某地鐵車站超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王枝茂

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 福建福州 350001)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化步伐的加快，為滿足日益增長(zhǎng)的市民出行需要，大量興建城市地鐵工程，進(jìn)而產(chǎn)生了大量的深基坑工程。由于這些深大基坑通常都位于密集城市中心，且常常緊鄰建筑物、交通干道、地鐵隧道及各種地下管線等，因而基坑施工場(chǎng)地緊張、施工條件復(fù)雜、工期緊迫。所有這些導(dǎo)致基坑工程的設(shè)計(jì)和施工的難度越來(lái)越大，重大惡性基坑事故不斷發(fā)生，工程建設(shè)的安全形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)重[1]。如何選擇科學(xué)合理的支護(hù)方案，進(jìn)行正確的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成為眾多從事基坑工程的技術(shù)人員所關(guān)心的問(wèn)題。本文以福州某地鐵車站深達(dá)34m基坑工程為例，詳細(xì)介紹本站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，以期能為類似基坑工程提供一定的借鑒作用。

1 工程概況

圖1 站址環(huán)境圖

福州某地鐵車站位于福州市倉(cāng)山區(qū)，為福州軌道交通A、B兩條地鐵線的換乘站，如圖1所示。

該車站位于洪塘路和閩江大道交叉口，其中A線部分車站主體，沿洪塘路路中西南東北向設(shè)置；B線部分車站主體，沿閩江大道西北東南走向設(shè)置；兩線車站于交叉路口地下設(shè)置節(jié)點(diǎn)，L型換乘。車站周邊現(xiàn)狀路口東北側(cè)為中聯(lián)水岸名居小區(qū)，西南側(cè)為中聯(lián)濱江大廈(在建)、中國(guó)電信建新?tīng)I(yíng)業(yè)廳和濱江麗景臨江園小區(qū)，西北側(cè)為狀元山莊小區(qū)，東南側(cè)為聯(lián)通大廈和聯(lián)通花園小區(qū)。A線部分車站因過(guò)江需要，采用地下4層島式車站，主體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)181.0m，頂板覆土厚度為3.5m，基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬度26.3m，深度34.0m。基坑支護(hù)設(shè)計(jì)，采用“1200mm厚地連墻+7道內(nèi)支撐”支護(hù)方案，明挖順做法施工。基坑具體平面布置如圖2所示。

圖2 車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖(第一道支撐位置)

2 地質(zhì)及水文概況

擬建車站基坑所處地層，由上至下依次為：<1-2>雜填土、<2-1>粉質(zhì)黏土、<2-4-1>淤泥、<3-1-1>粉質(zhì)粘土、<6-1>全風(fēng)化花崗巖、<7-1>砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、<7-5-1>砂土狀強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖。土層分層情況如圖3所示，主要地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 場(chǎng)地土層地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)表

該場(chǎng)地揭示的地下水,按埋藏條件包含上層滯水和孔隙裂隙承壓水兩種類型。上層滯水，主要賦存于<1-2>雜填土、<2-4-1>淤泥、<3-1-1>粉質(zhì)粘土中，富水性、透水性及滲透性相對(duì)較差，水位埋深1.3m～4.0m，水位和水量隨季節(jié)變化較大，雨季水量較豐富，枯季水量變小。孔隙裂隙承壓水，主要賦存與<6-1>全風(fēng)化花崗巖、<7-1>強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(砂土狀)、<7-5-1>強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖(砂土狀)中，具有弱承壓性，透水性和富水性一般，水位埋深7.5m～9.6m，水位較高，水量一般，水位和水量變化不大。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案與設(shè)計(jì)

該車站地層主要為雜填土、淤泥、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化花崗巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖，地下水位埋深約1.3m～4.0m，同時(shí)，基坑距離周邊建筑物很近。結(jié)合福州地區(qū)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，推薦采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較大、變形較小，基坑施工對(duì)鄰近建筑與地下管線影響較小，工藝成熟，防滲性能好的連續(xù)墻方案。

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置

基坑圍護(hù)，結(jié)構(gòu)采用厚度為1200mm的地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻深度共44.3m，其中，基坑深度為34.3m，嵌固深度為10m。基坑豎向共設(shè)7道支撐，其中，第一、三道為800mm×1000mm鋼筋混凝土支撐，第五、六道為1000mm×1200mm鋼筋混凝土支撐，間距按9m設(shè)置；其余為Ф800、t=16mm鋼管支撐，間距按3m設(shè)置，具體布置如圖3所示。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)荷載

就基坑而言，主要有以下荷載：①側(cè)向土、水壓力，施工階段對(duì)于粘性土地層采用水土合算；對(duì)于砂性土地層采用水土分算的辦法，介于粘性土和砂性土之間的地層，根據(jù)其滲透性確定其是采用水土合算，還是水土分算；使用階段無(wú)論砂性土或粘性土，都根據(jù)設(shè)計(jì)水位全水頭和水土分算的原則確定[2]。②地面超載采用20kPa。

3.3 計(jì)算模型與計(jì)算簡(jiǎn)圖

圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力和變形計(jì)算，沿車站縱向取單位長(zhǎng)度按彈性地基梁計(jì)算；坑內(nèi)開(kāi)挖面以下地層對(duì)墻體的約束，采用一系列彈簧支座模擬,如圖4所示。計(jì)算時(shí)考慮支撐點(diǎn)的位移，施工工況及支撐剛度等對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形的影響，按照“先變形，后支撐”的原則，最終控制設(shè)計(jì)的位移與內(nèi)力值應(yīng)為各工況計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

使用理正基坑設(shè)計(jì)7.0軟件，利用表1中場(chǎng)地土層物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)如下。

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算原理簡(jiǎn)圖

(1)整體穩(wěn)定性

整體穩(wěn)定性分析采用瑞典條分法計(jì)算，軟件采用的是單片地連墻結(jié)構(gòu)模型，得到的整體穩(wěn)定性計(jì)算安全系數(shù)2.19>1.35，滿足規(guī)范要求。實(shí)際上對(duì)于這種多道內(nèi)撐超深基坑結(jié)構(gòu)，繞地連墻末端的圓弧滑裂面已經(jīng)超出基坑寬度范圍，故不會(huì)存在整體滑動(dòng)穩(wěn)定問(wèn)題。

(2)抗傾覆穩(wěn)定性

(3)抗隆起穩(wěn)定性

對(duì)于此類超深基坑，如果地連墻嵌固深度過(guò)小、土強(qiáng)度又比較低時(shí)，土體就會(huì)從擋土構(gòu)件底端以下向基坑內(nèi)隆起擠出，從而土體喪失豎向平衡狀態(tài)。因此，對(duì)超深基坑必須進(jìn)行抗隆起破壞驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算，本站基坑抗隆起安全系數(shù)Kb=3.49>1.80，滿足規(guī)范要求。

(4)地連墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移

該工程基坑共分為27個(gè)工況進(jìn)行分析。第1工況：施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)、臨時(shí)立柱及立柱樁、冠梁，向下開(kāi)挖至第一次開(kāi)挖面；第2工況：架設(shè)第1道支撐及路面蓋板；第3工況：向下開(kāi)挖至第二次開(kāi)挖面；第4～15工況: 按以上步驟隨挖隨撐，向下開(kāi)挖至基底；第16個(gè)工況：施工接地網(wǎng)、墊層、底板防水層及底板；第17工況：待底板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除第7道支撐,第18個(gè)工況：向上施工站臺(tái)層側(cè)墻防水層、側(cè)墻，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除第6道支撐；第19～27工況：按以上步驟先施工主體結(jié)構(gòu)再拆撐，直到拆除第1道支撐為止。通過(guò)以上工況分析，地連墻在第18工況下內(nèi)力M=2536.96kN·m、V=1238.36kN、位移=22.37mm，分別達(dá)到最大值，為最不利狀態(tài)，如圖5所示。

利用上述內(nèi)力值對(duì)地連墻進(jìn)行配筋計(jì)算，地連墻的設(shè)計(jì)厚度(1200mm)能夠滿足其承載力極限狀態(tài)要求。同時(shí)，其位移也小于0.15%H(H為基坑深度)與30mm的較小值。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)段各工況地連墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形包絡(luò)圖

(5)支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力

在上述工況下，各道內(nèi)支撐軸力最大值如表2所示。截面800mm×1000mm、1000mm×1200mm鋼筋混凝土支撐以及Ф800、t=16mm鋼管支撐的材料抗力分別10 000kN、16 000kN、4000kN。從表中可以看出第五道支撐(1000mm×1200mm)軸力14 539kN<16 000kN，第三道支撐(800mm×1000mm)軸力6745kN<10 000kN，鋼支撐軸力2863kN<4000kN，支撐承載力均滿足要求。

表2 內(nèi)支撐軸力 kN

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，該圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案各項(xiàng)穩(wěn)定性及強(qiáng)度安全指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

3.5 基坑輔助措施

(1)地連墻槽壁加固

該站基坑局部開(kāi)挖范圍內(nèi)具有一定厚度的淤泥，福州地區(qū)軟弱淤泥層具有含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低，靈敏度高、易擾動(dòng)的特點(diǎn)，開(kāi)挖易產(chǎn)生流變現(xiàn)象，為保證基地下墻成槽過(guò)程中的施工質(zhì)量，采用Φ650@450mm三軸攪拌樁對(duì)地連墻槽壁進(jìn)行加固，加固深度至淤泥層以下1m。

(2)基坑疏干降水措施

因該站周邊環(huán)境復(fù)雜、建筑物距基坑距離較近，且基底位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及輝綠巖中，故采用地連墻兼作豎直隔水帷幕+坑內(nèi)管井井點(diǎn)的降水方案，對(duì)基坑坑內(nèi)進(jìn)行疏干降水。降水井降水面積約150m2～200m2，故降水井沿車站寬度方向中部的兩側(cè)(距基坑邊約5m)、縱向間距14m左右進(jìn)行布置。

根據(jù)上海地區(qū)的基坑工程施工經(jīng)驗(yàn)，基坑降水應(yīng)將基坑內(nèi)水位降低到基底以下1.0m。在基坑開(kāi)挖前，通過(guò)設(shè)置于基坑內(nèi)的水位觀測(cè)井，觀測(cè)被開(kāi)挖土體的地下水水位是否下降至滿足設(shè)計(jì)要求的深度，并在施工期間根據(jù)量測(cè)結(jié)果，采取回灌和跟蹤注漿的方式對(duì)周邊地下管線和地表建筑進(jìn)行保護(hù)。降水井待頂板覆土完成后方可拔除井點(diǎn)管、進(jìn)行井點(diǎn)封堵。

(3)與臨近建筑的關(guān)系及處理

在基坑開(kāi)挖時(shí)，沿重要建構(gòu)筑物布設(shè)沉降、傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)其變形值，該變形值不得超過(guò)相應(yīng)規(guī)范的允許值。信息化施工是保證基坑安全和周圍環(huán)境影響進(jìn)行報(bào)警的重要手段。監(jiān)測(cè)單位應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)基坑工程作出詳細(xì)的監(jiān)測(cè)方案，儀器的精度必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求。施工前在重要及重大管線間打設(shè)回灌井及跟蹤注漿孔，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)，及時(shí)采取地下水回灌或補(bǔ)償注漿措施，保證建筑物及地下管線的安全[4]。

3.6 基坑施工方法

該站的場(chǎng)地主要位于洪塘路，東端頭緊鄰洪塘路與閩江大道交叉路口。車站周邊建構(gòu)筑物較密集，交通繁忙，特別是閩江大道為福州南北走向主干道，同時(shí)周邊疏解條件有限，道路兩側(cè)建筑最小距離約47m,為保證閩江大道、洪塘路交通及車站施工質(zhì)量，故采用半蓋挖順做法施工。

4 結(jié)語(yǔ)

某福州地鐵車站基坑深度達(dá)到34m，并且臨近基坑區(qū)域存在保護(hù)要求較高的建、構(gòu)筑物及市政管線，針對(duì)此種情況，該基坑采用1200mm厚地下連續(xù)墻加7道內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，并采用理正軟件對(duì)其進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，文中所采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案，可以較好滿足該類超深基坑工程的建設(shè)需要。

基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)主要為粘性土、風(fēng)化巖等土層，基坑降水采用地連墻兼作豎直隔水帷幕+坑內(nèi)管井井點(diǎn)的降水方案，對(duì)基坑坑內(nèi)進(jìn)行疏干降水。由于該基坑深度較深，在施工期間須注意根據(jù)量測(cè)結(jié)果，采取回灌和跟蹤注漿的方式對(duì)周邊地下管線和地表建筑進(jìn)行保護(hù)。