市域（郊）鐵路地下車站基坑支護設計

翟海峰

中鐵上海設計院集團有限公司 上海 200070

引言

市域（郊）鐵路地下車站的基坑開挖、降水會引起地層環(huán)境的變化、地下水水位的下降，進而造成周邊地表出現沉降變形、周邊建構筑物及管線出現相應的應力變形[1]。故地下車站基坑的設計過程時，需先根據基坑工程的規(guī)模（長、寬、深等）、基坑的周邊環(huán)境來確定基坑的安全等級、環(huán)境保護等級,再選取合適的圍護結構形式。

1 工程概況

1.1 工程地質概況

該車站基坑范圍內土層主要為雜填土、粉質黏土夾泥炭質土、黏質粉土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、砂質粉土夾粉質黏土、砂質粉土、粉砂、粉質黏土夾粉土。土層編號及物理力學參數詳見表1。

表1 土體的物理力學參數

該車站底板基本位于⑥41粉質黏土，可塑～硬塑（局部位于⑥33粉質黏土，可塑～軟塑）；

水文地質條件：潛水主要賦存于淺部土層中；微承壓水主要分布在⑥32層中，承壓水主要賦存于⑦1、⑧21、⑧22、⑧23層中，隔水層為⑥1及⑥41層暗綠～草黃色粉質黏土、⑥42層、⑧1層灰色粉質黏土。

1.2 車站基坑概況

該車站為地下二層三島五線，內部結構為兩層四柱五跨現澆框架結構。該車站外包總長1004.6m，基坑標準段開挖深度約21.8～23m，端頭井開挖深度約24～24.9m，基坑寬度為13.8～55.3m，頂板覆土厚度約4m。該車站一倍基坑范圍內無建構筑物及重大管線，圍護范圍內管線（最大管徑約0.3m）均臨時改移至車站基坑邊5m外。

結合基坑深度及周邊環(huán)境，該車站基坑安全等級取一級，基坑環(huán)境保護等級取二級。

2 支護結構選型

2.1 施工方法

地下車站的施工方法主要分明挖法、暗挖法和蓋挖法3種[2]。明挖法無論從施工難度、工期、防水質量及工程造價等方面均具有明顯的優(yōu)勢，該車站具備明挖條件，故采用明挖法施工。

2.2 基坑支護結構方案的選擇

該車站圍護結構既要有較大的剛度，又能承受水土壓力并有較理想的止水能力，圍護結構可有以下3種方式選擇：地下連續(xù)墻（單層墻、疊合墻、復合墻）、鉆孔灌注樁法+止水帷幕、鉆孔咬合灌注樁。

本基坑深度21.8～24.9m，環(huán)境保護等級二級，結合上海地區(qū)的工程設計經驗，采用1m厚地下連續(xù)墻（疊合墻）。地墻標準墻幅取6m，分幅布置時宜考慮墻縫與內部誘導縫對齊。針對本基坑寬度變化較大，在基坑較寬處（30～55.3m）采用5道砼支撐，在基坑寬度小于30m處采用兩道砼支撐+3～4道鋼支撐，砼支撐水平間距約8～9m，鋼支撐按距地墻墻縫1m設置（一幅地墻2根鋼支撐，實際間距2m+4m）。

2.3 基坑支護結構計算

通過同濟啟明星軟件FRWS計算出標準段最寬處變形及內力計算結果，坑內、坑外最大彎矩分別為2064.2KN.m和1157.8KN.m，標準段1000mm厚地下連續(xù)墻外側最大配筋取E28@150+E28@150，內側最大配筋取E32@150+ E32@150+E28@300時滿足強度要求。

2.4 基坑支護結構開挖

該車站基坑最寬處約55.3m，且坑底以上多為軟土，建議采用小尺度塊內盆式挖土的方法[3]。該方法有效地縮短了基坑無支撐暴露時間，能夠起到約束圍護結構變形的效果。基坑的深度大于18m時，預留盆邊護壁土的寬度可取6m。

3 工程樁及立柱布置

該車站結構設計應按最不利工況進行抗浮驗算，抗浮工程設計等級為甲級。施工階段抗浮安全系數不小于1.05，使用期間抗浮安全系數不小于1.10。結構自身抗浮不滿足要求時，應采取相應的抗拔措施。該車站工程樁均為永久抗拔樁，所有臨時立柱樁均利用抗拔樁。

工程樁位置需綜合考慮支撐穩(wěn)定性驗算長度及控制底板變形兩個因素：①根據支撐穩(wěn)定性驗算（最大計算長度取15m）來進行工程樁1～3（兼做立柱樁）布置。②考慮工程樁1～3及地連墻對該車站底板的豎向約束的基礎上，通過SAP2000試算結構最寬處（四柱五跨鋼筋砼結構）底板變形可知：在最大跨跨中增設一排抗拔樁時控制底板變形效果要優(yōu)于在結構柱下方增設抗拔樁，對應最大變形分別為9.6mm和13.4mm。跨中及柱下設樁底板變形對比詳見圖1。

圖1 跨中及柱下設樁底板變形對比

4 降水設計

該車站基坑開挖過程中潛水以疏干為主，承壓水按照計算分區(qū)分段按需降壓[4]。

疏干井單井有效面積按200m2/口布置，井深宜插入基底下6m，且與下部承壓水層保持一定的安全距離。

承壓含水層：地下墻已隔斷⑦1層坑內外水力聯系，采用封閉式減壓降水；⑧2層承壓含水層厚度大于30m，地下連續(xù)墻完全隔斷需加約25m的素墻，代價較大，采用懸掛式隔水帷幕。⑧2層水頭降深約為1.1～4.0m，小于5m，懸掛式隔水帷幕深度可取降水井深度下1～3m，該車站按2m控制。根據水勘實測沉降及參數取值，采用分層總和法估算，懸掛高度為2m條件下該車站周邊最大預估沉降約2.5mm。

5 車站施工對周邊環(huán)境影響

該車站基坑開挖期間周邊環(huán)境：

該車站東側周邊未拆除建構筑物有微波塔（筏板基礎，基礎底埋深4.5m）和上海金鷹線帶有限公司（磚混結構1-2層，采用條形基礎），距離主體基坑距離最近處約24.7m（一倍基坑深度范圍外）；基坑周邊臨時改遷管線（基坑5m范圍外）直徑較小，主要為給水管DN300 、燃氣管DN250及污水管DN300等其他管線。

軟件及模型：基坑開挖對周邊環(huán)境的影響數值模擬采用MADIS GTS有限元軟件；其中土層材料的本構模型采用修正摩爾-庫倫模型，結構采用梁板單元模擬，材料按線彈性考慮。計算分析結果如圖2所示。

圖2 周邊建構筑物豎向位移云圖

根據計算結果，該車站主體基坑開挖至坑底時，該車站基坑周邊房屋沉降位移7.33mm+2.5mm=9.83mm＜20mm，微波塔沉降位移17.98mm+2.5mm=20.48mm＜40mm，微波塔差異沉降值約17.98-11.18=6.8mm＜0.005L=40mm，L基礎寬度約8m，最大傾斜值6.8/8000＜5/1000，均滿足變形保護要求；該車站基坑周邊臨時改遷管線沉降位移4.25mm+2.5mm=6.75mm＜10mm，道路沉降位移4.93mm+2.5mm=7.43mm＜10mm，均滿足變形保護要求。

6 結論與建議

通過該車站的計算及分析可知：①在淺部土層主要由黏性土、淤泥質土、飽和粉性土組成的軟土地區(qū)，基坑深度20～25m，可采用1m厚地下連續(xù)墻+內支撐的圍護結構；②對于超寬的地下車站基坑，可采用小尺度塊內盆式挖土的方法縮短基坑無支撐暴露時間；③車站自身抗浮不滿足要求時，抗拔樁宜結合內部結構計算確定合適的位置，可有效減小內部結構底板的變形；④承壓水抗突涌安全系數不滿足的車站，可考慮隔斷承壓水與懸掛式隔水帷幕兩種方式。在基坑內設置降壓井進行懸掛式減壓降水的方案對周邊的環(huán)境影響較小。

地下車站的基坑支護結構需要具體工程具體分析，只有綜合考慮場地工程地質條件、水文地質條件、周邊建構筑物及管線的保護要求、內部結構的抗浮及受力需求，才能更好地進行支護結構設計，保證工程質量，同時避免工程浪費，節(jié)約工程投資。