苏州地铁换乘站深基坑设计

【摘要】文章通过对某地铁换乘车站工程的实例分析，介绍了高水位含砂地层换乘站深基坑围护结构设计方案，对深基坑计算重要参数取值也进行了对比分析，针对地层承压水作用实际情况介绍了 相关处理方案，并提出了作者的见解，对类似工程的设计具有一定的参考价值。

【关键词】换乘车站；超深基坑；围护结构；承压水

Metro transfer station for the design of deep excavation in Su Zhou

LE JIE WANG

（China Railway Tunnel Survey & Design Insitute，CO.LTD， hongqiao 215006 tianjin， China）Abstract： Based on the analysis of the example of a transfer station of subway project， introduces the design scheme of high water bearing sand retaining structure of deep foundation pit formation of transfer station， deep foundation pit in the calculation of important parameters are also compared， according to the actual situation of the stratum pressure water effect introduces related processing scheme， and puts forward the author's opinion， have certain the reference value for the similar project design.

Key word： transfer station； Ultra deep hole excavated； Piling supports and protections； confined water

1 工程概况

1.1 车站工程概述

苏州轨道交通2号线某站为2、3号线换乘车站，位于中心道路交叉口，2号线车站城市干道布设，周边建构筑物密集，地面标高约3.45～3.99m。根据建筑布局和线路纵断面要求，车站主体基坑外包尺寸长461.5m。车站标准段宽约22.7米，基坑开挖深度16.26～16.76m；换乘段基坑宽度27.9米，开挖深度约23.2m。

图1 车站总平面图

Fig.1 General layout of station

1.2 工程地质

地质勘察资料揭示的工程地质自上而下依次为：

①1杂填土层：松散，以水泥、沥青路面为主，局部含建筑垃圾。

①3素填土层：松软，以粘性土为主。

③1粘土：硬塑。

③2粉质粘土：可塑，局部夹薄层粉土。

④2粉质粘土：流塑，夹薄层粉土。

④5粉质粘土：流塑，夹薄层粉土，局部夹淤泥质粉质粘土薄层。

④6粉土夹粉砂：夹薄层粉质粘土层，为承压含水层，透水性较好。

⑧1粉砂：灰色，密实，饱和。

⑧2粉质粘土：软塑为主。

⑨1粉质粘土夹粘土：硬塑为主，局部可塑。

1.3 水文地质

1.3.1 潜水

据区域水文资料，苏州市历史最高潜水位为2.63m（1985国家高程基准）。

1.3.2 承压水

根据钻探结果，承压水含水层主要为④6粉土夹粉砂层、⑧1粉砂层。压水头标高为-3.18m。据区域资料，年变幅1m左右。

2 基坑围护结构设计

2.1 围护型式选择

由于车站主体标准段基坑深16～24米，局部为超深基坑。车站围护结构主要在钻孔灌注桩+止水围幕、钻孔咬合桩及地下连续墙间进行比选。

车站所处主要地层为粘土、粉质粘土、粉砂粉土层。地下水主要为孔隙潜水和承压水。稳定地下水位较高，地下水较丰富。连续墙、钻孔桩（止水帷幕止水或桩间咬合止水）都有着成熟的技术和经验，钻孔桩的造价较连续墙要低，但考虑到本站的地质情况和基坑深度，钻孔桩的桩间止水不易保证，咬合桩对竖向垂直度要求较高，施工不到位容易产生漏水涌砂的问题，而连续墙从防涌水涌砂、控制基坑变形、保护基坑周边建筑物等方面均较钻孔桩有利。由于本站地层条件较差，周边建筑物保护要求高、基坑超深，该站主体围护结构选用地下连续墙作为车站围护结构。地墙采用H型钢接头。

2.2 基坑平面布置设计

车站为狭长型基坑，采用地墙与内支撑结合的围护型式。换乘节点段采用1米厚地墙，标准段采用0.8米地墙，地墙分幅一般6米。内支撑主要采用对撑形式，第一道全部采用砼支撑，砼支撑间距一般8米，钢支撑间距一般3米。

车站与远期车站分期实施，仅预留换乘节点，换乘节点段沿远期线路方向，地墙及主体结构向外多做1/4～1/3跨度，尽量将与远期连接施工缝设置在受力最小处。换乘节点段基坑转弯幅地墙需与远期地墙连接，为确保远期车站基坑的止水效果及受力安全，将其设计为T型幅，地墻短肢深入远期车站1米。

由于车站换乘节点段基坑较车站标准段深8米，车站整体基坑存在局部深坑，车站基坑平面布置根据换乘段与车站标准段的先后施工顺序主要存在两种方案。

方案一：整体同步施工方案

车站换乘节点段与车站标准段基坑同深度范围内按整体基坑同步施工考虑，先施工标准段深度范围基坑，再施工换乘节点段下凹坑。

图2 方案一围护平面图

Fig.2 Plane diagram for Scheme 1

方案二：先施工换乘节点段方案

将车站基坑分割为两大区段基坑施工，先施工中间换乘节点段基坑及主体结构。然后开挖车站标准段基坑及施工车站标准段主体结构。 图3 方案二围护平面图

Fig.3 Plane diagram for Scheme 2

对两方案综合比较，方案二工期较长，需先施工换乘节点段基坑及其主体结构才能施工标准段，且换乘段两侧地墙需做至地面，造价也较高；方案一施工时遵循时空效应，分段开挖，对周边沉降影响小，但方案一对管线改移及交通疏解要求较高，需一次性改迁到位。

结合车站场地环境，基坑施工前，车站周边管线及交通疏解有条件一次型改迁到位，车站基坑平面总体布置选择方案一，即换乘段与标准段同坑同步施工。

2.3 基坑纵剖面设计

车站换乘节点段竖向设置六道支撑，在标准段底板同标高处设置第五道混凝土支撑，待标准段底板及混凝土支撑施工完成并达到强度后，再开挖基坑换乘节点段下凹坑。

图4 围护纵剖面图

Fig.4 Longitudinal profile of retaining structure

换乘段下凹坑两侧冠梁尺寸1400*1200，与标准段底板同步浇筑，形成刚域封闭基坑。下凹坑两侧地墙为半截实墙，厚度取800mm，上部空墙采用低标号素砼回填。为减小换乘节点段降承压水时对两侧沉降影响，下凹坑半截地墙深度等同换乘段全长地墙。

2.4 基坑横剖面设计

车站标准段采用800mm厚地下连续墙，深度30.5米，插入比0.84；换乘段基坑采用1000mm厚地下连续墙，深度42米，插入比0.8。

图5 围护横剖面图

Fig.5 cross section of retaining structure

车站标准段基坑采用一道混凝土支撑+三道钢支撑，竖向共四道；换乘段基坑采用二道混凝土支撑+四道钢支撑，竖向共六道，第一道混凝土支撑为800*900，第五道混凝土支撑为1200*1200.其余为609*16的钢管支撑。基坑宽度大于20米，根据计算，为确保钢支撑受压稳定性，在基坑中间设置格构柱。

3 围护结构计算

地铁车站为狭长型基坑，采用平面竖向弹性地基梁方法分析围护结构的受力和变形。

3.1 水平压缩弹簧刚度的取值

基坑开挖面以下，水平弹簧支座的压缩弹簧刚度根据地基水平基床系计算分布形式取值主要有三种方法：1）K法为矩形分布；2）m法为三角形分布；3）修正K法为开挖面下一定深度范围内三角形，底下为矩形分布。

KH=khbh（kh为地基水平基床系）； kh=kz

式中 k——比例系数； m法：k=mz；K法：k=K.

1、m法计算结果

图6 m法计算结果

Fig.6 The calculation results of m method

2、K法计算结果

图7 k法计算结果

Fig.7 The calculation results of k method

3、修正K法

图8 修正K法计算结果

Fig.8 The calculation results of

comprehensive method

通过计算对比，地基水平基床系数的取值对计算结果影响较大。采用m法，基坑变形及内力计算结果最大，配筋量最大，造价最高。K法变形及内力值最小。修正K法居中。

分析车站地质特点，坑底所处的地层④2、④5层为软弱土层，其他土层为相对较好的粘土层，基坑的开挖对软弱土层必然会产生一定的扰动，但随着深度的增加，影响逐渐衰减。参照上海的基坑规范及苏州地铁1号线实测经验，地基水平基床系数取值采用修正K法是合理可行的。地下连续墙的配筋采用修正K法计算结果。

3.2 水土合算与水土分算

目前各规范一般规定粘性土采用水土合算，粉土、砂土采用水土分算。合算分算的计算结果差异很大，苏州地区1号线设计时，典型地质条件及施工条件的玉山公园站实际监测资料表明，地连墙侧移更接近于水土合算的结果。

根据车站各土层的渗透系数（即透水性能）及抗剪强度指标区别对待，对苏州地区典型的粉细砂土与粉质粘土、粘土互层的多元复合结构的地层，在透水性比较低的情况下（<210-4cm/s），采用水土合算，但针对透水性较强，或邻近河流存在动水压力等情况，仍然采用水土分算。本次计算仅对④6粉土夹粉砂层采用分算。

4 承压水处理

4.1 抗承压水稳定性计算

车站④6粉砂夹粉土层为承压含水层，距离换乘段基坑底约3米，承压水水头高度约20米。

基坑底板抗突涌稳定性条件：基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力。

hγs≥KtyγwH

Fs-基坑抗突涌安全系数取1.10

根据计算分析：车站标准段基坑内地基土抗承压水头抗力系数Kty=0.76<1.1，换乘段坑內地基土抗承压水头抗力系数Kty=0.23<1.1，均不满足要求。

4.2 承压水处理方案比选

换乘段基坑底邻近承压含水层，基坑开挖存在巨大突涌风险，是车站基坑工程 成败的关键。对承压水处理主要存在两种方案。

方案一：隔断承压水

采用素砼加深地墙作为止水帷幕隔断承压水，使承压水失去水力联系。

根据车站所处地质特点，④6层厚达34米。⑧1粉砂层也为承压水层。要彻底隔断承压水层，地墙深度需达70米以上，超出了目前地墙施工能力，且工程整体造价高。

由于换乘段底板下布置了大量的抗拔樁，桩基已深入至承压水层，承压水可能通过土层薄弱区向上渗进基坑，

方案二：坑内管井降水减压

根据地质及工程特点，采用井点降水降低承压含水层水头高度，防止基坑突涌，保证基坑稳定性。

根据本工程的承压含水层的特性，以及围护情况。根据基坑围护的布设情况对换乘段基坑进行沉降预测，预测结果如图所示。

根据沉降计算结果分析，采用坑内降水减压能有效避免突涌危害，对周边会产生一定的沉降，但在规范允许范围内。

图10换乘段降水引起沉降等值线图（mm）

Fig.10 Settlement isoline map

车站对承压水采用降水减压的处理方案。在基坑内布置降承压水管井，换乘段布置四口降压井。降水运行过程中随基坑开挖深度加大逐步降低承压水头，避免过早抽水减压。在不同开挖深度的工况阶段，合理控制承压水头，在满足基坑稳定性要求前提下，防止承压水头过大降低，这将使降水对周边环境的影响减少到最低限度。

5 结束语

通过本工程的施工实践，笔者有如下体会，希望能与各位同仁探讨、共勉：

1）换乘站换乘段与标准段基坑宜同步整体施工，可节约造价缩短工期。

2）对于类似苏州地质情况土层，地基基床系数取值采用 m法偏于保守，可在坑底一定深度范围m法取值，底下按矩形分布取值。

3）承压水的处理直接关系基坑工程的成败，若周边环境复杂，建议通过加深地墙设置一定深度的悬挂式止水帷幕缓冲降水对沉降的影响。

参考文献：

[1] 刘建彬、王卫东.《基坑工程手册》（第二版）.北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2] 姚天强 石振华.《基坑降水手册》. 北京： 中国建筑工业出版社，2006.

[3] 刘志义.《地铁设计实践与探索》.北京：中国铁道出版社，2009.

作者简介：乐接旺，男，1982年生，2005年西南交通大学土木工程专业，工程师，毕业后长期从事隧道与地下工程设计工作。