吳翔天， 丁烈勇， 周 誠， 余群舟

(1．西安科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054；2．武漢光谷建設(shè)投資有限公司， 湖北 武漢 430074；3．華中科技大學(xué) a．土木工程與力學(xué)學(xué)院； b．控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430074)

我國的城市軌道交通尤其是地鐵建設(shè)正處于高速發(fā)展期。迄今為止，全國已經(jīng)擁有地鐵的城市是10個，共有19個城市57條地鐵線路同時在建。2015年前后，將建成89條地鐵線路、總里程2495 km，2010至2015年地鐵建設(shè)投資規(guī)劃總額將達(dá)11,568億元。由于地鐵工程建設(shè)風(fēng)險高，周期長，規(guī)模大，地質(zhì)水文環(huán)境復(fù)雜，加上管理失誤，地鐵工程施工安全事故呈明顯上升趨勢。地下工程發(fā)生事故的原因是多方面的，由于設(shè)計(jì)失誤導(dǎo)致的風(fēng)險責(zé)任界定不清，而這些風(fēng)險往往到施工時才反映出來[1～4]，因此，加強(qiáng)地鐵設(shè)計(jì)風(fēng)險管理，特別是地鐵車站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)，是確保地鐵車站深基坑施工安全的重要環(huán)節(jié)。

地鐵車站深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中首要的任務(wù)就是結(jié)合地質(zhì)水文條件，周邊建筑物及地下管線等工程環(huán)境，選擇安全、經(jīng)濟(jì)、合理的支護(hù)型式[5～9]，然后進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)截面、配筋、支撐或錨桿尺寸、入土深度等的設(shè)計(jì)。同一個地鐵車站深基坑，若采用不同的支護(hù)型式，安全性能和綜合造價相差可能是巨大的。本文通過武漢地鐵二號線一期工程幾個典型的車站深基坑工程支護(hù)型式的分析，闡明地鐵車站深基坑支護(hù)型式選型的具體方法，供參考。

1 車站深基坑支護(hù)型式特點(diǎn)及選型

武漢地處江漢平原東部，地勢為東高西低，南高北低，中間被長江、漢江呈Y字形切割成三塊，即武漢三鎮(zhèn)。武漢地區(qū)的長江最高洪水位為29.73 m(吳淞高程系統(tǒng))，最低枯水位8.87 m，水位升降幅度20.86 m。長江水與其兩岸承壓水有密切的水力聯(lián)系，互補(bǔ)關(guān)系明顯。武漢地區(qū)地貌形態(tài)主要有三種類型[5]，如圖1所示。

圖1 武漢長江階地分布

(1)剝蝕丘陵區(qū)：主要分布在武昌、漢陽地區(qū)，丘陵呈線狀或殘丘狀分布，如武昌的磨山、珞珈山、漢陽的扁擔(dān)山等，丘頂高為80～150 m，組成殘丘的地層為志留系與泥盆系的砂頁巖。

(2)剝蝕堆積垅崗區(qū)：主要分布在武昌、漢陽的平原湖區(qū)與殘丘之間，地形波狀起伏，垅崗與坳溝相間分布，高程為28～35 m(相當(dāng)于長江Ⅲ級階地)。組成垅崗的地層主要為中、上更新統(tǒng)粘性土(老粘土)。地層地質(zhì)大部分粘土、粉質(zhì)粘土夾碎石，屬老粘土，遇水有可塑性、膨脹性的特征，失水干裂遇水膨脹，膨脹土中裂隙較發(fā)育，裂面光滑。裂隙中富水時可能導(dǎo)致基坑失穩(wěn)。總體土質(zhì)較好，圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般選用排樁支護(hù)。

(3)堆積平原區(qū)：分布于整個漢口市區(qū)及武昌、漢陽沿江一帶，主要為由長江、漢江沖洪積物構(gòu)成的Ⅰ、Ⅱ級階地。Ⅰ級階地廣泛分布于長江、漢江兩岸地區(qū)，地面標(biāo)高19～21 m。地層由全新統(tǒng)粘性土、砂性土及砂卵石層構(gòu)成。 該區(qū)域土層結(jié)構(gòu)除表層部分人工填土外，上部為粘性土，下部為砂土(含礫、卵石)，呈典型的二元結(jié)構(gòu)，下伏基巖為志留系中統(tǒng)墳頭組泥巖。巖性以粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂互層、粉細(xì)砂、細(xì)砂為主。

由于該區(qū)域地下水含量豐富，孔隙承壓水為賦存于第四系全新統(tǒng)沖積粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂互層土及砂卵石層中承壓水，與長江、漢江具有水力聯(lián)系，其上覆粘性土層及下伏基巖為相對隔水頂、底板。為了防止地下水滲透進(jìn)入基坑內(nèi)，可能造成基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞，一般選用剛度大止水效果好的地連墻做圍護(hù)結(jié)構(gòu) ，為防止出現(xiàn)坑底涌水涌砂，在基坑開挖前應(yīng)進(jìn)行降水。

針對武漢地區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)水文條件，要合理選擇車站深基坑支護(hù)的型式，一方面要結(jié)合各種支護(hù)型式的特點(diǎn)， 另一方面要結(jié)合地質(zhì)條件和周邊的環(huán)境和工程造價進(jìn)行綜合考慮。 一般支護(hù)的型式的適用范圍和主要特點(diǎn)可簡單概括為[10～13]：

(1)放坡。放坡適用場地開闊，無變形控制要求，造價低。在武漢市郊區(qū)的幾個車站，如金銀潭、楊春湖車站均使用放坡支護(hù)型式。

(2)排樁支護(hù)。鋼筋混凝土排樁剛度大，抗彎能力強(qiáng)，變形較小，有利于保護(hù)周邊環(huán)境，且價格相對較低。鉆孔灌注樁不能做到相割或相切，因而不連續(xù)，實(shí)際應(yīng)用中一般要加圍檁加強(qiáng)并做防水帷幕防水。在武昌剝蝕堆積垅崗區(qū)的地鐵車站深基坑大部分使用這種支護(hù)方式，如寶通禪寺站、光谷站、名都花園站等。

(3)地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻剛度大，止水效果好，是支護(hù)結(jié)構(gòu)中最強(qiáng)的支護(hù)型式，適用于地質(zhì)條件差和復(fù)雜、基坑深度大、周邊環(huán)境要求高的深基坑支護(hù)，但造價較高，施工要求專用設(shè)備。若能與地下結(jié)構(gòu)結(jié)合使用，即施工后成為地下結(jié)構(gòu)的一個組成部分則較為理想。在漢口長江Ⅰ級階地的地鐵車站深基坑基本使用這種支護(hù)方式。通常連續(xù)墻的厚度為600 mm、800 mm、1000 mm，也有厚達(dá)1500 mm的，但較少用，例如武漢地鐵越江隧道江南、江北風(fēng)井基坑開挖深度分別為38 m和46 m，均采用1500 mm的地下連續(xù)墻。在武昌長江Ⅲ級地，環(huán)境復(fù)雜要求基坑開挖變形小的條件下，部分車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)也采用地連墻，如武昌的中南路車站，本車站地連墻設(shè)計(jì)成為車站永久結(jié)構(gòu)的組成部分，做到了節(jié)約投資。

(4)支撐形式。支撐一般分為基坑內(nèi)的支撐和基坑外的拉錨兩類。在城市繁華區(qū)域施工地鐵車站，由于受到場地限制及周邊環(huán)境的要求，一般采用基坑內(nèi)支撐。內(nèi)支撐常用的有鋼支撐、鋼筋混凝土支撐。鋼筋砼支撐剛度大，能夠做到先撐后挖，但拆除不方便，造價高；鋼支撐剛度相對小一些，但拆除方便，可預(yù)加軸力達(dá)到控制位移的目的，但一般施工中很難做到及時支撐。 武漢地鐵車站深基坑開挖中，結(jié)合地質(zhì)及周邊環(huán)境特點(diǎn)采用不同組合形式的內(nèi)支撐，在長江Ⅰ級階地一般用鋼筋混凝土支撐與鋼支撐相結(jié)合方式，如循禮門車站第一道采用鋼筋砼支撐，其他采用鋼管支撐；在長江Ⅲ級階地一般采用鋼支撐。

2 工程實(shí)例分析

2.1 長江Ⅰ級階地區(qū)地鐵車站深基坑支護(hù)

2.1.1積玉橋車站

積玉橋車站位置處于長江Ⅰ階地向Ⅱ級階地過渡地帶。主體結(jié)構(gòu)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用復(fù)合地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，墻厚800 mm，中間設(shè)防水層。冠梁采用C30鋼筋砼，截面尺寸為800 mm×1400 mm，冠梁兼做壓頂梁。標(biāo)準(zhǔn)段、兩端頭井支撐只設(shè)置四道鋼管支撐，沒有用鋼筋混凝土支撐。車站主體結(jié)構(gòu)底板位于淤泥質(zhì)土層，厚約1.5 m，基底淤泥質(zhì)土采用三軸和單軸攪拌樁進(jìn)行裙邊和抽條加固，如圖2、圖3所示。車站標(biāo)準(zhǔn)段框架柱距一般為縱向8.0 m，沿縱向設(shè)梁。該設(shè)計(jì)方案是較合適的方案，地連墻剛性大，入土比較大，因此是較合理的方案。當(dāng)然，對本工程，由于距離長江最近距離400 m，為防止出現(xiàn)基坑坑底突涌所使用的裙邊和抽條加固，一定程度上增加了工程造價。

圖2 積玉橋車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面

圖3 積玉橋車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面

2.1.2江漢路車站

圖4 江漢路車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面

江漢路車站位置處于長江Ⅰ階地，主體結(jié)構(gòu)為矩形加三角外掛鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，車站主體基坑深24.7 m，設(shè)地下四層。三角外掛部分基坑深14.5 m，基坑是武漢著名的百年商業(yè)老街——江漢路步行街與中山大道和花樓街合圍的繁華商業(yè)地段，人流密集。設(shè)計(jì)方案充分考慮到周邊環(huán)境復(fù)雜，且承壓水位高、開挖深度深的特點(diǎn)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，墻厚1000 mm，平均深度57 m，入巖5.5 m。標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)支撐設(shè)置五道鋼筋混凝土支撐，第六道支撐采用鋼管支撐，中間設(shè)抗拔樁，如圖4所示。 該方案采用地下連續(xù)墻加砼支撐，剛度大，減少對基坑外土體擾動?；娱_挖前采用深井降水，將地下水降到開挖土體以下，確保開挖中基底不出現(xiàn)涌水涌砂。

2.2 長江Ⅰ級階地區(qū)地鐵車站深基坑連續(xù)墻落底的必要性分析

2.2.1循禮門車站

循禮門車站主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地連墻加內(nèi)支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合墻的連接方式。地下連續(xù)墻墻厚800 mm，平均深度52 m，入巖1.5 m。采用剛性的H型鋼接頭。圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐設(shè)置5道支撐，其中第一道采用鋼筋混凝土支撐，2～5道設(shè)置鋼支撐，第四道采用雙拼設(shè)置。鋼支撐均采用直徑609 mm，壁厚16 mm的鋼管。為加強(qiáng)基坑的穩(wěn)定，在5個大的拐角處，設(shè)300厚C30混凝土角撐，層數(shù)同支撐，上下與鋼支撐錯開。

該設(shè)計(jì)方案在實(shí)際施工中由于地連墻深度大于周邊輕軌樁深，引起輕軌下沉達(dá)18 mm，且設(shè)計(jì)考慮是坑內(nèi)降水，因此地連墻落底入巖，但由于連續(xù)墻滲漏并未實(shí)現(xiàn)實(shí)際設(shè)計(jì)意圖，如圖5所示。原因在于落底式連續(xù)墻條件下的坑內(nèi)降水易造成較大的水頭差壓力，使得地連墻接縫等薄弱位置的滲漏風(fēng)險增加。

圖5 循禮門車站施工

2.2.2中山公園站

中山公園車站主體及附屬均為明挖法施工，車站主體基坑采用地下連續(xù)墻結(jié)合內(nèi)支撐系統(tǒng)支護(hù)，地下連續(xù)墻墻寬800 mm，混凝土強(qiáng)度為C30。地下連續(xù)墻標(biāo)準(zhǔn)段深度為26.6～27.4 m，盾構(gòu)井段為28.3～29.1 m，連續(xù)墻采用H型鋼接頭?；又尾捎忙?09鋼管，由上至下標(biāo)準(zhǔn)段基礎(chǔ)坑設(shè)置3道支撐，盾構(gòu)井段為4道，其中第3道支撐需要換撐。第1道支撐鋼管壁厚為12 mm，其余支撐壁厚均為16 mm?；訕?biāo)準(zhǔn)段平均開挖深度為16.6 m，盾構(gòu)井段17.6 m，其中局部加深廢水池挖深達(dá)到19 m，如圖6所示。

圖6 中山公園車站施工

該車站與循禮門車站地層結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境及其類似，但在設(shè)計(jì)過程中正確認(rèn)識了基坑降水和地連墻深度間的關(guān)系，即相信深井降水引起地面沉降不會造成周圍建(構(gòu))筑物及管線破壞。設(shè)計(jì)優(yōu)化把落底式地連墻改為懸掛式地連墻，減少工程造價達(dá)5000萬元。實(shí)際工程監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，按優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案，基坑施工引起高架橋沉降1～2 mm；距離基坑最近距離3.5 m的建于50年代條基建筑物廣電大廈沉降控制在30 mm以內(nèi)，目前該車站主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)封頂。因此，在基巖埋深大于40 m時，宜用懸掛式地連墻加深井降水，而基坑埋深在30 m左右且含水層為互層土?xí)r，可用落底式地連墻加坑內(nèi)降水井疏干。

2.3 武昌剝蝕堆積垅崗區(qū)基坑支護(hù)

以螃蟹甲站為例，車站主體圍護(hù)采用φ=1000 mm鉆孔灌注樁，樁間距1300 mm，鉆孔灌注樁根數(shù)為371根，鉆孔長度為10938.3 m；標(biāo)準(zhǔn)段局部第一道支撐采用800 mm×800 mm鋼筋混凝土，其他采用φ609,t=16鋼管三道作為內(nèi)支撐；鉆孔灌注樁之間采用φ600旋噴樁止水。

武昌剝蝕堆積垅崗區(qū)基坑支護(hù)一般采用排樁加內(nèi)撐支護(hù)，但設(shè)計(jì)中應(yīng)注意基巖埋深淺，開挖深度內(nèi)出現(xiàn)上土下巖時，對上部土層(含全、強(qiáng)風(fēng)化層)采用“吊腳樁”加內(nèi)支撐支護(hù)，下部巖體視巖體結(jié)構(gòu)狀況采用巖體護(hù)面或錨固技術(shù)，不應(yīng)按土壓力理論計(jì)算，而應(yīng)按巖體結(jié)構(gòu)分析其穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合武漢地區(qū)長江Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級階地的地質(zhì)與水文特征，介紹了武漢地鐵位于不同階地的典型車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型方法及結(jié)果。以武漢地鐵二號線一期工程為例，中山公園車站基坑把落底式地下連續(xù)墻支護(hù)優(yōu)化為懸掛式地下連續(xù)墻支護(hù)，節(jié)省造價達(dá)五千多萬元；而在有些地方，如存在淤泥軟土較厚而周邊建筑物又近的地方，當(dāng)采用懸掛式地下連續(xù)墻時，又會造成深基坑施工安全問題，如金色雅苑車站。通過對武漢地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下地鐵車站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選擇的分析，對地鐵車站深基坑支護(hù)型式的合理選擇可以得到相關(guān)的啟示：

(1)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件，周邊環(huán)境的要求及不同支護(hù)型式的特點(diǎn)，造價等綜合確定。

(2)一定要牢固樹立宏觀地質(zhì)分區(qū)特征的觀念，明確把握“地貌單元、地層時代、地層組合”三要素對深基坑圍護(hù)機(jī)構(gòu)選型的控制作用。

(3)支撐的型式應(yīng)結(jié)合地質(zhì)、周邊環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等要求進(jìn)行有機(jī)組合，做到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理。

(4)武漢地區(qū)地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)按照不同的階地分區(qū)進(jìn)行選擇：處于長江Ⅰ、Ⅱ級階地地質(zhì)區(qū)域的深基坑一般采用地連墻加鋼筋混凝土與鋼支撐組合的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系；處于長江Ⅲ級階地的一般采用排樁加鋼支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，當(dāng)基坑不規(guī)則且場地條件允許下，可以選用排樁加拉錨體系。

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