车站基坑支护形式选择与支护体系设计的研究与应用

2011-09-06北京中环世纪工程设计有限责任公司李善瑞

中国建设信息化 2011年11期

◎ 北京中环世纪工程设计有限责任公司李善瑞马剑

1.车站概况

本次车站设计的结构形式为两层两跨箱型框架结构体系，基础底板埋深15.82m～17.46m，车站顶板覆土南深北浅，最深处4.10m，最浅处2.52m，根据车站结构特征及当地地区经验，抗浮设防水位取值约为距地表3m～4m处。车站总长度为251m，有效站台宽度10米，有效站台长度120米。

2.站址环境

该工程为青岛市地铁3号线一期某车站工程，车站位于两条主要交通路线交叉口，车站西侧约10米处有一加油站，为了避免发生事故，车站施工期间加油站停止运营，并清空油品。站址范围内其它均为三层以下砖房及临时性建筑物，需进行拆迁。站址上方有电力、电信、给排水等管线，需进行导改，附近无高大构、建筑物。

根据地质资料，本站址范围第四系上部土层为第①层人工填土、冲洪积层，第⑤、⑦、⑦1层粉质粘土，第⑫层含砂粘性土（砾砂），下伏基岩为燕山期花岗岩，强风化带风化深度较大，中、微风化岩面埋藏深度为4.80～28.80m。

由于本次基坑开挖深度较深（最深约18m），中风化岩面埋藏深度起伏较大，为4.2m，上部覆盖层主要为第四系及强风化花岗岩，基坑开挖时，可能出现涌水涌砂现象，引起地面沉降及基坑位移变形，所以基坑开挖及支护设计中应考虑相应的加强及防护措施。

表1 车站常用施工方法对比

3.车站开挖形式的选择

目前国内地铁车站施工较为成熟的方法有明挖法、盖挖法和暗挖法，针对于本站，各方法特点如表1：

根据站位处的周边环境、地下管线及地面交通情况，本站重点对明挖和暗挖两种施工方案进行了比较。

如采用暗挖法进行施工；由于车站位处地层条件较差，强风化底至地面深度达3.9～23.5米，且地下水位较高，含水量丰富，强风化岩具遇水软化特点，采用暗挖法施工风险较大且造价较高。

如采用明挖法进行施工；仅占用主要交通要道的一个车道，对道路的交通基本没有影响，牵涉到的管线相对较少，且主要管线也具备迁改路由，道路两侧分别设置约5m人行道，两侧建筑控制线均退后道路红线20m，施工场地条件较为充足，地下水可以采用止排结合，施工风险较小，造价降低。

综合以上分析，本次车站设计采用明挖法施工。

4.车站支护体系选择

基坑围护结构是控制工期和工程投资的重要因素，应综合考虑周围环境条件、工程地质和水文地质情况、基坑特点、施工技术以及工程造价等诸多因素，因地制宜地选择安全可靠、经济合理的支护型式，同时还要考虑其与主体结构的关系。

主要基坑围护结构型式有土钉墙、放坡法、钻孔灌注桩、钢管桩、地下连续墙等，筛选后主要对土钉墙和钻孔灌注桩两种支护形式进行了比较。

土钉墙支护：该方法是边开挖基坑，边对两侧基坑土体壁面设钢筋网，喷混凝土，通过打入式或钻孔注浆式设置土钉，土钉通过滑裂面将坑周土体加固，约束土体变形，保持土体稳定。（另附：土钉墙的适用深度一般为12m左右，适用土层一般为N值大于5的砂质土或N值大于3的粘性土，施工时需要坑内外同时降水。）

钻孔灌注桩法：该法是应用比较广泛的一种基坑支护型式，支护结构为钢筋混凝土桩体，一般结合坑内的混凝土支撑、钢支撑或坑外的抗拉锚杆作为桩体受力支点以减少内力和挠度，该工法造价与土钉墙相比偏高。（如表2）

根据以上两种围护结构形式比较，结合本站工程特点，车站基坑大部分采用钻孔灌注桩加钢支撑的支护形式较为经济合理；小里程段铺轨基地预留口部分采用钻孔灌注桩加锚索支护形式；考虑基坑开挖时，可能出现涌水涌砂现象，会引起地面沉降及基坑位移变形，故采用旋喷桩进行桩间止水。

表2 两种围护结构型式对比

5.支护体系设计

根据上述施工方法和支护体系论证，本次基坑支护体系设计主要围绕钻孔灌注桩、钢管内支撑和预应力锚索进行展开。

根据本工程实际环境特点及水文地质条件，沿基坑周边外做φ1000@1700钻孔灌注桩，桩间设置φ1200@1700高压旋喷桩止水帷幕，止水帷幕与灌注桩咬合。

同时自基坑小里程端地面下1.5m处开始设置冠梁，冠梁依次做台阶下落随地势下落，保证冠梁覆土高度有1m左右，这样架设内支撑后土地能给予钢管内支撑有足够的反撑力；冠梁以下6m处，做一道钢围檩，这样两排内支撑分别架设在冠梁和围檩上，竖向间距6m。考虑到第一排内支撑距离地表较近，基坑两侧壁侧压力较小，所以第一排内支撑横向间距定为6m左右；第二道内支撑距离地面已有8m左右，基坑侧壁压力已较大，横向间距定为3m左右。（具体数值通过软件计算确定）。

钢围檩向下分别设置两道钢腰梁，竖向间距3m左右，两道钢腰梁上分别架设@1700的预应力锚索，锚索预应力需由相关软件计算确定。

最后考虑到本车站中风化岩面埋藏深度起伏较大，对于中风化比较矮的地段，钻孔灌注桩可以径直做到基坑底部，并嵌固1.5m 左右；对于中分化比较高的地段，钻孔灌注桩做到基坑底部施工困难、工期长和造价高。据研究决定，本次工程中风化较高处采用无嵌固桩支护体系，在中风化层顶面放平台，平台宽度1000mm，平台以下基坑采用超前钢管桩支护，然后直坡开挖。

6.支护体系计算

本站基坑安全等级为一级，地面最大沉降量≤0.15%H，围护结构大水最平位移≤0.2%H，且≤30mm），基坑设计使用年限20个月，围护结构应满足基坑稳定要求，不产生倾覆、滑移和局部失稳。支撑系统不失稳，锚索及腰梁等围护结构构件不发生强度破坏。钢管内支撑预加轴力按支撑设计轴力的40%～60%计。锚索张拉力应张拉至设计预加力的105%-110%，再按规定值进行锁定。同时地面超载标准段地面超载按20kPa计算,且基坑周边2m范围内不得堆载。

围护结构采用钻孔灌注桩+钢支撑支护体系，其计算原理及方法如下：

围护桩支护体系采用弹性支点杆系有限元法计算。被动土压力按弹性地基梁考虑，水平抗力系数采用K值常数法。根据施工中开挖、加钢支撑、浇注混凝土等过程，分阶段进行内力分析，围护桩内力按“总和法”计算，须计入结构的先期位移值以及支撑的变形，按先变形后施作钢支撑的原则进行结构分析。截面设计按内力包络图进行，钢支撑轴力取各阶段计算的最大值，计算程序采用理正深基坑支护结构设计软件6.0 正版软件。

下图为经过计算确定基坑断面支护形式。