地铁车站基坑支护结构设计优化

朱 诚，李 睿，刘夏临

(1.昆明理工大学土木工程学院，云南 昆明，650500；2.武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北 武汉，430081)

1 工程概况

本文设计优化对象为珠江三角洲城际快速轨道交通广佛线西朗站基坑支护结构。该地铁车站位于广州市荔湾区花地大道和鹤洞路的交叉部位，呈西南至东北走向布置，横跨花地大道，与I号线西朗站通过换乘通道相接，车站全长386.3 m，标准段宽20.7 m，基坑深度15.84 m，为地下两层结构。图1为西朗站平面示意图。工程地质岩土性状及物理力学指标见表1。

图1 西朗站平面示意图

()/m/g·cm-3/m·d-1()/kPa/(°) ()/kPa/(°) /MPa·m-1〈1〉2.151.80 1.000 12.0 10.016.0 13.0 1210Ⅰ〈2-1A〉1.20～5.301.56 <0.0017.9 4.711.9 9.1 65Ⅰ〈2-4〉0.30～6.202.01 <0.00124.5 11.427.7 12.1 1615Ⅱ〈6〉1.30～3.501.95 0.090 27.9 16.035.0 22.0 8580Ⅱ〈7〉0.70～12.701.94 0.500 30.0 24.555.0 28.0 125120Ⅲ〈8〉1.30～29.502.67 0.670 800.0 38.0--500400Ⅳ〈9〉1.00～34.202.72 0.150 1800.0 41.0--900850Ⅴ

该车站场地稳定水位埋深为0.85～1.50 m，地下水类型主要是赋存于基岩风化层中的裂隙水。基岩风化裂隙水含水层主要赋存于强、中、微风化岩内的风化裂隙之中。通过抽水试验测得风化岩层的渗透系数k=0.15～0.70 m/d，为富水性较弱的弱透水地层。

图2 原招标设计支护结构图

2 基坑支护结构优化

2.1 设计优化目的与内容

西朗站是广佛线首通段的关键枢纽站，车站规模大，疏解复杂，工期紧张。在征地拆迁致使工期滞后的情况下，为了加快进度、节约项目成本、确保广佛线首通段在广州亚运会前通车运营，决定在保证工程质量和安全的前提下对基坑支护结构进行设计优化。

车站基坑支护是为了保证开挖时不发生失稳破坏。基坑失稳破坏的主要形式有整体失稳、倾覆失稳、踢脚失稳、底部隆起等，所以在设计时要验算各项稳定性条件[1]。支护桩的入土深度是影响基坑稳定性的重要参数，在相关结构设计时须进行稳定性验算。由于桩身最大弯矩值是设计桩几何参数的主要依据，其值决定了桩的几何尺寸大小，也直接影响着支护结构的强度和造价，因而选择适合的桩径是桩身最大弯矩值优化设计需要重点考虑的。另外，为了保护基坑周围建筑物和地下管线等，基坑开挖时不允许支护侧向位移过大而引起太大的地面沉降，因此设计优化还必须考虑支护结构的变形[2-4]。

在综合分析西朗站基坑的深度、地质水文条件和周边环境因素的基础上，拟定设计优化调整的主要内容如下：

(1)支护结构优化方案比选。该车站基坑安全等级为一级，基坑支护结构替换方案可采用地下连续墙、钻孔灌注桩+旋喷桩、套管咬合桩等，通过技术经济比选，设计优化方案采用钻孔灌注桩+旋喷桩结构形式。在此基础上初步确定灌注桩直径为1000 mm，并对支护结构桩基间距进行调整。

(2)支撑体系的优化调整。原设计中钢支撑使用较多，间距较密，存在钢支撑使用数量大、时间长以及土石方开挖和主体结构施工不便等问题，影响作业效率，故需要对支撑体系的间距进行调整。

2.2 优化后的支护结构设计方案

图3 优化后的支护结构图

2.3 支护结构验算

2.3.1 计算原理

支护结构计算基于增量法原理，即采用弹性支点法和极限平衡法模拟基坑开挖和回筑施工过程中各种基本因素对支护结构受力的影响，在分步计算中考虑结构体系受力的连续性，跟踪施工全过程逐阶段计算。开挖面以下用一组弹簧模拟地层水平抗力，土的水平抗力系数按K法确定，采用弹性支点法计算。支护结构计算采用“理正深基坑支护结构设计软件”(F-SPW 5.41)。支护结构计算模型见图4。

图4 支护结构计算模型

2.3.2 主要荷载

(1)结构自重：钢筋混凝土结构自重按25 kN/m3计。

(2)水土侧压力：施工阶段按朗金主动土压力进行计算，使用阶段按静止土压力进行计算。

(3)地面超载：标准段按20 kN/m2计，盾构吊出端按70 kN/m2计，A4建筑物位置按60 kN/m2计。

2.3.3 岩层、土层设计计算基本参数

岩层、土层力学指标参数见表1。该车站基坑标准段深度为15.84 m，按一级基坑考虑。根据勘察资料和设计规范要求，基坑以下支护桩嵌固深度确定为：中风化层不少于2.5 m，微风化层不少于1.5 m。

2.3.4 计算结果

设计方案优化后，该车站以24个地质钻孔进行基坑支护结构验算，计算结果均满足规范要求，现将车站端头和标准段中各一个点(MGF3-JX-B67、MGF3-XL-028)的支护结构计算结果列于表2。端头及标准段对应的开挖架设支撑、回筑拆除支撑时的位移、弯矩、剪力包络图分别如图5和图6所示。经过验算，基坑全部桩身的最大水平位移、承载力与稳定性均满足设计规范要求。

2.3.5 现场施工过程监测情况

西朗站自基坑土石方开挖施工开始，到主体结构全部完工以及土石方回筑后的整个期间内，按照设计要求对车站支护结构进行了相关监测。车站基坑支护结构的监测内容及报警值见表3。

在车站施工过程中对基坑支护结构相关监测内容进行了258次监测，其中支护桩位移最大值为13.95mm，土体侧向位移最大值为14.32mm,冠梁水平位移为11.65 mm，基坑周围地表沉降最大值为9.11 mm，钢管支撑轴力最大值为1114 kN。监测结果均小于报警值，满足设计及规范要求，表明支护结构优化方案是切实可行的。

表2 支护结构计算结果

图5 端头位移、弯矩、剪力包络图

Fig.5Envelopediagramofdisplacement,bendingmomentandshearforceattheend

图6 标准段位移、弯矩、剪力包络图

Fig.6Envelopediagramofdisplacement,bendingmomentandshearforceatthestandardsection

表3 监测内容及报警值

2.3.6 设计优化效果

西朗站支护结构设计优化后，桩基直径从1200 mm调整为1000 mm，总数从837根变为557根，减少了280根，优化前后主要工程数量情况见表4。

从表4可以看出，车站支护结构设计优化后减少的主要工程量有：桩基成孔12 602.8 m3,钢筋笼制安916.2 t(5618.6 m3)，桩基喷射混凝土和支撑体系工程数量减少约30%。依据承发包合同文件，西朗站支护结构采用合价包干形式，在保持合同收入不变的情况下创造项目经济效益1000多万元。另外，由于实际工程量的减少以及支撑体系优化带来的便利施工条件，为西朗站抢回工期3个多月。

3 结语

车站基坑支护结构以疏排钻孔灌注桩替代密排人工挖孔桩，大幅减少了桩基成孔、钢筋制安、混凝土浇筑等工程数量，节约了工期，经济效益显著。对支护结构的支撑体系进行立面、平面上的调整优化，为基坑土石方开挖和主体结构施工创造了较为便利的施工条件。将人工挖孔桩改为机械钻孔桩，避免了大规模的人工挖孔爆破作业，降低了施工安全风险。本次基坑支护结构方案优化的成功实施对于类似地质水文条件下的深基坑工程具有较高的参考价值。

[1] 龚晓南,高有潮.深基坑工程设计施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社,1998.

[2] 秦四清.深基坑工程优化设计[M].北京：地震出版社,1998.

[3] 黄贵珍,杨予,蓝日彦.深基坑支护的系统分析及优化设计[J].广西科学,2000,7(3)：169-174.

[4] 武亚军,卢文阁,栾茂田，等.深基坑支护结构优化设计探讨[J].建筑结构,2000,30(11)：37-40.