与道路隧道合建地铁车站深基坑设计方案研究

2017-06-26刘几凡

城市道桥与防洪 2017年6期

关键词：门站草场围护结构

刘几凡

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海市200235）

与道路隧道合建地铁车站深基坑设计方案研究

刘几凡

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海市200235）

近年来深基坑施工面临的周边条件趋于复杂，不可避免地遇到很多工程合建问题。依托南京地铁4号线草场门站基坑与市政隧道合建项目，研究了开挖深度大、周边条件复杂、变形要求高、地质条件差等多种不利条件耦合下的深基坑设计施工。启明星及有限元计算结果表明，采用地下连续墙围护结合6道内支撑方案较好地解决了一系列工程难题，为类似工程的设计施工提供了借鉴。

隧道合建；地铁车站；深基坑；软土

0 引言

深基坑是一个土力学、基础学、结构学及工程施工相结合的传统课题。它涉及土力学中典型的强度与稳定问题，又涉及变形问题，还涉及土与支护结构的共同作用。其包含挡土、支护、防水、降水和挖土等多个密切相连的环节，某一环节的失效将会导致整个工程的失败，后果相当严重[1，2]。

我国自改革开放以来，经济与社会发展日新月异，尤其近十年来，人民生活水平显著提高，对于各项基础设施的需求规模和质量都提出了更高的要求。近年来，大量工程建设集中在市区甚至老城区，施工场地较小，施工条件复杂，深基坑开挖引起周围地基土沉降等问题越来越受到人们的重视。由于开挖造成邻近建筑物及地下管道和电缆的破坏其带来的损失是很大的[3-5]，这就对深基坑的设计提出了更高的要求。比如，如何减小基坑开挖对周围建(构)筑物、道路和各种市政设施的影响，如何结合运用相邻工程同步实施避免二次交叉影响等方面的理论与方法，引起了人们进一步的关注和重视。

南京位于长三角地区，土地资源稀缺，主要以黏性土、粉土为主，水文地质条件非常差。南京地铁4号线草场门站车站基坑工程就是其中的典型，既具有普遍的代表性，又具有与城市主干道隧道合建等特点。因此，对该基坑的研究探索，对今后南京乃至长三角地区的基坑支护设计与施工具有一定的实用价值和借鉴意义。

1 工程概况

草场门站为南京地铁4号线一期工程的第二座车站。车站位于南京市草场门大街与虎踞路交叉口，沿草场门大街东西方向布置，为地下三层13 m岛式站台车站，与规划7号线草场门站T型换乘。7号线车站为地下二层岛式车站,沿虎踞路设置，位于草场门隧道（虎踞路高架拆除改隧道）西侧，站位跨草场门大街，两线之间设置联络线。车站外包总长253.737 m，标准段总宽22.7 m，车站轨面埋深约24.66 m,车站覆土约4.5 m。车站标准段基坑深度约28.01 m，草场门隧道设置在虎踞路路中，上穿4号线车站。该隧道与4号线同步实施。

本站与规划7号线形成岛岛“T”型换乘，其中规划7号线为地下二层车站，4号线草场门站实施时车站主体预留规划7号线换乘部分接口。

1.1 周边环境

草场门大街及虎踞路均为城市主干路，交通流量大，其中草场门大街道路规划红线宽约48 m，7号线所处的虎踞路道路规划红线宽60～66 m，虎踞路路中为虎踞路高架桥，为跨草场门大街路口跨线桥，交通繁忙。车站周边地块建筑已较为成熟，车站东北象限为石城现代创意园，西北象限为南京艺术学院，西南象限为江苏教育学院，东南象限为江苏省测绘局（见图1）。

车站轨面标高受规划中的草场门隧道控制，车站需预留草场门隧道的下穿空间，故车站顶板覆土由3 m增大至5 m。隧道与车站关系见图2。

图1 工程周边环境示意图

图2 隧道与车站的关系示意图

该方案以草场门平交东北象限的江苏省教育学院楼房为控制点，将道路中心线适当西移，结合地铁公司与南艺的协调结果，在南移拆迁其学生宿舍楼的基础上布设线位。设置双向6车道隧道下穿草场门大街、地面辅道与草场门大街平面交叉。该节点需要重点处理与地铁4号线和7号线的相互关系，协调换乘车站的布置方案。

1.2 地质条件

拟建场地位于南京工程学院宿舍区南门至虎踞路与草场门大街交叉口之间的草场门大街上，场地地形较平坦，地面高程为10.79～13.61 m（吴淞高程），地貌单元为秦淮河冲积平原。

拟建场地岩土层分布不均匀，表层为1.6～4.7 m填土层，填土层之下，深度9.6～27.5 m的坳沟范围为全新世中晚期沉积软弱黏性土（见图3），阶地和坳沟底部为全新世早期沉积的③-1b1-2、③-2b2、③-3b1-2层粉质黏土和③-4e含卵砾石粉质黏土。场地下伏基岩主要为白垩系（K）沉积岩，基岩层面埋深及岩体完整性、强度变化均较大,如图3所示。

图3 基坑开挖地质条件示意图

本站场地潜水稳定水位在地面以下1.6～3.1m，高程为8.00～11.61 m（吴淞高程系），水位起伏和地形起伏基本一致。水位年变化幅度一般在1.0 m左右。

场地承压水水头在地面以下3.1～4.3 m，常年有水，水头低于潜水稳定水位，与潜水含水层水力联系不密切，地下水头年变幅较潜水小，约为0.5 m。

本站抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1 g，设计地震分组为第一组，本站拟建场地类别为Ⅱ类。

2 工程特点

2.1 与市政隧道合建

草场门站跨虎踞路东西向设置，虎踞路在草场门站实施前为双向4车道高架。根据南京市的统一规划，虎踞路由高架调整为下穿隧道，与地铁4号线草场门车站一体化设计施工。

2.2 开挖深度大、地层条件复杂

草场门站为地下三层站，由于上方草场门隧道的经过压低车站埋深，车站标准段开挖深度超过28.0 m，相当于八层楼房的高度。本站地层浅部为填土、粉质黏土，坑底坐落于强风化及中风化的泥岩、泥质粉砂岩，基坑开挖范围软弱土层分布广泛。

2.3 施工组织难度大

地铁草场门站是4号线工程中难度最大、受外部影响最严重的站点之一，工程进度由于场地条件限制、管线改移缓慢、交通组织困难等原因较其余车站滞后6个月左右。

车站主体范围内影响基坑开挖的大量地下管线需要临时迁改，沿草场门大街下迁改管线主要有：Φ2000雨水管，Φ800污水管，D N500燃气管，D N1 200给水管，D N900给水管，110 k V电力箱涵，14孔和58孔通信光缆；草场门大街与虎踞路交叉口处的44孔通信光缆。

2.4 基坑安全等级及变形控制保护等级高

草场门站标准段基坑深度约为28.01 m，本站按盾构过站实施，端头井基坑深度与标准段相同。根据基坑开挖深度与周边环境情况，该工程基坑安全等级定为一级，即要求地面最大沉降量≤0.1%H，围护结构最大水平位移≤0.14%H，H为基坑开挖深度。

3 方案设计

3.1 围护结构类型比选

围护结构型式根据基坑开挖深度、工程地质和水文地质条件、主体结构布置、基坑和环境保护要求、施工方法、工期、工程造价、常用的围护型式做综合的技术经济比较，并通过强度、稳定、变形计算后确定[6-9]。

地下工程基坑围护型式可采用地下连续墙、钻孔灌注桩加水泥土搅拌桩隔水帷幕、型钢水泥土搅拌墙、咬合桩等。根据南京地区多年来地铁工程建设的实践经验，深基坑一般采用地下连续墙围护。地下连续墙刚度大，能承受较大的水平侧向荷载，结构变形小，能够较好地控制和减少对邻近建筑物、构筑物和地下管线的影响。草场门站主体为地下三层结构，由于草场门隧道存在使车站埋深加大，标准段基坑开挖深度达到28 m，且车站周边均为成熟地块，所在道路为城市主干路，交通流量大，地下管线众多，且局部存在含卵砾石粉质黏土承压含水层。地下连续墙的刚度大，基坑开挖止水效果好，对于周边建构筑物及地面的沉降控制比较有利。综合考虑本站基坑规模、所在环境、地质及水文条件、施工安全、投资和工期筹划等因素，故选用1 200 mm厚地下连续墙的围护结构型式。

3.2 围护结构方案设计

草场门站结构平面外包尺寸为230.6m（长）× 21.9m（宽），联络线处最大宽度达32.9 m。标准段底板埋深约28.01 m，地下三层构筑物。该工程基坑采用明挖顺筑法施工,车站主体采用1 200 mm厚地下墙,地下墙深为35 m。

标准段及端头井竖向均设置7道支撑，第一道为800mm×1000mm混凝土支撑，第五道为1 000mm× 1 100 mm混凝土支撑，其余为609×16钢支撑；西端头井联络线刀把段基坑宽度较窄，仅为10 m，第五道支撑调整为609×16钢支撑；地下墙接头采用H型钢接头，H型钢尺寸为1 100×500× 14×14。

附属结构中1号风亭为地下一层基坑，但临近改迁2.5 m×3.0 m雨水箱涵和Φ800污水管，风亭围护结构外皮距雨水箱涵外壁最近，只有0.5m。为确保基坑开挖期间雨水箱涵的安全，综合考虑采用800 mm厚地下连续墙加内支撑的围护结构型式，沿基坑深度方向设置3道支撑。第一道为700 mm×800mm混凝土支撑，第二道为800mm× 800 mm混凝土支撑，其余为609×16钢支撑。其余出入口和风亭均为地下一层基坑，采用800@1000钻孔灌注桩+850@550高压旋喷桩止水帷幕的围护结构形式，沿基坑深度方向设置1～3道支撑。第一道为700 mm×800 mm混凝土支撑，其余为609×16钢支撑。

3.3 围护结构方案计算

（1）荷载与组合

施工期间围护墙承受的荷载有结构自重，水土侧压力及地面超载。结构自重按建筑结构荷载规范采用；水土侧压力按施工图技术要求和相关规范规定取值。

（2）计算模型、参数取值与计算简图

地下墙围护结构一般为无围檩支撑体系，地下墙内力计算沿结构纵向取单位长度按竖向弹性地基梁计算，按基坑开挖、支撑、楼板依次浇筑、拆撑、浇筑侧墙的施工过程和完成后的使用阶段等工况进行内力计算。

围护结构开挖阶段计算时必须计入结构的先期位移值以及支撑的变形，按“先变形，后支撑”的原则进行结构分析。

设计参数：土加权天然重度——γ=19 k N/m3；钢筋混凝土支撑——b×h=800 mm×900 mm；钢支撑——609×16钢管（壁厚16 mm）；土弹簧——考虑“时空效应”经固化后的土弹簧刚度；地面超载——20 k N/m2、30 k N/m2（盾构推进阶段）；侧向荷载——施工阶段黏性土按水土合算，砂性土按水土分算，采用朗金土压力公式计算，C、取固快峰值平均值。

典型断面计算各工况从开挖至拆第一道支撑共分为23个工况，部分工况计算见图4。

图4 典型断面部分工况计算简图

（3）入土深度的确定

地下墙的入土深度考虑基坑所处环境条件、地质条件、围护结构的抗隆起、抗滑移、抗倾覆及稳定性等因素，并结合南京地区深基坑的施工经验确定：端头井基坑深度约为26.1 m，标准段开挖深度约为24.8 m，底板大部分位于K-2层强风化泥岩泥质粉砂砾岩中，地下墙墙深为35 m，墙趾插入K-3-1层中风化泥岩、泥质粉砂岩和K-3-2、K-3-3中风化含砾砂岩、夹砂砾岩中，地下墙插入中风化岩层约3～5 m。

（4）典型断面计算结果及分析

计算模拟了施工过程，考虑了先开挖后支撑时结构已变形的实际情况。计算时支撑未施加预应力，将其考虑为安全储备。标准段开挖深度按照24.7 m计算。

a.围护结构变形

根据计算得换乘段西侧标准段地下墙最大变形为27.4 mm＜0.14%H=34.6 mm，满足一级基坑的环境保护要求。

b.稳定性分析

整体稳定安全系数K s=2.13＞1.25，抗隆起安全系数K=4.85＞2.5，抗倾覆安全系数K s=2.13＞1.200，抗管涌安全系数K=3.77＞2.0，均满足规范要求。根据计算分析结果，各项指标均能满足规范要求。

c.支撑轴力(标准值)

根据初勘报告，③-4e层含卵砾石粉质黏土为微承压含水层，虽然地下墙隔断了该层承压含水层，但由于微承压含水层含卵砾石粉质黏土和下伏基岩相接，基岩裂隙水和上部微承压水水力联系较为密切(根据初勘报告)，抗微承压水水头稳定性不能满足要求，需要进行降微承压水水头专项设计。

经验算，围护结构地下墙开挖侧最大弯矩处配筋率为1.05%，该配筋满足截面承载力要求。

以上计算结果表明，本设计方案可以满足规范及工程要求。

4 与隧道建设衔接

为保证草场门隧道尽早贯通，草场门站现场施工筹划进行了优化调整，决定草场门隧道先于地铁车站施工。考虑采用车站地下墙及坑内21根格构柱作为隧道结构的竖向支撑。以下为该筹划具体施工步骤。

第一步：基坑开挖至隧道底，凿除南北两侧地下墙，提前施工合建段隧道结构（预留好车站结构接头）。

第二步：隧道结构达到设计强度后，在隧道下盖挖施工，开挖车站剩余土体（边开挖边安装剪刀撑）。

第三步：开挖至车站底板设计标高后，从下往上顺做车站底板、负二层板、负一层板（包括侧墙和立柱）。

针对以上施工工况，建立了三维有限元模型（见图5）。经计算：

图5 隧道与车站基坑三维模型

（1）地下墙墙底竖向位移最大值ΔZmax=4.6mm，满足要求。

（2）根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（J T G D62-2004）第6.5.3条，受弯构件最大挠度不应超过计算跨径的1/600，并应考虑挠度长期增长系数η（C40混凝土取1.6），fmax=（15-4.5）mm×1.6=10.4 mm×1.6=16.7 mm＜30 m/600=50 mm，挠度不超限值，满足要求。

（3）基坑采用490×490（4L180×18）格构柱，共计21根。格构柱高度19.06 m，为减小格构柱计算长度，采用两道剪刀撑，将格构柱计算长度减小至9.5 m，并按格构柱两端铰支考虑。根据《钢结构设计规范》（G B 50017-2003）第5.1.3条的规定，格构式轴心受压杆件的稳定性1.485×2 077 k N/（0.856×0.02 478m2）=147 N/m2≤[f]=215 N/m2，故格构柱稳定性满足要求。

综上，以上对立柱桩承载力、格构柱稳定性、地下墙承载力、结构变形进行了验算，均满足要求。

5 实施效果

该工程2011年5月开始总体设计，2011年底初步设计完成，2012年8月开始施工，2016年11月完成结构验收，2017年1月春节前通车试运营，前后历时约5年半。由于设计方案合理，工期安排合理，工程进度质量得到了保障。图6为主干路隧道通车照片。

图6 主干路隧道工程通车运营

6 结语

本文依托南京地铁4号线草门路站车站基坑项目，针对其与主干路隧道合建、周边条件复杂、开挖深度大、地质条件差、施工组织难、基坑等级高等特点，合理比选提出工程基坑采用1 200 mm厚地下连续墙的围护结构形式，明挖顺筑法施工，标准段竖向设置7道支撑。较好地解决了与主干路隧道合建地铁车站深基坑的设计难点。工程实践表明，设计方案合理可靠，可以为类似工程提供参考。

[1]武长勇,陈李,冯成锋，等.特大型(有支护体系)深基坑土方开挖方式的技术创新[J].建筑施工,2009,31(4):246-249．

[2]刘国彬,王卫东.基础工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 2009.

[3]张孟喜,黄瑾,王玉玲．基坑开挖对地下管线影响的有限元分析及神经网络预测[J]．岩土工程学报，2006，28(增刊): 1350-1354．

[4]唐梦雄,陈如桂.深基坑工程变形控制[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[5]孙林柱.深基坑支护方案综合评价的模糊系统[J].地下空间, 2000,20(4):241-246.

[6]张尚根,陈灿寿,夏炎.深基坑支护方案的模糊优选模型及其应用[J].岩土力学与工程学报,2004,23(12):2046-2048.

[7]徐杨青.深基坑工程设计方案优化决策与评价模型研究[J].岩土工程学报,2005,27(7):844-848.

[8]阮永芬,叶燎原.用灰色系统理论与方法确定深基坑支护方案[J].岩土力学与工程学报,2003,22(7):1203-1206.

[9]吴江滨,王梦恕.深基坑开挖中桩墙体系支护的结构优化设计[J].岩土力学,2004,25(3):469-472.

U231.4

1009-7716（2017）06-0277-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.082