明挖車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理性分析

巫 峰

(中交(廣州)鐵道設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

1 工程概況

新生圩站是南京地鐵6號(hào)線工程第17座車站，位于仙新路與規(guī)劃恒競(jìng)路十字路口的西側(cè)，車站的布置方向?yàn)檠匾?guī)劃恒競(jìng)路東西向布置，車站大里程端與遠(yuǎn)期規(guī)劃8號(hào)線換乘。車站采用明挖順作法施工。

車站設(shè)計(jì)為地下2層三跨島式站臺(tái)車站，車站主體的結(jié)構(gòu)型式鋼筋混凝土型框架結(jié)構(gòu)主，其中有效站臺(tái)長(zhǎng)120 m、站臺(tái)寬度為13 m。車站兩端均為盾構(gòu)區(qū)間，根據(jù)全線工籌安排，車站小里程端上下線均為盾構(gòu)接收，大里程端上下線均為盾構(gòu)始發(fā)。車站主體基坑長(zhǎng)236.39 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.7 m、深19.20～21.60 m，小里程端盾構(gòu)井寬27.7 m、深23.30～23.40 m，大里程端盾構(gòu)井寬27.5 m、深21.23～21.92 m，車站頂板覆土厚度約2.00～5.48 m。

車站目前周邊空曠，無(wú)特別環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源。車站站位控制性因素為大里程端東側(cè)仙新路及恒競(jìng)路及沿仙新路呈南北走向的規(guī)劃高架橋。仙新路和恒競(jìng)路當(dāng)前路狀分別如下：前者現(xiàn)狀路寬為53 m，雙向六車道，車流量較少；后者現(xiàn)狀路寬為40 m，雙向四車道。車站主體結(jié)構(gòu)的布置情況如下：結(jié)構(gòu)邊界與仙新路規(guī)劃高架橋樁基距離為12.2 m，與高架橋橋面的距離為7.7 m。高架橋樁基直徑1.2 m，樁長(zhǎng)8.77 m。沿仙新路東側(cè)含架空的20條工業(yè)燃?xì)狻⑷加图昂矫汗艿鹊慕鹆晔芾龋嚯x車站主體基坑最近約60.6 m。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式

選用鉆孔灌注樁、樁間旋噴止水樁、內(nèi)支撐形式來(lái)開展車站主體基坑的作業(yè)。車站標(biāo)準(zhǔn)段選擇用Φ1 000 mm@1 400 mm鉆孔灌注樁+Φ800 mm@1 400 mm雙管旋噴止水樁，冠梁為1 000 mm×1 000 mm；水平間距為9 m、800 mm×900 mm的混凝土支撐作為第一道支撐，第二道支撐為水平間距4 m、Φ609 mm、t=16 mm的鋼管支撐，雙拼45c鋼圍檁；車站小里程盾構(gòu)擴(kuò)大段選擇用Φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁+Φ800 mm@1200 mm雙管旋噴止水樁；其中水平間距為5 m、800 mm×900 mm混凝土斜撐作為第一道支撐，第二～四道為水平間距約3 m、Φ609 mm、t=16 mm的鋼管支撐；車站大里程盾構(gòu)擴(kuò)大段與遠(yuǎn)期規(guī)劃8號(hào)線換乘，由于出現(xiàn)局部不規(guī)則現(xiàn)象，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用Φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁+Φ800 mm@1 200 mm雙管旋噴止水樁，混凝土腰梁為1 000 mm×1 200 mm，水平間距4～6.27 m、800 mm×900 mm混凝土支撐作為第一道支撐，第二道為水平間距約4～6.27 m、800 mm×1 000 mm混凝土支撐，第三道為水平間距約3 m、Φ609 mm、t=16 mm的鋼支撐；鋼筋混凝土連系梁尺寸為400 mm×600 mm，鋼系桿采用雙拼40a型槽鋼；基底采用150 mm厚C20混凝土墊層及50 mm厚細(xì)石混凝土防水保護(hù)層。

本站主體基底以下為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌入深度參考南京地鐵已運(yùn)營(yíng)線路建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)格按照基坑規(guī)范來(lái)實(shí)施作業(yè)，保證嵌固深度>0.2H(H為基坑深度)，結(jié)合實(shí)際計(jì)算新生圩車站的支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度，計(jì)算結(jié)果為4.5～5 m，插入比約1∶0.2。保證止水旋噴樁進(jìn)入粉質(zhì)黏土層或強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖>1 m，提高止水效率。

根據(jù)新生圩車站實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，車站主體明挖段難以達(dá)到抗浮要求，要采取必要的抗浮措施，具體是在車站頂板設(shè)置600 mm×600 mm壓頂梁或者在車站底板設(shè)置Φ1000 mm、長(zhǎng)11 m抗拔樁，因?yàn)楸菊疽呀?jīng)設(shè)置了臨時(shí)立柱樁，可以直接選擇臨時(shí)立柱樁作為抗拔樁。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性分析

3.1 車站深基坑涉及地層分析

新生圩站基坑深度較大，開挖涉及的土層和巖層類型較豐富且厚度不均，普遍不具備良好的工程性質(zhì)，經(jīng)開挖后易發(fā)生邊坡塌滑現(xiàn)象。具體而言，②1層粉質(zhì)黏土的工程性質(zhì)較好，但開挖擾動(dòng)性較大、自穩(wěn)性一般；開挖深度范圍內(nèi)還存在另一地層粉質(zhì)黏土，其工程性質(zhì)更為良好，可維持穩(wěn)定的狀態(tài)。

各類巖層的性質(zhì)具有差異性，其中強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖呈現(xiàn)出較為明顯的破碎狀，遇水易發(fā)生軟化現(xiàn)象，開挖期間暴露于外界的時(shí)間較長(zhǎng)，存在較大的塌滑概率。雖然中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖強(qiáng)度高，但還是會(huì)出現(xiàn)局部破碎的問題。結(jié)合勘察報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)資料分析發(fā)現(xiàn)巖層傾角為38°、方位角為5°。伴隨開挖作業(yè)的持續(xù)推進(jìn)，巖層與基坑南側(cè)臨空面將發(fā)生作用，其結(jié)果是形成不利組合。對(duì)此，開挖過程中應(yīng)做好監(jiān)測(cè)工作，及時(shí)掌握基巖的實(shí)際情況并采取相適應(yīng)的處理措施，保證基坑開挖施工的安全性[1-2]。

基坑開挖土層具體為①2素填土、②1層粉質(zhì)黏土、②1層粉土粉質(zhì)黏土，其中①2層素填土土質(zhì)不均，普遍分布，局部厚度大、工程性質(zhì)差，開挖后易出現(xiàn)邊坡塌滑；②1層粉質(zhì)黏土，可塑性較高、自穩(wěn)性不高；另一地層粉質(zhì)黏土，硬塑，工程性質(zhì)好、自穩(wěn)性較好，不易出現(xiàn)坍塌和變形問題。

基坑開挖巖層是強(qiáng)～中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，具體包括強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。其中強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖形態(tài)為碎塊狀，部分呈現(xiàn)短柱狀，強(qiáng)度較高，但遇水易軟化，基坑開挖暴露時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)局部易塌滑；中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，強(qiáng)度高，局部破碎處容易出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。在進(jìn)行基坑開挖施工時(shí)，西側(cè)巖層大面積暴露，巖層與基坑南側(cè)臨空面會(huì)相互影響，形成不利組合。開挖施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)基巖開挖面的監(jiān)視，及時(shí)跟蹤出露基巖的產(chǎn)狀和構(gòu)造特征，避免其對(duì)基坑安全產(chǎn)生不利影響[3]。

3.2 車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)《南京地鐵六號(hào)線工程新生圩站巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告》，得到基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，見表1。

表1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.3 設(shè)計(jì)荷載取值

1)地層土壓力：素填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖均采用水土合算，設(shè)計(jì)參數(shù)已在表1列出。

2)水壓力：基坑外側(cè)水位按地面以下0.5 m考慮，內(nèi)側(cè)為基坑底標(biāo)高以下0.5 m考慮。

3)地面超載：按20 kN/m2計(jì)算。

4)施工荷載：通常情況下，混凝土支撐上的施工荷載以5 kN/m考慮，且在鋼支撐上不能施加荷載。

3.4 計(jì)算方法的選擇

1)選擇增量法來(lái)計(jì)算內(nèi)力，具體的計(jì)算軟件是“理正深基坑支護(hù)F-SPW 7.0版”。

2)土的水平抗力系數(shù)按m法確定。

3)選擇用增量法計(jì)算主動(dòng)土與被動(dòng)土壓力，具體的模式為“矩形分布荷載模式”。

4)選擇用瑞典條分法來(lái)進(jìn)行整體穩(wěn)定驗(yàn)算。

3.5 計(jì)算分析

選擇標(biāo)準(zhǔn)段剖面計(jì)算為例，車站主體基坑安全等級(jí)為一級(jí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬21.7 m，基坑深度為19.55～20.39 m。為保證基坑安全，計(jì)算采用最不利鉆孔D6S16Z37，在此條件下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)段剖面進(jìn)行計(jì)算分析，詳細(xì)的結(jié)果如下。

1)整體穩(wěn)定驗(yàn)算：整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=6.353。

2)抗傾覆安全系數(shù)：

Ks=Mp÷Ma。

式中，Mp為被動(dòng)土壓力對(duì)樁底抗傾覆彎矩，如果是內(nèi)支撐支點(diǎn)力，那么要考慮內(nèi)支撐所具有的抗壓力；對(duì)比分析錨固力和抗拉力，得到錨索和錨桿的支點(diǎn)力取值。Ma為主動(dòng)土壓力對(duì)樁底的傾覆彎矩。計(jì)算結(jié)果如下：

工況1：Ks=47.953≥1.250

工況2：Ks=52.598≥1.250

工況3：Ks=38.578≥1.250

工況4：Ks=42.849≥1.250

工況5：Ks=21.299≥1.250

工況6：Ks=23.782≥1.250

工況7：Ks=14.768≥1.250

工況8：已存在剛性鉸，不計(jì)算抗傾覆

工況9：已存在剛性鉸，不計(jì)算抗傾覆

工況10：已存在剛性鉸，不計(jì)算抗傾覆

工況11：已存在剛性鉸，不計(jì)算抗傾覆

工況12：已存在剛性鉸，不計(jì)算抗傾覆

工況13：已存在剛性鉸，不計(jì)算抗傾覆

綜合分析上面的計(jì)算結(jié)果可得出工況7的安全系數(shù)最小，但工況7安全系數(shù)Ks=14.768≥1.250，滿足規(guī)范要求。

3)抗隆起驗(yàn)算

(1)遵循逐層驗(yàn)算的原則，以支護(hù)底部抗隆起計(jì)算入手，計(jì)算過程和結(jié)果如下：

其中支護(hù)底部抗隆起系數(shù)Ks=46.736≥1.800，滿足規(guī)范和要求。

(2)選用圓弧條分法來(lái)進(jìn)行坑底抗隆起計(jì)算，計(jì)算過程和結(jié)果如下：

Ks=8.456≥2.200，坑底抗隆起穩(wěn)定性滿足。

4)嵌固深度。選擇用圓弧滑動(dòng)簡(jiǎn)單條分法來(lái)分析和計(jì)算嵌固深度，圓心(-109.683，97.308)，半徑=146.626m，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)Ks=2.468≥1.350。嵌固深度有：計(jì)算值h0=0.000m，采用值ld=4.500m，當(dāng)前嵌固深度：0.000m。

按照支護(hù)規(guī)范，多點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)ld至少達(dá)到0.2H，嵌固深度為4.500m。

5)嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力驗(yàn)算。

工況1：Ps=1633.979≤Ep=57368.555

工況2：Ps=1633.979≤Ep=57368.555

工況3：Ps=552.744≤Ep=45047.004

工況4：Ps=610.667≤Ep=45047.004

工況5：Ps=236.359≤Ep=25162.373

工況6：Ps=264.337≤Ep=25162.373

工況7：Ps=106.567≤Ep=12470.981

工況8：Ps=106.567≤Ep=12470.981

工況9：Ps=256.662≤Ep=12470.981

工況10：Ps=256.662≤Ep=12470.981

工況11：Ps=163.728≤Ep=12470.981

工況12：Ps=163.728≤Ep=12470.981

工況13：Ps=189.379≤Ep=12470.981

式中,Ps為擋土構(gòu)件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)土反力合力，kN；Ep為擋土構(gòu)件嵌固段上的被動(dòng)土壓力合力，kN。

分析數(shù)據(jù)可得出，工況1至工況13的土反力都符合要求。

3.6 驗(yàn)算結(jié)果匯總

依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)，車站主體一級(jí)基坑各項(xiàng)驗(yàn)算安全系數(shù)及驗(yàn)算結(jié)果見表2。

表2 車站主體基坑各項(xiàng)驗(yàn)算參數(shù)安全系數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，南京6號(hào)線新生圩站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案較為科學(xué)合理，目前該基坑正處于施工開挖階段，從監(jiān)測(cè)結(jié)果看基坑處于安全可控狀態(tài)。基于本次對(duì)周邊環(huán)境較好的典型明挖車站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案合理性進(jìn)行分析，希望為類似工程提供一定的參考。

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