。該方案三個優點，其一，利用混凝土桁架支撐受壓的特點，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置施工棧橋板，便于施工作業，提高施工效率。

綜合考慮工程周邊環境、基坑面積及形狀、基坑開挖深度以及工期等因素，結合深圳地鐵基坑支護結構形式，本基坑采用“地下連續墻+桁架式內支撐”的支護形式。

3.2 桁架支撐剛度的計算方法

標準車站，支撐體系一般沿著長邊設置短邊方向上的水平對撐，支撐剛度如式(1)所示：

(1)

其中，λ為支撐不動點調整系數，取0.5；αR為支撐松弛系數，取1.0；ba為結構計算寬度；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為受壓支撐構件的長度。

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

(2)

根據圍護結構理正深基坑計算，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，計算結果如圖1,圖2所示，根據支撐軸力值確定支撐截面。

3.3 平面桁架支撐設計參數

經核算，圍檁支撐截面如表3所示。根據基坑面積和平面尺寸，以及施工棧橋板需求進行桁架支撐設計。本基坑采用兩個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，連接點處設臨時鋼格構柱。該支撐體系具有支撐剛度大、受力清楚的特點，控制基坑變形。支撐布置見圖3。

表3 圍檁支撐截面

mm

4 桁架支撐體系內桿件的受力分析

基坑開挖工程中采用動態信息化施工，對圍護結構位移、支撐軸力及周邊環境情況均進行了監測，圍護結構位移和支撐軸力監測點如圖3所示。

4.1 圍護結構位移

根據施工工況：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QX1,QX3,QX6,QX15為基坑四個方向圍護墻監測點，圍護墻位移監測如圖4所示，圍護墻最大位移為25.1 mm，基坑在可控變形范圍內。

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，選取第二、三道桁架支撐體系中若干根桿件進行對比分析。

如圖5所示，編號為ZL11根桿件軸力被低估，實測值比計算值偏大的范圍為23%。分析原因為施工過程中，棧橋板范圍有重型設備及大量堆土，造成所在區域監測數據偏大。

如圖5,圖6所示，第二、三道支撐監測數據分析:1)施工完第二道支撐，并沒有挖到第三道支撐底500 mm，及時架設第三道支撐，造成第二道支撐一直承受側向土壓力；底板及時回筑，同時降低了第三道支撐軸力實測值；2)第三道支撐位置，地質情況為砂層，側向土壓力系數較小，降低了第三道支撐軸力實測值。

綜上分析：1)監測數據從上往下，第一道支撐軸力計算值與實測值近似，第二道、第三道軸力計算值比實測值偏差較大，支撐道數越大計算值與實測值相差越來越大。分析主要原因是計算理論地層側壓力系數取值偏大，實際地層側壓力系數較小，地質顯示越往下地層性質越好，側壓力系數越小。2)每道支撐計算軸力和監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、個別基坑邊緣點軸力有突變。3)軸力實測值受周邊環境的影響，也會造成實測值有偏差。

監測結果表明，超大基坑施工過程中，基坑圍護結構體系安全可控，說明所采用的圍護方案的設計和施工是成功的。

5 結語

1)受規劃影響，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體系結構受力合理，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，會出現零桿的情況，零桿保證基坑的穩定與安全，有必要設置。

3)支撐軸力的計算值與實測值相比，部分數據近似接近，但是實際施工過程中地層時空效應，受周圍環境及施工過程影響，導致計算值與實測值有偏差。但是數據可以為將來超大基坑提供參考的依據。

4)基坑設計和施工過程說明，桁架支撐設計是合理的，保證了支護結構整體穩定和安全。

[1] 唐 虎，胡海清，徐向輝，等．環梁—桁架支撐體系在大型基坑工程中的應用[J].鐵道工程學報,2007(12):44-48.

[2] 黃炳德．雙圓環支撐體系在超大面積深基坑工程中的設計與工程實踐[J].建筑科學,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].地下空間與工程學報,2011,7(sup):1384-1389.

[4] 劉國彬，王衛東.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

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