合肥地鐵車站主體圍護結構設計要點分析

張有桔，沈洪波

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 前言

截至2016年年底，中國大陸地區共30個城市開通運營城市軌道交通，共計133條線路，運營線路總長度達4152.8km。合肥市軌道交通工程繼1號線2016年底開通運營后，根據新一輪規劃，合肥市將繼續加快軌道交通建設，其中2號線2017年底運營；3號線車站主體已經基本完成，陸續開始附屬施工；4、5號線已全面開工建設；2、3、4號線延伸線、6號線已經完成總體總包招標工作。

本文主要結合筆者參與的合肥軌道交通1～3號線具體設計、咨詢和施工配合過程，對合肥地鐵車站主體圍護結構的設計要點進行總結，以期對同類深基坑設計提供一定的參考。

2 圍護形式的選擇與支撐布置

2.1 圍護形式的選擇

從合肥地區地質情況及采用的圍護結構形式來看，基本已經形成一個共性認識，那就是：二級階地范圍（約占70%）基坑開挖范圍內主要為老粘土和泥質砂巖（或砂質泥巖），地下水總體不發育，圍護采用分離式鉆孔灌注樁；一級階地范圍（約占20%）存在粉土（粉砂）夾層，圍護采用分離式鉆孔灌注樁+局部旋噴樁止水；河漫灘范圍（主要為南淝河區域，約占10%）存在連續粉土（粉砂）層，且有承壓水，圍護采用地下連續墻。

2.2 嵌固深度的確定

嵌固深度在滿足構造要求[1]（對懸臂式結構，不宜小于0.8h；單支點支擋式結構，不宜小于0.3h；多支點支擋式結構，不宜小于0.2h；h為基坑開挖深度）前提下，控制性因素主要包括整體滑動穩定性、坑底抗隆起穩定性、以最下層支點為軸心的圓弧滑動穩定性以及嵌固段基坑內側土反力合力小于嵌固段上的被動土壓力合力的要求。

圖1 穩定性分析圖示

根據合肥地區巖土層分布特性[2-3]，可將圍護結構分成三大類來確定嵌固深度。

I類：巖層在坑底以上1/3深度范圍內，主要分布在合肥西側片區，基本上嵌固深度滿足構造要求0.2h即可，對于標準地下兩層車站（開挖深度h約16～18m），嵌固深度約 3～4m。

II類：巖層在坑底附近，主要分布在合肥西南側片區，基本上嵌固深度在0.35h左右，對于標準地下兩層車站，嵌固深度約6～7m，同時要注意樁底入中風化巖的深度控制在2～3m。

III類：巖層埋深較大，圍護樁未入巖，主要分布在合肥南側片區，基本上嵌固深度在0.4～0.5h，對于標準地下兩層車站，嵌固深度約7～9m。

2.3 兩層站圍護樁直徑的選擇

根據目前國內軌道交通建設情況來看，對于地下兩層標準車站，若圍護采用地下連續墻，地連墻厚度基本上都是800mm。合肥地區也是如此。

而若圍護結構采用鉆孔樁，合肥1～3號線地下兩層車站主體圍護結構主要采用的樁徑有0.8m和1.0m兩種，從筆者的設計計算經驗，認為地下兩層標準站采用Φ800@1000～1300mm圍護樁，能夠保證圍護體系安全性及控制變形的要求、且在經濟性、施工進度等方便均有一定的優勢。當然，具體到某個站點的時候樁徑和樁間距，還需要結合基坑深度、工程地質水文地質、支撐布置和周邊環境敏感性等因素綜合確定。

2.4 支撐豎向及水平布置

一般兩層車站標準段豎向布置3道支撐，端頭井段布置4道支撐。對于首道支撐，考慮到圍護結構的整體性，除了1號線位于郊區部位的幾個車站，首道采用鋼支撐外，絕大多數均是采用混凝土支撐（800×800～800×1000mm）。第 2～4道均采用 φ609×12～φ609×16mm的鋼管支撐。

2.4.1 支撐豎向布置原則及注意事項

①各層水平支撐的軸線應盡量布置在同一豎向平面內，以方便基坑土方的豎向運輸，同時也能保證豎向支撐立柱系統的共用[4]。

②首道支撐受力較小，可適當壓低，有利于減小圍護樁整體受力和變形，但現場施工往往是希望利用混凝土擋墻（或冠梁）作為施工龍門吊的軌道梁，方便軌道梁的架設，也更加經濟、安全，現在設計中一般是兼顧受力和施工，首道支撐在地表下1m左右。同時要注意避開頂板上翻梁和壓頂梁，滿足其施工要求。

③第2道支撐一般位于中板上方，應盡量落底，縮小其與底板之間的間距，避免拆撐工況下圍護內力及變形較大，同時要注意滿足中板結構施工縫處甩筋要求和避開端頭井上翻邊框梁，一般第2道支撐距離中板在1m左右。

④第3～4道支撐布置在中板和底板之間，最后一道支撐靠近坑底，有利于減小圍護樁整體受力和變形，但需要注意滿足底板施工縫以上結構甩筋要求和最后一層土方機械開挖要求，一般最后一道支撐距離坑底在3.5m左右（保證凈距不小于3.0m）。

圖2 支撐豎向布置示意圖

2.4.2 支撐水平布置原則及注意事項

①首道混凝土支撐水平間距約9m，第2～4道鋼支撐水平間距約3m。平面上鋼支撐的布置盡量避開結構框架柱的位置，方便柱鋼筋綁扎及混凝土澆筑。

②標準段第1道對撐（混凝土支撐）位置盡量靠近端頭井擴大段，與端頭井內斜撐體系形成相對封閉的支撐結構，有利于支撐體系的整體穩定。

③端頭井擴大段和標準段交口處，考慮端頭井陽角處鋼板撐施工質量一般較差，存在端頭井斜撐與標準段對撐間距偏大的問題，不利于支撐體系穩定，一般對第2～4道支撐位置（鋼支撐）建議設置1道對撐（圖 3b）。

④對于設置換撐的部位，要注意換撐避開洞門圈位置。

圖3 支撐平面布置示意圖

3 計算模式與參數選擇

3.1 計算模式

圍護結構一般簡化為平面問題，采用豎向彈性地基梁法計算。根據開挖步驟，按“先變形、后支撐”的原則，采用“增量法”原理分階段進行結構計算。開挖面以下的土體采用一系列彈簧模擬，支撐簡化為桿單元[5]。

圖4 彈性地基梁法計算簡圖

3.2 側壓力計算

圍護結構側向壓力采用主動土壓力，坑底以下按矩形分布，對粘性土、全風化巖采用水土合算，其余采用水土分算，坑外水位一般取相應地質鉆孔的常水位。巖土層的抗剪強度指標選取勘察報告中的直剪固結快剪強度指標。

3.3 土體抗力計算

土體抗力常用的計算方法有m法和K法2種，目前合肥地區推薦采用m法計算。土體的m值（水平反力系數），在軌道交通的勘察報告中一般不提供，可根據經驗公式計算，即m=（0.2φ-φ+c）/△，其中φ、c為直剪固結快剪強度指標，△為圍護結構坑底處水平位移，近似取10mm。

3.4 環境保護變形控制等級及標準

根據合肥1～3號線施工圖技術標準，車站主體基坑環境保護變形控制等級為一級，環境保護變形控制標準一般為：地面最大沉降量≤0.15%H（H為基坑深度），最大水平位移≤0.15%H，并且≤30mm。

4 其它細節問題

4.1 圍護樁布置

①端頭井陽角處應布置圍護樁，且這部分樁垂直度控制不好，容易侵界，應提醒施工單位先施工陽角處樁。

②兩種型樁交界處，強支護應適當向弱支護段延伸 2～3根。

4.2 支撐預加軸力取值

規范建議值是50%～80%設計軸力[1]，但在合肥地區支撐無預加軸力時基坑變形控制能滿足一級要求，若預加軸力按規范建議取值時，圍護配筋需加大，支撐軸力加大，造成工程造價增加，且不利于鋼支撐穩定。根據1～3號線工程經驗，支撐預加軸力主要考慮支撐頂緊即可，故取值相對偏小，約為20%～30%設計軸力（300～500kN）。

4.3 圍護配筋分段設計

圍護結構應根據內力包絡圖進行分段配筋，節約工程量，同時可減少錨入冠梁鋼筋根數，方便冠梁施工時的樁頭混凝土鑿除和鋼筋綁扎施工。配筋分段設計中需要注意滿足最小配筋率和鋼筋截斷處的錨固要求。

4.4 膨脹力的影響

合肥地區粘土及風化巖層具有弱～中膨脹潛勢，膨脹力在30～60KPa，合肥地區大氣影響急劇深度約為1.5m，大氣影響深度約為3.00m[2-3]。

對于膨脹力的影響一般從以下3種工況進行對比分析：①不考慮膨脹力因素，土壓力按照地勘報告提供的考慮膨脹力影響折減后的土體抗剪強度指標計算，取設計值；②考慮膨脹力因素，膨脹力分項系數為1.0，土壓力按照地勘報告提供的考慮膨脹力影響折減后的土體抗剪強度指標計算，取標準值；③考慮膨脹力因素，膨脹力分項系數為1.0，土壓力按照土體抗剪強度指標不折減工況計算，取設計值。

研究結果顯示[6-8]，膨脹力在基坑計算過程中不起控制性作用，現在設計過程中基本是按照第①種工況進行計算分析。所以對于膨脹土，主要注意基坑開挖中控制措施，基坑開挖時應針對其特性從“短開挖、快封閉、強措施、防滲入、留基土”等方面最大程度的減少膨脹土的危害。

5 結論

本文結合參與的合肥1～3號線設計和施工配合工作，從圍護形式的選擇和支撐布置、計算模式與參數選擇以及其它細節問題等方面對合肥地鐵車站主體圍護結構設計要點進行了淺析，主要有以下結論，希望對后續類似工程設計有一定的借鑒和指導。

①合肥地區車站主體圍護結構形式除南淝河沿線局部河漫灘區域采用連續墻外，其它均采用間隔鉆孔灌注樁。

②圍護結構嵌固深度根據巖層面與坑底的位置關系大致可以分為3大類，每類地層的嵌固基本上是確定的。

③首道支撐一般采用混凝土支撐，支撐系統的布置需要兼顧受力和施工要求，注意避開結構上翻梁和洞門圈。

④圍護結構一般簡化為平面問題，采用豎向彈性地基梁法計算，其中土體抗力采用m法計算。

⑤對具有弱～中膨脹潛勢的粘土及風化巖層，膨脹力在基坑設計中不起控制性作用。

[1]JGJ 120-2012，建筑基坑支護技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社，2012.

[2]王國強.合肥市巖土體工程特征及地基劃分[J].巖土工程學報，1999，18（6）:694～698.

[3]王國強.安徽省江淮地區膨脹土的工程性質研究[J].巖土工程學報,1999，21（1）:119～121.

[4]劉國彬,王衛東.基坑工程手冊（第二版）[M].北京:中國建筑工業出版社，2009.

[5]基于彈性地基梁理論的基坑開挖及支護過程分析[J].建筑技術開發，2006.33（10）:26～29.

[6]賈永剛.合肥弱膨脹土地層明挖車站結構設計方法[J].都市軌道交通，2013，26（1）:59～63.

[7]姚國鈺.弱膨脹土地區明挖地鐵深基坑支護設計方法[J].建筑工程技術與設計，2015，7:396～620.

[8]劉璐.合肥膨脹土地層明挖地鐵車站兩階段施工關鍵技術研究[D].西南交通大學，2015.