杭州火車西站樞紐核心區(qū)基坑群設計施工基本原則分析

酈仲華，袁 靜，童 星*，張金紅，李 瑛，劉興旺

（1.杭州市交通投資集團有限公司，浙江 杭州 310051；2.浙江省建筑設計研究院，浙江 杭州 310006）

0 前 言

隨著我國城市化進程加速，市區(qū)蔓延、土地匱乏、交通擁堵、環(huán)境惡化等問題日益凸顯，對城市的可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。為解決這些問題，近年來以公共交通為導向的TOD（Transit-Oriented Development）模式正得到越來越多的嘗試。有別于傳統(tǒng)城市發(fā)展模式，TOD強調對土地的集約利用，通過規(guī)劃緊湊型社區(qū)，發(fā)揮基礎設施效力，提供多樣化交通和住房來控制城市的蔓延[1]。

杭州火車西站樞紐（以下簡稱西站樞紐）是TOD模式下土地開發(fā)的代表性案例。相較于傳統(tǒng)地塊式地下空間，西站樞紐地下空間格局更為復雜。不同功能的緊密聯(lián)系以及共享空間的特點，對項目整體的建設時序、基坑支護設計方案、施工組織等均提出了較高要求，若仍按照傳統(tǒng)方式進行設計、施工，則相應的造價和工期將變得十分高昂和漫長。為此，有必要針對西站樞紐地下空間的特點，提出相應的基坑支護設計理念和技術措施，從而提高效率，降低成本。

國內學者在大型交通樞紐建設技術方面已取得一些研究成果，對超深、超大、體形復雜的基坑支護設計思路和計算方法進行了改進，并在工程實踐中獲得了較好的應用[2-6]。本文對杭州火車西站樞紐核心區(qū)基坑支護設計施工的若干基本原則進行了探討，旨在為本項目實施提供指導性意見，并為今后類似大型TOD地下空間基坑工程提供借鑒。

1 杭州西站工程概況

杭州火車西站樞紐位于杭州市余杭區(qū)，未來科技城核心片區(qū)北側（見圖1）。總用地面積約30萬m2，整體開發(fā)量地上約170萬m2，地下約45萬m2，其中站房總量約10萬m2，配套工程約40萬m2，綜合開發(fā)約120萬m2，建成后將成為長三角一體化的重要聯(lián)系紐帶[7]。

圖1 杭州火車西站樞紐效果圖Fig.1 Design sketch of Hangzhou west railway station hub

西站樞紐整體設計以打造“站城一體”，城市未來生活的典范區(qū)為目標。結合整體“云之城”的理念，將站房綜合體設計融入整體環(huán)境考慮，站房與城市綜合體多層次、多維度地建立聯(lián)系，打造站城高度融合的超級TOD。

1.1 核心區(qū)地下空間組成

西站樞紐核心區(qū)的地下空間主要包含：國鐵站房（主體站房、側式站房）與云門地下室、4條地鐵線（機場快線、3號線、K2、K3線）、南北綜合開發(fā)體地下室以及地下市政環(huán)路等部分。如圖2所示，各部分在平面上緊密相鄰，空間上穿插交疊、互聯(lián)互通。地下空間基坑總體呈矩形，面積約660 m×460 m，平面面積大；開挖深度約10～28 m，各部分開挖深度如表1所示。

表1 基坑開挖深度匯總表Table 1 Summary of foundation pit excavation depths

圖2 杭州火車西站樞紐核心區(qū)地下空間平面布局Fig.2 Layout of underground space of Hangzhou west railway station hub core area

1.2 工程地質條件

擬建場地地貌類型屬于濱海平原區(qū)-湖沼積平原亞區(qū)，地勢開闊較平坦，覆蓋層厚度相對較大，上部主要為沖湖積粉土、黏性土層，海積的淤泥質土、黏性土層，中下部為洪沖積、坡洪積的粉質黏土、粉砂、中砂及圓礫，下伏基巖為下白堊統(tǒng)朝川組泥質粉砂巖、砂礫巖。基坑施工影響范圍內的土層有：①1雜填土，①2素填土，①3淤泥質填土，②2粉質黏土，③2砂質粉土，④1淤泥質粉質黏土，⑤1粉質黏土，⑤2粉質黏土夾粉土，⑥2粉質黏土，⑦1粉質黏土，⑦2粉質黏土，⑦夾粉砂夾粉質黏土，⑧2粉質黏土，⑧3粉砂夾粉質黏土，⑨2含砂粉質黏土，?夾粉質黏土，?2中砂，?4圓礫，?a-1全風化泥質粉砂巖，?a-2強風化泥質粉砂巖，?a-3中風化泥質粉砂巖。

其中，淺層④1淤泥質粉質黏土層厚度不均，層頂埋深0.2～5.5 m，厚度0.6～4.3 m，呈流塑狀；其下約20～30 m范圍內為黏性土，滲透系數(shù)小，土質較好；深坑坑底接近承壓含水層頂，土體滲透系數(shù)大，承壓水頭埋深約為2.45 m。

1.3 周邊環(huán)境

西站樞紐核心區(qū)場地北側、東側為河道，西側為良上線，南側為宣杭鐵路及八達物流庫房。東南角有兩層淺基礎磚混結構，東北角河道北側有一村落。綜合開發(fā)體施工前南側宣杭鐵路將停運，北側河道需遷改。

1.4 工期目標

本項目總體工期目標：機場快線、3號線和站房、站場在 2022年亞運會前建成運營，總工期僅約3.5年。此外，綜合開發(fā)體（南、北）目標完成至地面層，云門結構及外立面完成。工期壓力大，對設計、施工要求高。

2 基坑支護設計思路分析

由于開發(fā)項目數(shù)量眾多、體量龐大、深淺不一、平面距離相近、施工工期交疊，不可避免存在相鄰基坑先后施工、交叉流水作業(yè)的工況，因此在前期籌劃過程中，相關設計咨詢單位針對西站樞紐地下空間的上述特點，就以下幾個方面對核心區(qū)基坑支護方案的設計思路和關鍵技術進行了比較分析。

2.1 考慮開挖深度與建設工期的平面區(qū)塊劃分

西站樞紐核心區(qū)地下空間平面總體可分為3大區(qū)塊：A區(qū)，挖深10～17 m；B區(qū)，挖深＞20 m；C區(qū)，挖深＞20 m。在此基礎上，考慮到整體基坑由多個不同功能、不同挖深、不同開工時間、不同工期要求的子項組成，又將其進一步細分為9個區(qū)塊，如圖3所示。其中：

圖3 基坑細化分區(qū)示意圖Fig.3 Detailed zoning of foundation pit

（1）A-1區(qū)為計劃運營地鐵（3號線與機場快線）與國鐵站房交疊區(qū)域，是影響總體工期的關鍵部位，需最先進行土方開挖作業(yè)。

（2）A-1區(qū)、B-1區(qū)及C-1區(qū)為3號線與機場快線地鐵車站范圍，需盡快完成施工并投入運營。

（3）A-1區(qū)、A-2區(qū)為國鐵站房范圍，可在A-1區(qū)施工至?10 m標高時同步進行施工，有利于整體施工部署以及材料設備的全場周轉。

（4）B-2區(qū)、B-3區(qū)、C-2區(qū)、C-3區(qū)為綜合開發(fā)體地下空間以及遠期K2線、K3線標準段。其中綜合開發(fā)體目標要求為完成至地面層，而K2線、K3線則僅需完成土建部分。

（5）為避免影響地下環(huán)路和地面道路施工進度，端頭井可與鄰近基坑整體合并同步施工或先期施工。

2.2 考慮整體設計的圍護結構形式

西站樞紐核心區(qū)地下空間由多個子項組成，同時按照工期要求完成施工。若按照傳統(tǒng)設計思路對地鐵、國鐵、綜合開發(fā)體、地下環(huán)路等分別進行單獨設計、各自施工，則會帶來圍護樁基工程量大、工期長、相鄰基坑相互影響、場地周轉困難等諸多問題，尤其是工期不滿足目標要求。為縮短工期、節(jié)約工程造價、適應復雜土質條件和周邊環(huán)境的目標，可將西站樞紐核心區(qū)地下空間作為整體進行設計。

按照基坑開挖深度不同，可分為淺基坑（挖深10 m范圍）和深基坑（挖深≥17 m范圍），同時考慮到淺基坑位于深基坑兩側的有利條件，可將淺基坑和深基坑坑邊整體卸土10 m，剩余工字型深基坑范圍進行整體設計，如圖4所示。在滿足周邊環(huán)境要求的前提下，在“工字型”深基坑（挖深≥17 m）范圍內進行基坑整體設計，選擇合理圍護措施，加快施工進度，達到預定目標。

圖4 整體設計圍護結構平面示意圖Fig.4 Schematic plan of overall designed enclosure structure

整體卸土10 m的優(yōu)勢在于：（1）可結合場地平整工作，在圖紙尚不完備的條件下先放坡開挖，后施工樁基，有利于加快工期進度；（2）整體卸土后深基坑的開挖深度減小，圍護結構參數(shù)及支撐道數(shù)也能進一步優(yōu)化，由此可大大降低圍護工程造價，同時加快施工速度，減少深基坑開挖的施工時間；（3）可以協(xié)調A區(qū)和B區(qū)因開工時間不同帶來圍護結構側邊土壓力不平衡、不協(xié)調的問題。

此外，卸土的同時還可結合地下環(huán)路及管廊等建設，如圖5所示。一方面，可將放坡平臺擴大，有利于增強基坑穩(wěn)定性；另一方面，可簡化環(huán)路或管廊的圍護形式，降低圍護造價和土方回填成本，符合節(jié)能環(huán)保的理念。

圖5 圍護結構頂部放坡開挖結合地下環(huán)路設置Fig.5 Step-slope excavation above the top of envelope structure combined with the underground ring road installation

根據(jù)現(xiàn)場條件和周邊環(huán)境，采用整體卸土10 m方案時，仍存在一些限制條件，但均可通過技術措施予以解決，例如：

（1）周邊場地遇條件限制（如宣杭鐵路廢除晚、較近民居拆遷困難等）時，該處可考慮采用懸臂式排樁、土釘墻或復合土釘墻等圍護方案。

（2）大放坡范圍淺層存在④1淤泥質粉質黏土層（北側該層較薄或幾乎沒有，南側約2～3 m厚，埋深約1～2 m），根據(jù)淤泥質粉質黏土層分布，淺層放坡剖面可考慮放緩坡、土釘墻或復合土釘墻，水泥攪拌樁加固等圍護方案。

2.3 考慮施工自由度的冗余措施

由于西站樞紐核心區(qū)地下空間各子項的挖深不同、開工日期不同、建設主體不同，工程存在諸多天然界面，因此在整體設計的前提下，必須兼顧不同子項的圍護界面，采取圍護結構冗余技術措施（如圖6所示）。具體包括以下幾方面：

圖6 內部界面設置冗余措施Fig.6 Redundancy measures for internal interface

（1）A-1區(qū)與B-1區(qū)、C-1區(qū)界面：在先行實施區(qū)工期緊張的前提下，通過A-1區(qū)與B-1區(qū)、C-1區(qū)間設置冗余措施，從而達到A-1區(qū)先行實施的條件，可滿足A-1區(qū)基坑及主體結構優(yōu)先完成的目標。

（2）B-1區(qū)與B-2區(qū)、B-3區(qū)間（C-1區(qū)與C-2區(qū)、C-3區(qū)間）界面：機場線、3號線工期要求較綜合開發(fā)體、K2線、K3線更為緊張，為優(yōu)先滿足B-1區(qū)（C-1區(qū)）基坑和主體結構施工，可根據(jù)需要在此界面設置一定的冗余措施。

（3）B-1區(qū)（C-1區(qū)）內部界面：由于站房部分結構柱落在側式站房及云門基坑范圍內，其施工進度直接影響站房工期。因此可在機場線、3號線南北段與側式站房（或云門）間設置冗余措施以滿足整體工期安排。

（4）端頭井與鄰近工程界面：端頭井可根據(jù)需要先于鄰近工程實施（設置冗余措施），從而達到接收條件。

冗余措施的設置可實現(xiàn)分區(qū)設計、施工，減小施工交叉和施工干擾的目標。在整體設計的基礎上，在基坑內部界面適當設置冗余措施（包括冗余圍護墻和冗余支撐體系），有利于標段劃分和施工流水作業(yè)，可確保關鍵工程的關鍵時點滿足要求，從而增加施工自由度。

2.4 考慮整體性與經(jīng)濟性的止水帷幕設置

根據(jù)地勘資料，本項目承壓含水層頂板埋深約30 m，承壓水頭埋深約2.45 m，試算可得承壓水頭平衡臨界深度約13.6 m，而“工字型”范圍基坑開挖深度≥17 m，因此存在承壓水突涌風險，需考慮設置止水帷幕并結合降水措施。

在整體設計思路下，止水帷幕可結合“工字型”圍護結構進行設置，同步實施（見圖 7a），但“工字形”止水帷幕形狀不規(guī)則、施工工期較長、造價較高。若采用“矩形”止水帷幕，則平面規(guī)整、止水效果好、施工方便，其中A區(qū)東西側無受力要求，可僅設置單一止水帷幕，從而大大減小止水帷幕的工程量、縮短工期、降低工程造價（見圖7b）。

圖7 不同形式止水帷幕平面布置比較Fig.7 Comparison of layout of different types of waterproof curtain

采用整體止水帷幕前提，要求在A-1區(qū)及其他先行施工區(qū)域開挖至臨界深度 13.6 m前能夠實現(xiàn)平面上止水帷幕封閉。鑒于本項目工期緊張，在“矩形”止水帷幕封閉存在不確定性的情況下，也可考慮在先行實施區(qū)增加冗余止水帷幕，確保工期滿足要求。

3 結 論

杭州火車西站樞紐核心區(qū)基坑具有平面尺寸大、開挖深度深、包含子項多、地質條件復雜、工期緊等特點。基于上述特點，本文就基坑圍護平面分區(qū)、圍護結構與止水帷幕布置形式以及相關冗余措施等方面進行了探討，得出大型 TOD地下空間基坑支護設計施工中可遵循的一些基本原則：

（1）合理分區(qū)，找出影響總體工期的關鍵部分先行實施，并根據(jù)功能要求、開挖深度、工期要求等規(guī)劃先后分區(qū)施工。

（2）盡量采取整體設計，將外部界面轉化為內部界面，將多個獨立基坑轉化為一個或幾個包含局部深坑的大基坑。

（3）充分利用地下空間自身的高差特點，減少深基坑開挖深度，簡化、優(yōu)化支護形式，從而降低圍護造價，縮短工期。

（4）條件充分時，止水帷幕可沿基坑群外包絡線布置，并且盡量截彎取直。

（5）當相鄰子項或相關工序難以銜接時，可適當增設冗余措施（圍護、支撐、止水帷幕等），增加施工自由度和靈活性，確保關鍵工程的工期目標能夠順利完成。