長春地鐵站深基坑支護設計方案對比研究

王長青 王坦 熊育久

摘 要：基坑開挖工程是地下空間開發利用的關鍵環節，尤其在城市地鐵車站建設前，深基坑支護設計及其工程造價與車站安全保護的博弈是工程師面臨的重要挑戰。以長春某地鐵深基坑支護為例，根據土層勘測信息，在假定基坑地表最大沉降量17 mm情景下，選擇并設計了地下連續墻和鉆孔灌注樁2種支護方案，采用安全性、水平位移、造價等指標定量分析了不同設計方案的差異。結果表明：雖然地下連續墻因整體性好，其水平位移略小于鉆孔灌注樁1.21 mm，但鉆孔灌注樁的整體穩定和抗傾覆穩定安全系數均大于地下連續墻，具有更高的安全儲備，且鉆孔灌注樁的材料造價比地下連續墻的低三分之一，更經濟。因此，在實際施工中推薦鉆孔灌注樁作為該深基坑支護結構。

關鍵詞：地鐵;深基坑;支護方案設計;地下連續墻;鉆孔灌注樁

Comparative study on different design schemes of retaining system in deep foundation pit support at Changchun metro station

WANG Changqing1， WANG Tan2， XIONG Yujiu1

（1.School of Civil Engineering， Sun Yat-sen University， Guangzhou 510275， Guangdong， China;

2.School of Civil Engineering， Changchun Institute of Technology， Changchun 130012， Jilin， China）

Abstract： Foundation pit excavation is a key in utilizing underground space. However， it is challenging in selecting and designing retaining structure for engineering deep excavation supporting when construction of urban subway stations. In addition， the balance between cost and safety of the designed program is another major challenge. In this study， different design schemes of retaining system in deep foundation pit excavation support are compared for a metro station in Changchun city. According to the soil properties of the construction site， assuming the maximum settlement of the deep foundation pit at 17 mm， two commonly used retaining systems， underground diaphragm wall and cast-in-place bored pile are selected and designed. Then， the two systems are quantitatively compared in terms of safety， horizontal displacement， and cost. The results show that although the horizontal displacement under the underground diaphragm wall is 1.21 mm smaller than that of cast-in-place bored pile， the cast-in-place bored pile performs better in global stabilization and anti-overturning stability safety. Moreover， the material cost of the cast-in-place bored pile is one third lower than that of the underground diaphragm wall. The conclusion： the cast-in-place bored pile can be used as the supporting structure of the deep excavation.

Keywords： metro; deep foundation pit; scheme of retaining system; underground diaphragm wall; cast-in-place bored pile

隨著我國社會經濟發展，特別是快速城市化（邱國玉等，2019），城市人口越來越密集，給城市帶來發展機遇的同時也極大地增加了城市交通壓力。由于地鐵具有節能環保、運輸能力大、不侵占地面空間、交通組織相對簡單等優點，是有效緩解城市巨大交通壓力的理想交通方式（梁寧慧等，2008）。

地鐵建設過程中，地鐵車站基坑開挖工程，尤其是開挖深度大于7 m的深基坑，是地下空間開發利用的關鍵環節。根據JGJ 120―2012《建筑基坑支護技術規程》，目前常用于深基坑支護類型主要有錨桿式結構、支撐式結構、排樁、支護結構與主體結構結合的逆作法。對基坑周邊環境條件非常復雜的深基坑，通常采用排樁，或者支護結構與主體結構相結合的逆作法，由于城市中基坑工程往往臨近建筑物地下室以及受到建筑紅線的約束，常常限制了錨桿式結構的應用（郭瑾，2014），因此，支撐式結構和排樁是常用于深基坑支護工程的2種支護結構。深基坑支護工程面臨著許多安全問題，因深基坑支護工程涉及土力學、工程地質、結構工程等多個學科，以及施工過程的多環節性，其復雜性導致不論是在設計還是施工中都極具不確定性（劉興華，2016），開挖深度的增加，必然導致周邊環境復雜化（張訓玉，2021），深基坑支護設計及其工程造價與車站安全保護的博弈是工程師面臨的重要挑戰（楊海林，2013）。

長春地區地鐵建設尚處于萌芽階段（黃靜莉，2013），鑒于不同地質條件對地鐵建設的影響不同，本文以長春某擬建地鐵車站為例，根據車站工程地質條件及基坑工程手冊（劉國彬等，2009），選擇并對比地下連續墻（支撐式）和鉆孔灌注樁（排樁）2種常用深基坑支護結構，以地表垂直沉降量作為控制條件，設計不同支護方案，從安全性（整體穩定性和抗傾覆穩定性）、水平位移、材料造價等3個指標定量分析不同支護方案總體效果，為長春地區地鐵車站深基坑的支護方案設計提供參考。

1? 研究方法

1.1? 工程概況

擬建的長春地鐵5號線一期工程越達路車站，位于硅谷大街與西越達路交匯處西越達路東側，附近主要建筑物為其南側的益田硅谷新城和市政停車場，車站沿硅谷大街道路北側建設，硅谷大街道路紅線寬度為100 m，西越達路道路紅線寬度為24 m，其結構為地下雙層兩跨島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層。

車站設計總長218.4 m，標準段車站寬度為19.7 m。車站主體結構采用現澆鋼筋混凝土地下雙層兩跨箱形框架結構，由側墻、梁、板、柱等構件組成，沿車站縱向設置縱梁體系;車站頂板覆土厚度3.2～4.2 m，計算時考慮地面超載20 kPa，底板埋深16.6～18.2 m;車站基坑平均開挖深度為17.3 m。車站地下水位約深3.1 m，地下水類型主要為孔隙潛水和承壓水：孔隙潛水水位埋深為1.2～5.0 m，水位標高194.29～233.24 m，含水層主要為粉質黏土②1層、粉質黏土②2層，隔水層主要為硬塑的粉質黏土②3層、粉質黏土②4層，其具有明顯的豐、枯水期變化，多年變化平均值1.5 m;承壓水水頭埋深2.6～3.7 m，水頭標高194.75～213.65 m，以粉質黏土②3層、粉質黏土②4層為相對隔水頂板，含水層巖性為中粗砂層③、全風化泥巖層④。場地土層自上而下分別為填土層、粉質黏土層、全風化泥巖。各土層的物理信息依次如表1所示。

結合表1，車站深基坑支護的特殊性在于：1）各土層厚度變化較大，特別是粉質黏土②，平均變化幅度1～17 m;2）地下水位較高，孔隙潛水的多年平均水位為1.5 m;3）基坑開挖深度較深，開挖深度達17.3 m。土層厚度變化大增加了支護的安全風險，基坑開挖深度深增加了基坑的潛在變形量，故在進行方案比選時，考慮經濟性的同時，應重點關注各支護方案的安全性指標（整體穩定性安全系數、抗傾覆穩定系數）和基坑變形。因此，在進行支護方案比選時，從深基坑受力變形角度，采用整體穩定性安全系數、抗傾覆穩定系數評價方案的安全性，結合材料工程造價，綜合評定不同支護方案。

1.2? 支護設計方案

基坑開挖深度為17.3 m，根據《長春市城市軌道交通5號線一期工程初步設計技術要求》（北京城建設計發展集團股份有限公司，2020），需控制基坑地表最大垂直沉降量小于26 mm。地面沉降是由于自然和人為因素導致土層被壓縮致使地面高程降低的地質現象（歐智德等，2021），由于地表沉降量與基坑安全密切相關（徐方京等，1993），本文以基坑最大地表垂直沉降量作為控制條件，按照樁徑和墻厚調整規則（樁徑、墻厚一般以200 mm的倍數調整），參考Peck（1969）和候學淵等（1989）前人研究成果，結合本工程土層地質條件選擇指數法計算地表沉降量，經理正深基坑結構設計軟件解出最大地表垂直沉降量為17 mm。在此工況情景下，根據車站基坑開挖深度以及工程地質條件選擇地下連續墻和鉆孔灌注樁2種常用支護方案，設計并計算詳細的基坑支護參數，計算采用理正深基坑支護結構設計軟件完成。支護方案設計中的處理包括：1）根據相似性，將粉質黏土②1與粉質黏土②2合并為黏性土，粉質黏土②3與粉質黏土②4合并成為粉土，各層物理參數見表2，根據《工程地質手冊》（2018），各土層重度參數由勘測的各土層的天然含水量及塑限含水量確定。2）基坑外側水位埋深設為3.1 m，基坑內側降水深度設為基坑頂面以下18.3 m，且假定內側水位不隨開挖過程發生變化。

根據JGJ 120―2012《建筑基坑支護技術規程》和《基坑工程手冊》要求，參考深基坑工程實踐經驗，圍護結構厚度一般取0.05倍基坑開挖深度。王浩等人（2016）對不同寬度的基坑研究表明，當插入比小于1.0時，隨著插入比的增大，圍護結構的最大水平位移明顯減少，但當插入比超過1.0以后，水平位移減小效果并不顯著，故在進行方案設計時，不能為了減少材料造價或者減少圍護結構的水平位移盲目增加支護結構的嵌固深度。據此，2種不同支護方案最終設計結果如下：1）地下連續墻設計墻體厚度為800 mm，支護深度設計為26.8 m，嵌固深度為9.5 m，冠梁高、寬分別為800 mm;基坑外側水位設為3.1 m，基坑內側降水深度設為18.3 m（圖1 a）;選擇內支撐直徑630 mm，壁厚16 mm的Q235鋼支撐，水平間距設定5 m，第一道和最后一道鋼支撐距離基坑邊緣4.2 m（圖1 c），豎向設置4道鋼支撐，第一、二、三、四道支撐分別位于冠梁標高以下0、4.5 m、9 m、13 m處，鋼支撐詳細布置見圖2。2）鉆孔灌注樁樁長26.3 m，嵌固深度9 m，樁身材料采用強度等級為C30的鋼筋混凝土;由于承壓水層水位標高為194.8～213.7 m，大部分在基坑開挖面以下，因此，主要以疏導潛水為主，采取坑外管井降水，坑內明排，基坑內外承壓水水頭最大為4.5 m，根據JGJ 120―2012《建筑基坑支護技術規程》計算，止水帷幕進入隔水層深度為0.9 m，且不宜小于1.5 m，在此基礎上根據JGJ 120―2012《建筑基坑支護技術規程》采用兩管法（張義東等，2005）設計了單排樁徑600 mm、中心距300 mm的高壓旋噴止水帷幕，樁長為20 m。冠梁高寬為800 mm × 800 mm（圖1 b）。鉆孔灌注樁為圓形截面，樁徑800 mm，沿基坑寬度方向第一個樁間距為0.85 m，其余樁間距1200 mm（圖1 d）

根據受力和配筋要求，2種支護方案的受力筋采用HRB335級鋼筋，箍筋和分布筋采用HPB300級鋼筋。鉆孔灌注樁與地下連續墻的鋼支撐布置與基坑內外側水位設置相同，豎向設置4道鋼支撐，第一、二、三、四道支撐分別位于冠梁標高以下0、4.5 m、9 m、13 m處，鋼支撐詳細布置見圖2。

1.3? 不同支護方案對比方法

采用三類指標，即安全性（整體穩定性和抗傾覆穩定性）、支護結構的最大水平位移量、支護結構造價，對比判斷2種不同支護方案的差異，各指標計算方法如下：

1.3.1? 安全性指標

安全性指標包括基坑整體穩定性安全系數Ks和抗傾覆穩定性安全系數Kov。采用瑞典條分法計算整體穩定性安全系數Ks（式1）、根據《基坑工程手冊》計算抗傾覆穩定性安全系數Kov（式2）

K_S=（∑（c_i l_i+W_i cosθ_i tg?_i））/（∑W_i sinθ_i ） （1）

式中，Ks為安全系數，ci 為條塊的黏聚力，li 為條塊的弧長，Wi 為條塊的重量，θi 為第i個條塊底部的坡角，?_i為條塊的內摩擦角。整體穩定安全系數越大，基坑抗滑移穩定性越好。

K_ov=M_P/M_a ?????? （2）

式中，Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩，Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

1.3.2? 最大水平位移指標

在計算支護結構變形量時，因彈性地基梁法能夠得到較為理想的結果（田嬌等，2011），故根據《基坑工程手冊》采用彈性地基梁法建立的微分方程計算支護結構最大水平位移量（式3、式4）：

EI （d^（_4 ） y）/（dz^4 ）-e_a （z）=0 （0≤z≤hn）? （3）

EI （d^4 y）/（dz^4 ）+mb_0 （z-h_n）y-e_a （z）=0 （z > hn）? （4）

式中，EI為支護結構的抗彎剛度，y為支護結構的水平側向位移，z為土層深度，ea（z）為 z 深度處的主動土壓力，m為土層水平抗力系數，hn為第n步的開挖深度，b0為長度。

1.3.3? 支護方案造價指標

以2種支護方案的材料費與土方開挖費的總造價作為2種支護方案的造價指標，其中2種支護方案所用材料包括：配筋時采用的光圓鋼筋HPB300和熱軋帶肋鋼筋HRB335，鋼支撐所用材料為Q235鋼以及商品混凝土C30。根據吉林省建設工程造價信息網公布的各施工材料單價（吉林省建設工程造價信息網，2021），以及各材料用量計算總造價，各材料及土方開挖單價信息見表3。

2? 結果與分析

2.1? 支護方案安全性對比

2種支護方案的安全性指標計算結果如圖3所示。計算結果表明：地下連續墻與鉆孔灌注樁的整體穩定安全系數Ks分別為1.670和1.742，均大于1.35;抗傾覆穩定安全系數Kov分別為3.208和3.749，均大于1.25，滿足JGJ 120―2012《建筑基坑支護技術規程》要求，但是從計算結果來看，2種支護方案的安全性系數很接近，在工程上可以認為兩者擁有一樣的安全性能。在地表最大垂直沉降量基本一致的條件下，鉆孔灌注樁的整體穩定安全系數和抗傾覆安全系數均大于地下連續墻，說明鉆孔灌注樁比地下連續墻有更高的安全儲備，這可能是鉆孔灌注樁在施工鉆孔時，泥漿護壁作用對周圍土體起到了一定的粘結加固作用，一定程度上增加了土體的穩定性。

2.2? 支護方案最大水平位移對比

2種支護方案最大水平位移計算結果見表4。計算結果表明：地下連續墻與鉆孔灌注樁的最大水平位移量分別為15.69 mm和16.90 mm;在開挖過程中地下連續墻與鉆孔灌注樁的最大彎矩與最大剪力均發生在第4道內撐處，即開挖深度的四分之三處，其所承受最大彎矩分別為693.97 kN·m和522.10 kN·m，最大剪力分別為424.14 kN 和418.90 kN 。從計算結果可以看出，在地表最大垂直沉降量一致的條件下，鉆孔灌注樁的最大彎矩和剪力均明顯小于地下連續墻，這是因為鉆孔灌注樁剛度小于地下連續墻，導致其水平位移量大于地下連續墻，進而導致其內力趨于減小（高文華等，2001），從而相對減小其所受到的最大彎矩和剪力，利于鉆孔灌注樁圍護結構的安全使用，但地下連續墻的最大水平位移要比鉆孔灌注樁小，這是因為地下連續墻整體性好、剛度大，抵抗變形的能力更強。

2.3? 支護方案材料造價對比

依據JLJD―JZ―2019《吉林省建筑工程計價定額》土方開挖為一、二類土，機械挖土方占98%，2種支護方案材料造價計算結果如圖4所示，計算結果表明，其中地下連續墻的總造價為1438.3萬元，鉆孔灌注樁的總造價為1096.5萬元，地下連續墻比鉆孔灌注樁高出341.8萬元，僅從材料的用量考慮，在最大垂直沉降量基本一致的條件下，鉆孔灌注樁的材料用量造價低，施工方便，更加經濟。

2.4? 支護方案差異討論

在實際施工時，需要綜合考慮各方面因素，尤其是施工的風險把控，一旦出現意外，所造成的財產損失將會更大（但禮堂，2012）。2種支護方案的3個指標綜合對比結果見表5。

從表5可以看出，鉆孔灌注樁的安全性指標和經濟性指標均明顯優于地下連續墻，只有變形指標略低于地下連續墻，但地下連續墻水平位移小于鉆孔灌注樁1.21 mm，因此，在實際施工中推薦采用鉆孔灌注樁作為該深基坑支護結構。

上文在對比2種支護方案優劣時，認為3種指標重要性一致。但即使考慮權重，按其重要性程度利用經驗加權評分法（鄒洪海，2005）分別賦予安全性、造價、變形3種指標不同權重，評價結果表明：鉆孔灌注樁依然優于地下連續墻。盡管長春位于寒冷地區，季節性凍土會對樁間土產生一定的影響（如脫落掉塊現象），但當巖土層含水量較少且能切斷其周邊自由水和薄膜水的補給通道時，凍脹危害性能夠得到消除，如在坑壁上布設水平排水滲管、對坑壁覆蓋保溫材料，減小土層凍結厚度等（李魯忠，2012）。從安全性角度分析，地下連續墻的結構剛度、整體性、抗滲性以及受力均優于鉆孔灌注樁方案。從經濟性角度分析，鉆孔灌注樁要顯著低于地下連續墻方案。計算結果表明，設計的鉆孔灌注樁、地下連續墻均滿足規范的安全性要求，但綜合考慮材料費用，鉆孔灌注樁方案更適合。

深基坑支護設計方案優選結果與長春已建地鐵，如一號線的慶豐路站、長春輕軌三期偽皇宮站、長春軌道交通7號線吉大四院站，采用的基坑支護形式相一致，均為鉆孔灌注樁方案，表明該方案在該地區應用較好。其中長春地鐵一號線慶豐路站（馬譜文，2015），工程地質及水文地質條件與本案例中的車站類似，其基坑平均開挖深度為18.6 m，采用直徑800 mm，間距1200 mm鉆孔灌注樁作為支護結構。不同的是慶豐路站部分承壓水水頭標高在基坑開挖面以上，在降水時采用設置減壓井來控制承壓水水位，減少地下水對基坑的影響。考慮到承壓水分布具有一定的不確定性，本文設計的鉆孔灌注樁方案采用在基坑四周布置止水帷幕，更好地減少地下水對基坑的影響。

本車站基坑平均開挖深度為17.2 m，長春輕軌三期偽皇宮站和長春軌道交通7號線吉大四院站基坑開挖深度則更深（高云昊等，2011;張險濤，2021），基坑的變形比本文車站更難控制，其中偽皇宮站的車站入口基坑開挖深度為20.1 m，采用直徑1000 mm、間距1200 mm的鉆孔灌注樁作為支護結構;而吉大四院站的基坑平均開挖深度達到21.2 m，采用的是直徑1000 mm的鉆孔灌注樁。綜上所述，本案例中地鐵深基坑采用鉆孔灌注樁方案是合理的，符合長春相似地鐵深基坑支護設計。

此外，在設計過程中，發現鉆孔灌注樁在樁徑一定的情況下，其最大水平位移不隨樁間距的增大而增大，比如樁徑為800 mm的鉆孔灌注樁，樁間距為1 m時的最大水平位移量大于樁間距為1.2 m時的最大水平位移量，說明為了控制變形，不能盲目采用減少樁間距的辦法。盡管綜合3種指標，鉆孔灌注樁更適合作為長春地區的深基坑支護結構，但隨著施工技術的提高以及施工成本的降低，地下連續墻固有優勢（張峰，2014）及其與地下結構外墻“兩墻合一”模型研究表明，墻體因其彎矩較小，且隨著荷載的增加，墻體彎矩的變化不明顯（謝志秦等，2012），若能得到應用和發展，將使許多工程既確保了工程質量和進度，又減小了結構斷面，節省混凝土用量。

3? 結論

在保持地表垂直最大沉降量一致的條件下，分析長春某地鐵工程中地下連續墻和鉆孔灌注樁2種深基坑支護方案的安全性、最大水平位移、造價3種指標，結果表明：1）鉆孔灌注樁整體穩定性和抗傾覆穩定性安全系數均大于地下連續墻，擁有更高的安全儲備。2）地下連續墻水平位移量小于鉆孔灌注樁，地下連續墻的整體性好、剛度大，可以抵抗更大的變形。3）僅考慮材料用量，鉆孔灌注樁可以節約三分之一的費用。在滿足相應基坑水平位移變形標準的條件下，綜合考慮3項指標，鉆孔灌注樁更適合作為此車站深基坑支護結構。

參考文獻

北京城建設計發展集團股份有限公司，2020. 長春市城市軌道交通5號線一期工程初步設計技術要求[Z].

但禮堂，2012. 深基坑支護選型排樁和地下連續墻的優選分析[J]. 城市建設理論研究，16（6）.

郭瑾，2014. T形地下連續墻的優化設計[D]. 廣州：華南理工大學.

高文華，楊林德，沈蒲生，2001. 軟土深基坑支護結構內力與變形時空效應的影響因素分析[J]. 土木工程學報，（5）： 90-96.

高云昊，杜修力，張雪峰，張新東，2011. 長春輕軌三期地下車站施工風險分析[J]. 鐵道建筑（12）： 61-63.

候學淵，陳永福，1989. 深基坑開挖引起周圍地基土沉陷計算[J]. 巖土工程師，1（1）： 1-13.

黃靜莉，2013. 長春市中心區地下空間巖土體可利用性分析與評價[D]. 長春：吉林大學.

工程地質手冊編委會，2018. 工程地質手冊[M]. 5版. 北京：中國建筑工業出版社.

吉林省建設工程造價信息網[EB/OL]. http：//www.jlszjw.com/price_list.php.[2021-01-09].

李魯忠，2012. 冬季土體凍脹對基坑支護工程的影響及處理措施[J]. 工程質量，30（10）： 75-78.

梁寧慧，劉新榮，曹學山，鐘正君，廖靖，2008. 中國城市地鐵建設的現狀和發展戰略[J]. 重慶建筑大學學報，30（6）： 81-85.

劉國彬，王衛東，2009. 基坑工程手冊[M]. 2版. 北京：中國建筑工業出版社.

劉興華，2016. 深基坑支護方案優選研究及應用[D]. 長春：吉林大學.

馬譜文，2015. 地鐵車站深基坑降水設計[J]. 工程建設與設計（2）： 68-70.

歐智德，鄒杰，2021. 佛山市瓷海國際陶瓷城地面沉降成因分析[J]. 城市地質，16（2）： 192-198.

邱國玉，張曉楠，2019. 21世紀中國的城市化特點及其生態環境挑戰[J]. 地球科學進展，34（6）：640-649.

田嬌，王曉艷，蔡永昌，2011. 無錫地鐵深基坑支護結構受力變形特性研究[J]. 地下空間與工程學報，7（6）： 1065-1071.

王浩，賈敏才，楊修晗，2016. 基坑變形的尺度效應及控制措施研究[J]. 四川建筑科學研究，42（1）： 69-74.

徐方京，譚敬慧，1993. 地下連續墻深基坑開挖綜合特性研究[J]. 巖土工程學報（6）： 28-33.

謝志秦，吉海軍，胡小勇，2012. 地下連續墻與地下結構外墻兩墻合一模型試驗研究[J]. 四川建筑科學研究，38（4）： 136-138.

楊海林，2013. 建筑深基坑支護優化設計研究及應用[D]. 中國地質大學（北京）.

鄒洪海，2005. 關于深基坑支護結構設計方案的優選和優化設計探討[D]. 青島：中國海洋大學.

張義東，張志山，李和山，查振衡，2005. 旋噴防滲墻在深基坑中的應用[J]. 人民珠江（1）： 37-39.

張峰，2014. 深厚軟土層中超深基坑地下連續墻支護的設計與實踐[J]. 城市地質，9（1）： 46-49.

張訓玉，2021. 緊鄰地鐵隧道及車站的深基坑設計與施工實例[J]. 城市地質，16（3）： 314-318.

張險濤，2021. 長春地鐵七號線吉大四院站深基坑支護施工技術分析[J]. 居舍（5）： 48-49+51.

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.

JLJD―JZ―2019 吉林省建筑工程計價定額（2019版） [M]. 長春：吉林人民出版社.

PECK R B， 1969. Deep Excavation and Tunneling in Soft Ground [C]//7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering， Mexico： 225-290.