黃土地區復雜異形地鐵深基坑支護設計分析

鐵富忠

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031）

1 工程概況

西安地鐵 6 號線二期工程鐘樓站為該工程中點站，與既有 2 號線換乘。既有 2 號線車站位于北大街道路下方，為西安城市中心南北線主干線，6 號線為東西向主干線，兩線交匯的鐘樓處屬于西安城市核心區域，同時也是西安地鐵線網東西—南北客流最重要的換乘交匯點之一。本車站周邊環境極為復雜，基坑距離周邊建筑物均較近，且文物較多，其中鐘樓、鐘樓郵局、新華書店均為文物建筑。鐘樓站主體結構側墻距離新華書店文物最小凈距約為 4.7 m，管線眾多（圖 1）。

車站所處地貌單元為黃土梁洼地貌區，淺部主要地層為第四紀全新統人工填土和上更新統風積、殘積層和洪積層，其地下水位埋藏較淺，詳細勘察期間（2016 年4 月—2016 年 5 月）測得穩定地下水水位埋深為 8～10 m，高程為 397.2～398.5 m，平均高程為 397.65 m。

圖 1 鐘樓站總平面圖

2 車站施工方法及降水方案選擇

2.1 施工方法選擇

地下車站的施工方法對結構型式的確定和土建工程的造價均有很大影響，選擇時主要依據場區工程地質和水文地質條件、環境條件、車站埋置深度及各種具體施工方法的適用條件等諸多因素來確定。施工方案的選擇不僅要滿足地鐵工程本身的使用功能，同時也要滿足合理開發利用地上、地下有效空間的要求，并考慮盡量減少施工給周圍環境帶來的影響。

目前，國內地下車站工程常用的施工方法有明挖法、蓋挖法和暗挖法，幾種方法各有優缺點。車站選用的施工方法從施工難度、工程質量、工程造價等方面綜合考慮，依次是明挖法、半蓋挖法、蓋挖法、暗挖法。明挖法施工方便、速度快，但是占地面積大，給交通導行帶來了極大困難。車站所處東大街現有道路寬度僅為 38 m，車站基坑占用東大街全部機動車道，故全明挖法無法實施。車站如果采用暗挖法，因周邊環境較為復雜，無法進行敞開式降水，僅能采用注漿止水措施，且由于暗挖斷面跨度大、覆土淺、周邊建筑多而密，施工的難度非常大，安全性極低。而半蓋挖法（明挖法 + 臨時鋪蓋或永久鋪蓋）克服了逆作法和全蓋挖法施工進度慢、質量較難控制的缺點，成本較蓋挖法低，故本車站推薦采用半蓋挖法進行施工。

2.2 降水方案選擇

地鐵明挖車站降水方案總體上可分為坑內降水和坑外降水。坑內降水是將降水點布置在基坑范圍以內，降水效率最高，且設置止水帷幕不會影響坑外水位的變化，有利于環境保護，適用于有相鄰建筑物或市政管線對沉降要求較高的情況。坑外降水是在基坑外側設置1 道或幾道降水井，利用降水漏斗原理，將水位降低到基坑開挖面以下 1～2 m。此方法比較經濟，且對施工的干擾小，西安地區大部分地鐵車站均采用這種方法，但此方案一般適用于對環境保護要求不高的基坑工程或降水引起沉降不大的區域。

鐘樓站工程實施影響范圍內的控制性建筑物距離車站均較近，且周邊文物較多，環境極為復雜，因此對基坑降水有嚴格要求。綜合上述 2 種降水方案，并結合鐘樓站周邊環境、管線、工程地質條件可知，為減小深基坑施工對基坑周邊環境的影響，本車站推薦采用坑內降水方案。

3 基坑圍護結構選型

3.1 圍護結構選型

鐘樓站較為異形，寬度約為 26.8～40.2 m，標準段基坑平均開挖深度約為 26.8 m，軌底風道段最大深度約為 30 m。根據 JGJ120-2012《建筑基坑支護技術規程》的有關規定，本站基坑安全等級屬于一級，一級基坑支護結構一般采用地下連續墻、人工挖孔樁、鉆孔灌注樁（旋挖成孔-旋挖樁）等。根據站址周圍環境、工程地質、水文地質等條件，本站基坑圍護結構可采用地下連續墻、鉆孔灌注樁法+止水帷幕 2 種方式。

泥漿護壁鉆孔灌注樁施工工藝較為成熟，適用于各種地層的深基坑施工，整體剛度較大。結合本車站周邊環境條件及降水方案，需在樁間施加止水措施，例如采用旋噴樁或攪拌樁進行止水。因本站深度較大，旋噴樁止水效果較難保證，而三軸攪拌樁占用場地較大，本車站圍護結構距離周邊房屋最小凈距僅約 3.7 m，在狹小場地條件下較難施工。

地下連續墻適用于各種地層的深基坑施工，機械化程度高，整體性及抗滲性優良，工程質量和可靠性有保證，止水效果較好，故圍護結構推薦采用連續墻施工。

3.2 鋪蓋形式選擇

本車站采用半蓋挖法進行施工，半蓋挖施工常用主要形式有：鋼格構立柱樁+半幅臨時便橋形式，或將永久結構頂板和承重柱作為橋系結構。本車站橋系結構需要按照荷載情況、模擬開挖、回筑和使用階段不同的受力狀況，經最不利的工況設計計算：如鋪蓋系統采用頂板作為永久鋪蓋，因車站覆土較厚，需加大臨時立柱樁的長度，導致投資較大；另外，頂板作為永久鋪蓋時，工序銜接較為繁瑣，防水較難處理。結合西安地區的經驗分析，本車站推薦采用臨時鋪蓋系統。

4 基坑圍護結構設計

4.1 圍護結構方案

綜合本車站周邊環境、工程地質條件、水文地質條件及深度等因素，車站主體圍護結構擬采用 1 000 mm 厚連續墻，地下連續墻兼作截水墻，一般地段（基坑深度約為 26.8 m）嵌固深度為 15 m，軌底風道段（局部基坑深度約為 30 m，采用放坡開挖）嵌固深度為 18 m，基坑豎向設 4 道支撐。其中，異形段均為混凝土支撐，第 1、第 2、第 3、第 4 道混凝土支撐尺寸分別為 700 mm×1 000 mm、700 mm×1 000 mm、800 mm×1 100 mm、800 mm×1 100 mm；標準段第 1、第 3 道采用混凝土支撐，尺寸同異形段，第 2、第 4 道采用φ609 mm 壁厚 16 mm 鋼支撐。基坑支護平剖面布置示意圖如圖 2、圖 3 所示。

圖 2 鐘樓站基坑支護平面布置示意圖

圖 3 鐘樓站標準段及異形段圍護結構剖面圖（單位：mm）

4.2 圍護結構設計

4.2.1 圍護結構內力及位移計算

圍護結構計算選取基坑中段最不利鉆孔 D6XZ7-102 進行計算分析，土體力學參數取自西安市地鐵 6 號線二期工程勞動南路站（不含）—紡織城站 D6KC-7 標段《鐘樓站巖土工程詳細勘察報告》，各土層的力學參數如表 1 所示。

計算分析采用理正深基坑7.0 計算軟件。因標準段土層較好，本篇文章僅僅選取基坑異形段圍護結構進行計算。限于篇幅，文章僅對圍護結構連續墻進行受力分析，其余支撐等受力計算未展開描述，連續墻內力及位移計算結果見圖 4。

由圖 4 可知，圍護結構水平位移隨基坑深度的變化近似成“拋物線”曲線，先增加而后減小，最大水平位移出現在連續墻深度 20 m 處，為 16.1 mm＜30 mm；地下連續墻最大彎矩出現在連續墻深度 21 m 處，其值為1 400.33 kN · m；地下連續墻最大剪力出現在連續墻深度約 14 m 處，其值為 948.98 kN。

4.2.2 圍護結構配筋計算

圍護結構配筋計算時，在最大彎矩計算值1 400.33 kN · m 的基礎上考慮支護結構的重要性系數γ0= 1.1 及分項系數γs= 1.25，得到最大彎矩設計值為 1 925 kN · m。根據最大彎矩設計值 1 925 kN · m 進行配筋計算，配筋結果為采用φ28 mm@150 mm 主筋通長筋及局部附加筋，可滿足抗彎設計要求。

同理，在最大剪力計算值 948.98 kN 的基礎上考慮支護結構的重要性系數γ0= 1.1 及分項系數γs= 1.25，得到最大剪力設計值為 1 304.8 kN。根據最大剪力設計值進行配筋計算，配筋結果為采用φ14 mm@450 mm×400 mm箍筋，可滿足抗剪設計要求。

4.2.3 基坑穩定性計算

表 2 給出了各項穩定性計算結果。由表 2 可知，基坑開挖期間地下連續墻整體穩定性、抗傾覆、抗隆起等均滿足規范要求。

表 1 各土層物理、力學參數表

圖 4 各工況下連續墻內力、變形包絡圖

表 2 連續墻穩定性計算結果

5 結論

本文以西安地鐵 6 號線二期工程鐘樓站為背景，根據車站周邊環境、工程地質條件、水文地質條件，合理選擇了車站施工方案、降水方案、圍護結構、鋪蓋系統等圍護結構體系，并采用理正深基坑 7.0 計算軟件對基坑地質條件最差處的局部圍護結構連續墻進行了結果計算和配筋計算。結果表明，基坑開挖期間地下連續墻抗剪、抗彎、整體穩定性、抗傾覆、抗隆起等均滿足規范要求。

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