建筑密集區半蓋挖車站圍護結構選型及分析

張剛

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000）

1 引言

隨著城市建設的快速發展以及城市人口的不斷增多，很多城市的老城區修建了地鐵，以緩解老城區的交通壓力。但是老城區建筑物密集，地下障礙物多，場地十分狹小，可利用的有限空間問題突出。在這種城市密集區對地鐵基坑圍護結構選型更為嚴格，既要承擔外圍土層壓力，又要控制基坑變形和周圍建筑物的沉降，保證周邊建構（筑）物的安全。

在地鐵工程建設中，圍護結構的設計和施工是其中一個難點。在深大基坑的圍護結構中主要有排樁和地下連續墻，內支撐主要是鋼管支撐以及鋼架混凝土支撐；地下連續墻是利用成槽機械以及泥漿護壁在地下形成一字形、T字形或π形槽體，然后下放鋼筋籠，澆筑混凝土，從而形成一道具有防滲、擋土和承重功能且連續的地下墻體；排樁指通過旋挖鉆以及泥漿護壁+止水帷幕、或樁體咬合，下放鋼筋籠、澆筑混凝土后形成的一排或者雙排的擋土支護結構[1]。

2 工程概況

2.1 車站概況

廣州市某地鐵車站沿東川路南北向布置，既有1號線車站沿中山二路東西向布置，與1號線車站呈L形換乘。車站主體為地下4層雙跨島式車站，全長170 m，標準段寬24.7 m，標準段基坑深27.35 m。因要保證市民的就醫與交通流量要求，基坑開挖方案采用半蓋挖法。

2.2 周邊環境

車站位于老城區，道路狹窄，為16 m雙向4車道；周邊建筑物密集，兩側建筑物最小間距僅為36 m，與車站結構最近建筑物僅1.8 m；車站北側為既有1號線區間，二者距離僅有8.5 m，在地鐵保護范圍內，1號線出入口在車站主體范圍內，施工時需要封閉拆除該出口；東側為人民醫院10～25層建筑物，為樁基礎并有2～3層地下室，距離車站3～5 m；西側主要為5～29層居民建筑物，高層多為樁基礎并有地下室，8層以下建筑物多為淺基礎；南側主要有2～7層建筑物，間距3～6 m，且多為淺基礎。兩側高層建筑基礎多為人工挖孔樁加錨桿支護，且錨桿侵入主體基坑范圍內[2]。

車站范圍內不僅建筑物密集，而且各種管線散布在車站兩側及車站結構正上方。有100多條通信管線分布在車站范圍內，DN800 mm排水管、DN219 mm燃氣管、DN1200 mm排水、2000 mm×1500 mm雨水渠箱、十余條10 kV、3條110 kV電纜貫穿車站。

2.3 工程地質、水文情況

車站為海陸交互相沉積地貌單元，地形較為平坦。基坑側壁巖土層類型較多，包括雜填土＜1-1＞、流塑狀淤泥質土＜2-1B＞、中砂＜3-2＞、礫砂＜3-3＞、軟塑狀粉質黏土＜4N-1＞、可塑狀粉質黏土＜4N-2＞、硬塑～堅硬狀粉質黏土＜5N-2＞，以及全風化泥質粉砂巖、粗砂巖、細砂巖＜6＞、強風化粗砂巖＜7-1＞、泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖＜7-3＞和中等風化粗砂巖＜8-1＞、泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖＜8-3＞、微風化泥質粉砂巖＜9-3＞。

3 基坑內支撐系統設計

車站基坑周邊建筑較為密集，且距離車站結構較近。同時所處地質較差，土體及巖層水較為豐富。基坑深度較深，為27.35 m。因此，內支撐的承載力要求較高，豎向需要更多支撐。結合相關資料以及計算分析，基坑等級為一級，基坑重要性系數1.1，支護結構最大水平位移0.2%H（H為基坑深度，mm），且＜30 mm。擬設置5道支撐，其中1～4道支撐選擇鋼筋混凝土支撐，第5道支撐選擇φ609 mm鋼支撐。

第1道支撐截面1000 mm×1000 mm，間距6000 mm，冠梁截面1000 mm×1000 mm；第2～4道支撐截面700 mm×800 mm，間距6000 mm，混凝土腰梁截面800 mm×800 mm；第5道支撐采用φ609 mm，厚度t=16 mm鋼管撐，間距3000 mm。

支撐的剛度計算見式（1）：

式中，KT為支撐的實際剛度，MN/m；η為支撐的松弛系數，取1.0；Ez為支撐的彈性模量，MPa；Az為支撐的截面面積，cm2；Sa為支撐的計算寬度，取1 m；L為支撐的計算寬度，m；S為支撐水平間距，m；x為計算點至支撐點的距離，取0.5 m；Ls為支撐的計算長度，m；θ為支撐與腰梁的夾角，對撐取90°，斜撐取45°；Ej為腰梁彈性模量，MPa；Ij為腰梁的慣性矩，cm4。

經軟件計算得到支撐的實際剛度。第1道支撐KT1=2767.3 MN/m；第2道支撐KT2=1586 MN/m；第3道支撐KT2=1568 MN/m；第4道支撐KT4=1985 MN/m；第5道支撐KT5=554.2 MN/m。

支撐的材料抗力計算見式（2）：

式中，T為支撐的材料抗力，kN；ζ為與工程形式有關的調整系數，取1.00；ψ為與細長比有關的調整系數；fc為混凝土抗壓強度設計值，N/mm2。

代入式（2）得：第1道支撐T1=14222 kN；第2道支撐T2=6428 kN；第3道支撐T3=6428 kN；第4道支撐T4=8545 kN；第5道支撐T5=5617 kN。根據工程類比、施工工序以及支撐的軸力計算可得支撐豎向間距，支撐豎向間距依次取5300 mm、5500 mm、5350 mm、5000 mm。

4 圍護結構選型

由于車站周圍環境復雜，基坑深度較深，且對防水要求較高，因此，選擇對地下連續墻+內支撐方案和圍護樁+φ600 mm旋噴樁+內支撐方案進行比選。

4.1 地下連續墻+內支撐方案

地下連續墻厚1000 mm，嵌固深度微風化巖層取1.5 m，中分化巖層取2.5 m，強風化取4 m，平均槽段深度取28.95 m。基坑外地面超載取用20 kPa，根據實際選取最不利孔位置MLZ3-LSLY-025，樓層高度為8層，取荷載為120 kPa，依據地下連續墻和車站相關參數及JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》，采用理正深基坑支護結構軟件F-SPW7.0，按彈性支點法和增量法計算。砂性土采用水土分算計算水土壓力，黏性土采用水土合算計算水土壓力。土的水平抗力系數按m法確定。

經過計算，地下連續墻的位移、彎矩、剪力如圖1所示，地下連續墻最大位移為：11.19 mm≤30 mm，且≤0.025%H，滿足設計要求；最大支撐軸力在第4道支撐處，為5248.55 kN；最大沉降量為14 mm，滿足JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》要求。

圖1 地下連續墻位移、彎矩、剪力圖

4.2 圍護樁+內支撐方案

樁長28.95 m鉆孔灌注樁+12 m樁間旋噴樁止水帷幕，鉆孔灌注樁直徑徑取1000 mm、間距1200 mm，旋噴樁直徑600 mm。選取與地連墻相同條件下進行計算。

經過計算，圍護樁結構位移、彎矩、剪力如圖2所示，圍護樁最大位移為：15.00 mm≤30 mm，且≤0.025%H，滿足設計要求；最大支撐軸力在第4道支撐處，為5129.59 kN；最大沉降量為17 mm，滿足設計及規范要求。

圖2 圍護樁結構位移、彎矩、剪力圖

4.3 圍護結構方案比選

經計算，地下連續墻和圍護樁結構都可以在本站實施，因此，在其他方面進行方案比選。

4.3.1 受力性能

兩種圍護結構所處環境、地層、外荷載以及內支撐設置相同，因此，對圍護結構的抗彎剛度EI進行比較，兩種結構材料的彈性模量E相同，則只比較支護結構的截面抗彎剛度I：圍護樁單元I樁=πD4/64（D為圍護樁直徑，m），地下連續墻支護單元I墻=bh3/12（b為地下連續墻厚度，m；h為截面高度，m）；經過計算I樁=0.049 m4；I墻=0.0833 m4，而I墻＞I樁；因此，地下連續墻的抗彎剛度較圍護樁大。

4.3.2 對周邊環境的影響

由于本車站距離周圍建筑物較近，且位于醫院附近，需要控制噪聲；同時在車站北端頭側8.5 m處有既有1號線區間，附近有大量居民樓房為天然基礎，因此，對施工產生的振動需要控制。由于氣候環境和地質、水文條件，地下水豐富，降水較多，所以，圍護結構需要較好的止水防滲措施。圍護樁施工時，振動大，噪聲難以控制；同時，防水措施采用φ600 mm旋噴樁，但增加止水帷幕措施，不僅增加了施工難度，也增加了對土體的擾動次數。

而地下連續墻施工采用雙輪銑成槽，振動小，降低了對附近建筑物、地鐵區間的影響；同時產生的噪聲可以控制，對居民、醫院病人的影響較小；地下連續墻接頭采用套銑接頭，該工藝成熟，已經得到較好的止水效果，不易失效，工藝簡單，結構的整體性較好。因此，在城市密集區以及地下水位較高的地質情況下，地下連續墻更加適用[3]。

4.4 經濟性比較

本工程方案研究階段，對地下連續墻及圍護樁結構進行整體工程費用估算對比（見表1）。地下連續墻雖然總體造價較圍護樁結構造價高，但整體經濟效益較為可觀。

表1 地下連續墻及圍護樁結構經濟對比表萬元

5 結語

綜上所述，通過對地下連續墻和排樁圍護結構的受力、對環境的影響、成本、適用性進行分析和計算，可以看出在城市建筑密集區地鐵基坑采用地下連續墻是不二的選擇。地下連續墻剛度較大、抗滲性好、耐久性好、安全性高、經濟性好，同時在建筑密集區施工時對周邊建筑物結構和居民生活影響較小，機械化程度高，適用于各種復雜的地質環境。通過合理規劃場地、控制施工參數等手段，地下連續墻會越來越適用于城市建筑密集區的基坑的圍護結構。