萬 勇， 郭 譜， 王 南， 王 斌

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430030；2.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

地鐵快速建設(shè)引起的城市地下空間利用越來越多，隨之帶來的深基坑工程數(shù)量、難度及規(guī)模大幅增加。由于我國地鐵交通發(fā)展時間較短，地鐵車站深基坑建設(shè)經(jīng)驗不足，加上建設(shè)過程中由于地質(zhì)條件、周邊環(huán)境復(fù)雜多變、施工工藝復(fù)雜、工程龐大以及建設(shè)周期長等特點，決定了地鐵車站深基坑的高風(fēng)險性[1,2]。近年來，我國地鐵車站深基坑施工事故頻發(fā)，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，如何確保地鐵車站深基坑工程的安全成為一個亟待解決的問題。

地鐵車站深基坑支護(hù)方案選型作為地鐵深基坑研究的重點，是地鐵車站深基坑設(shè)計與施工安全的重要保障。鑒于此，本文以武漢地鐵二號線螃蟹甲車站為例，從工程地質(zhì)、水文條件等方面分析了影響該地鐵車站深基坑支護(hù)選擇的因素。在此基礎(chǔ)上，從監(jiān)控量測上來驗證不同支護(hù)選型帶來的變形效果，為后續(xù)地鐵車站深基坑支護(hù)選型提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 車站概況

螃蟹甲站位于武昌區(qū)友誼大道、公正路、中山路交匯地帶。車站周邊以新建、在建高層建筑物為主，西北角為武昌區(qū)政府八層辦公樓，東北角為在建武昌地稅局19層辦公樓，東南角為新長江廣場26層商住樓，有2層地下停車場。地理位置如圖1所示。

圖1 螃蟹甲站地理位置

螃蟹甲站為地下雙層車站，地下一層為站廳層；地下二層為站臺層。車站有效站臺中心里程為YCK16+518.0，外包長度為189.9 m，標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度為18.7 m。車站總建筑面積為11561.2 m2,其中主體建筑面積為9681 m2,附屬建筑面積為1880.2 m2，采用明挖法施工。

1.2 車站地質(zhì)水文情況

螃蟹甲站地處長江右岸Ⅲ級階地后緣，南距東南東向延伸的鳳凰山-小龜山剝蝕殘丘山間埡口約100 m，北距沙湖岸邊約500 m。場區(qū)經(jīng)長期人工改造地形較平坦。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和鉆孔揭露，場區(qū)表層分布人工填土層(包含雜填土、素填土、淤泥質(zhì)土)，其下依次為第四系全新統(tǒng)沖積層(包含粉質(zhì)粘土層)、第四系上更新統(tǒng)沖積層(粉質(zhì)粘土層、礫質(zhì)粘土層)、下伏基巖主要為志留系統(tǒng)墳組(泥巖、粉砂巖)。車站基坑地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

圖2 螃蟹甲站地質(zhì)剖面圖

場區(qū)地下水按埋藏條件主要為上層滯水和基巖裂隙水兩種類型。

(1)上層滯水主要賦存于人工填土層中，地下水位不連續(xù)，埋深1.8～4.7 m，主要受大氣降水補(bǔ)給，局部水位、水量受城市給排水管線影響明顯。

(2)基巖裂隙水賦存于基巖裂隙中，水量不大，分布不均勻，局部微具承壓性，上覆第四系粘性土層為相對隔水層。另外(7-1)、(7-3a)和(7-3)層中發(fā)育有裂隙，局部夾含礫粉土透鏡體，含少量孔隙—裂隙水，水量不大。

(3)地下水侵蝕性：場地上層滯水水化學(xué)類型為重碳酸鈣型水，pH值為7.52，為中性水，對混凝土結(jié)構(gòu)不具腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋無論是在長期浸水情況下還是在干濕交替的條件下均不具腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)選型原則及結(jié)果

2.1 螃蟹甲支護(hù)結(jié)構(gòu)選型原則

在螃蟹甲車站特定的工程條件下，該車站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型原則[3～5]可分為四項。

(1)安全可靠

地鐵車站深基坑工程不僅綜合性強(qiáng)，而且影響基坑安全的不確定性因素很多，風(fēng)險性較大，稍有不慎就可能釀成巨大的安全事故。因此，確保基坑安全是基坑支護(hù)選型的首要目標(biāo)。在選型中，應(yīng)結(jié)合工程當(dāng)?shù)氐氖┕そ?jīng)驗與技術(shù)能力進(jìn)行具體分析，充分研究和論證施工工藝、挖土、降水等各環(huán)節(jié)，選擇成熟、可靠的支護(hù)方案[6,7]。螃蟹甲車站所處位置地質(zhì)條件較好，且承壓水壓力不大，故基坑選用排樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。而基坑最寬處達(dá)到45 m，故該段需采用混凝土支撐。

(2)便于施工

便于施工是地鐵車站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要選型原則之一。在采用先進(jìn)技術(shù)及合理組織施工的條件下，不僅可以降低工程費(fèi)用，還能節(jié)約工期，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。因此，在地鐵車站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型時，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐氖┕そ?jīng)驗與技術(shù)能力，合理設(shè)計施工工藝、土方開挖、降水等各環(huán)節(jié)，并做好監(jiān)控與測試。在條件允許下，還可以進(jìn)行方案評價，從而選出最大限度滿足便于施工和保障工期的支護(hù)方案。雖然混凝土支撐對于基坑的安全更有利，但螃蟹甲車站考慮到土方開挖的方便，基坑在安全允許的情況下也盡量采用鋼支撐。

(3)環(huán)境保護(hù)

地鐵車站深基坑工程通常位于城市交通干線上，其場地周邊一般都分布有各類建(構(gòu))筑物、地下管線、市政道路等環(huán)境保護(hù)對象，特別是臨近歷史保護(hù)建筑、共同管溝等敏感而重要的保護(hù)對象時，環(huán)境保護(hù)要求更為嚴(yán)格。當(dāng)?shù)罔F車站基坑周邊存在環(huán)境保護(hù)對象時，在充分了解保護(hù)對象的保護(hù)及控制要求基礎(chǔ)上，使基坑的變形能滿足環(huán)境保護(hù)對象的變形控制要求，必要時在基坑內(nèi)、基坑外采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，減小坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，減弱車站深基坑施工對周邊環(huán)境的影響。螃蟹甲車站考慮到基坑周邊存在管線及建筑物，故在該區(qū)段設(shè)計采用混凝土撐、鋼支撐混合支撐形式。

(4)因地制宜

在不同的項目中，地鐵車站深基坑施工面臨的環(huán)境條件不盡相同，在深基坑支護(hù)選型中需要做到因地制宜，綜合考慮水文地質(zhì)條件、基坑開挖深度、場地大小、周圍環(huán)境等因素，結(jié)合實際情況選擇合理的支護(hù)方案[4]。螃蟹甲車站橫跨主干道，故為了減小基坑施工對交通的影響，該區(qū)段設(shè)計采用鋼支撐+臨時頂板的支護(hù)形式。

2.2 螃蟹甲車站支護(hù)選型結(jié)果

綜上所述，由于武漢地鐵2號線螃蟹甲站位于交通繁忙的交通要到，有友誼大道、公正路、中山路等多條城市主干道交匯如此，地鐵車站施工時要求不能中斷交通，加上車站設(shè)有外掛設(shè)備區(qū)，基坑寬度不一樣，最窄處20 m，最寬處達(dá)45 m，因此，在車站必須采用分區(qū)段施工的方式。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，充分考慮影響深基坑的支護(hù)形式的各種尺寸因素、地質(zhì)因素、和周邊環(huán)境因素，將基坑施工方法和支護(hù)形式也分成了三種。

(1)車站中部與友誼大道相交處圍蔽后施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)并架設(shè)簡易鋼便橋，完成后拆除圍蔽，開通便橋，然后采用蓋挖法施工，這一區(qū)段的支護(hù)體系為排樁+鋼支撐，但頂面有剛便橋，相當(dāng)于臨時頂板，主體結(jié)構(gòu)任和兩端主體結(jié)構(gòu)一樣挖到基坑底部后，順作上來，同時拆除鋼支撐，待車站主體結(jié)構(gòu)施工完畢后，拆除剛便橋恢復(fù)路面交通。

(2)車站北端小里程方向基坑寬度約為20 m，為標(biāo)準(zhǔn)車站寬度，該區(qū)段采用明挖法施工。這一區(qū)段深基坑的支護(hù)體系也為排樁+鋼支撐的結(jié)構(gòu)，但是少了上面的剛便橋。車站基坑開挖前先施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)排樁，然后邊開挖基坑邊安裝鋼支撐，直到挖至開挖到基坑底部，再順作車站主體結(jié)構(gòu)，同時邊拆除鋼支撐，最后回填地面。

(3)車站南端大里程方向基坑寬度達(dá)45 m，且臨近有一棟26層樓高的建筑，因此該區(qū)段采用排樁+混凝土撐+鋼支撐的形式，其中在支護(hù)體系中最上面兩層支撐采用混凝土撐，并作成“井”框架結(jié)構(gòu)，最下面的第三層支撐采用鋼支撐。基坑開挖前先施工排樁和第一層混凝土撐，待混凝土撐達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，開始開挖土方，當(dāng)土方開挖到第二層混凝土撐的位置，再施工混凝土撐，帶混凝土撐達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度再開挖最下層土方，邊挖邊安裝鋼支撐，直到基坑底部，最后順作車站主體結(jié)構(gòu)，且邊拆除鋼支撐和混凝土撐，待車站主體結(jié)構(gòu)施工完畢，回填恢復(fù)地面。

雖然基坑的支護(hù)體系分為三種，但是車站整個基坑在開挖過程中是連在一起的，之間沒有隔離，既相互獨立又相互聯(lián)系。在基坑監(jiān)測過程中我們可以十分直觀地進(jìn)行比較，搜集的監(jiān)測數(shù)據(jù)就更有可比性和可參考性。螃蟹甲站車站深基坑支護(hù)體系的選型研究具有很強(qiáng)的特殊性又有很強(qiáng)代表性。

地鐵車站深基坑支護(hù)選型應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模，場地條件、環(huán)境保護(hù)等因素，經(jīng)過綜合分析，在實現(xiàn)安全目標(biāo)的基礎(chǔ)上，選擇技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的方案。在地鐵車站深基坑支護(hù)選型中影響較大的四個因素分別為：深基坑的形狀和尺寸、工程地質(zhì)、工程水文、周邊環(huán)境，下文將結(jié)合四個因素進(jìn)一步論述地鐵車站深基坑支護(hù)選型方法。

3 變形效果分析

3.1 不同區(qū)段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

螃蟹甲站基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析依據(jù)三個區(qū)分別進(jìn)行，然后將不同區(qū)的同一監(jiān)測類型放在一起比較，以此來對比不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況?；拥谋O(jiān)測內(nèi)容主要包括：圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移、基坑周邊地表沉降、樁體變形(測斜)、支撐軸力、周邊建筑物沉降及傾斜、地下管線沉降等。監(jiān)測點布置圖見圖3。

圖3 螃蟹甲站監(jiān)測點平面布置

3.1.1第一區(qū)段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

基坑第一區(qū)段采用明挖法施工，支護(hù)體系為鉆孔灌注樁+鋼支撐。

(1)地表沉降分析

第一區(qū)段地表沉降點有三個，分別為DM3、DM5和DM6。三個監(jiān)測點從2009年7月8日基坑開挖到2009年9月2日該段結(jié)構(gòu)完成產(chǎn)生的最終累計沉降最大點為DM6號點，最大累計沉降為-10.45 mm。這三個點從基坑開挖到主體結(jié)構(gòu)施工完成的沉降時序曲線見圖4。在基坑土方開挖過程中，地表沉降的速率較大，而在主體結(jié)構(gòu)施工過程中，隨著結(jié)構(gòu)的進(jìn)展，地表沉降的速率明顯變小。

圖4 螃蟹甲站第一區(qū)段地表沉降監(jiān)測點時序曲線

(2)樁體測斜分析

第一區(qū)段共有測斜管7根，選取端頭井處的一根CX1為代表進(jìn)行研究。CX1號測斜管長度13 m。其2009年9月2日達(dá)到的最終累計偏移量曲線見圖5。該測斜管向坑外最大累計偏移發(fā)生在12 m位置，累計偏移量為2.46 mm，累計偏移曲線符合普遍規(guī)律。

圖5 螃蟹甲站第一區(qū)段CX1時序曲線

(3)鋼支撐軸力分析

第一區(qū)段鋼支撐軸力計共布設(shè)兩個，且均布設(shè)在第三道鋼支撐上，點號分別為CT4-3和CT5-3。兩點從2009年7月8日基坑開挖到2009年9月2日該段結(jié)構(gòu)完成產(chǎn)生的最大軸力分別為513.91 kN和513 kN。這兩個點從鋼支撐架設(shè)到拆除的軸力變化時序曲線見圖6。在基坑土方開挖到完成鋼支撐架設(shè)的一段時間內(nèi)，由于坑外土體的變形還未完成，導(dǎo)致土體繼續(xù)擠壓基坑圍護(hù)樁，使得該段時間鋼支撐軸力變化速率明顯較大，而在此之后即坑外土體應(yīng)力釋放完畢，土體固結(jié)后，鋼支撐軸力的變化速率明顯變小。

圖6 螃蟹甲站第一區(qū)段鋼支撐軸力監(jiān)測點時序曲線

3.1.2第二區(qū)段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

基坑第二區(qū)段采用蓋挖順作法施工，支護(hù)體系為鉆孔灌注樁+鋼支撐。

(1)地表沉降分析

第二區(qū)段地表沉降點共6個，分別為P1～P6。六個監(jiān)測點最終累計沉降最大點為P2號點，從2009年8月5日基坑開挖到2009年9月5日該段結(jié)構(gòu)完成最大累計沉降為-7.7 mm。這六個點從基坑開挖到主體結(jié)構(gòu)施工完成的沉降時序曲線見圖7。

圖7 螃蟹甲站第二區(qū)段地表沉降監(jiān)測點時序曲線

(2)鋼支撐軸力分析

第二區(qū)段鋼支撐軸力計共布設(shè)一個，布設(shè)在第三道鋼支撐上，點號為CT6-3，該點從2009年8月5日基坑開挖到2009年9月5日該段結(jié)構(gòu)完成產(chǎn)生的最大軸力為195 kN。該點從鋼支撐架設(shè)到拆除的軸力變化時序曲線見圖8。在基坑土方開挖完成鋼支撐剛架設(shè)的一段時間內(nèi)，由于坑外土體的變形還未完成，導(dǎo)致土體繼續(xù)擠壓基坑圍護(hù)樁，使得該段時間鋼支撐軸力變化速率明顯較大，而在此之后即坑外土體應(yīng)力釋放完畢，土體固結(jié)后，鋼支撐軸力的變化速率明顯變小且呈上下波動狀態(tài)。

圖8 螃蟹甲站第二區(qū)段鋼支撐軸力監(jiān)測點時序曲線

3.1.3第三區(qū)段監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

基坑第三區(qū)段采用明挖法施工，支護(hù)體系為鉆孔灌注樁+混凝土支撐+鋼支撐。

(1)地表沉降分析

第三區(qū)段地表沉降點有三個，分別為DB2、DB3和DB4。三個監(jiān)測點最終累計沉降最大點為DB3號點，最大累計沉降為-8.8 mm。這三個點從2009年7月2日基坑開挖到2009年9月17日土方開挖完成的沉降時序曲線見圖9。在基坑土方開挖過程中，地表沉降的沉降速率較大，而在主體結(jié)構(gòu)施工過程中，隨著結(jié)構(gòu)的進(jìn)展，地表沉降的沉降速率明顯變小。

圖9 螃蟹甲站第三區(qū)段地表沉降監(jiān)測點時序曲線

(2)樁體測斜

第三區(qū)段共有5根測斜管選取端頭井處的一根CX14為代表進(jìn)行研究。CX14號測斜管長度14 m。其最終累計偏移量曲線見圖10。該測斜管向坑外最大累計偏移發(fā)生在9 m位置，累計偏移量為-0.04 mm，累計偏移曲線符合普遍規(guī)律。

圖10 螃蟹甲站第三區(qū)段CX14時序曲線

(3)鋼支撐軸力

第三區(qū)段鋼支撐軸力計共布設(shè)兩個，且均布設(shè)在第三道鋼支撐上，點號分別為ZL7-1和ZL8-1，從2010年8月29日支撐架設(shè)到2010年11月11日該段結(jié)構(gòu)完成最大軸力值在100 kN左右。這兩個點從鋼支撐架設(shè)到拆除的軸力變化時序曲線見圖11。在基坑土方開挖完成鋼支撐剛架設(shè)的一段時間內(nèi)，由于基坑的第一道撐為混凝土支撐，使得基坑整體成一個穩(wěn)定的門架結(jié)構(gòu)，具有很高的穩(wěn)定性，且坑外土體對基坑的側(cè)壓力很大部分被混凝土撐所承受，故鋼支撐軸力的變化無明顯的變化規(guī)律，但總體來說，鋼支撐軸力較小。

圖11 螃蟹甲站第三區(qū)段鋼支撐軸力監(jiān)測點時序曲線

3.2 同一監(jiān)測類型對比分析

總結(jié)上述三種支護(hù)體系下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將不同區(qū)段的同一監(jiān)測類型放在一起進(jìn)行比較，如表1所示。

表1 不同區(qū)段同一監(jiān)測類型監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

總結(jié)上述三種支護(hù)體系下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以判斷，各支護(hù)體系的選型是正確的，并得出如下結(jié)論：

(1)明挖法(排樁+鋼支撐)與明挖法(排樁+混凝土撐+鋼支撐)對比，后者圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形明顯小于前者，支撐軸力明顯小于前者，表明在采用后面工法施工更加有利于基坑本體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；

(2)蓋挖順作法與明挖法(排樁+鋼支撐)對比，前者的支撐軸力明顯小于后者，表明由于前者有頂面剛便橋作為支護(hù)，使得基坑的整體穩(wěn)定性較后者好；蓋挖順作法與明挖法(排樁+混凝土撐+鋼支撐)對比，前者的支撐軸力略大于后者，而后者施工區(qū)域的基坑范圍明顯大于前者，表明在采用后面工法施工更加有利于基坑本體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

地鐵工程規(guī)模浩大，工程周邊環(huán)境復(fù)雜，與此同時與地鐵工程相結(jié)合的其它公用設(shè)施和沿線地鐵的物業(yè)開發(fā)工程的施工，使城市市區(qū)環(huán)境惡化，所以地鐵建設(shè)也往往得到市民和有關(guān)部門的高度重視，也使得人們越來越重視地鐵施工的安全和質(zhì)量問題，但是地鐵施工質(zhì)量和安全最重要的一環(huán)就是深基坑的施工質(zhì)量和安全。本文通過對地鐵車站深基坑不同支護(hù)體系選型下的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，總結(jié)全文主要結(jié)論如下：

(1)通過研究地鐵車站深基坑特點、施工方法和支護(hù)類型，找到了決定地鐵車站深基坑支護(hù)選型的基本原則，分析了影響地鐵車站深基坑支護(hù)選型的影響因素，這些因素有基坑自身的，如基坑的形狀、大小、深度等；也有外部的，如地質(zhì)水文因素和周邊環(huán)境因素。

(2)通過分析螃蟹甲站這一工程實例的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，找出同一車站不同支護(hù)體系的穩(wěn)定性差異，最后得出了明挖法(排樁+混凝土撐+鋼支撐)這種支護(hù)形式相較其它支護(hù)形式最有利于基坑的穩(wěn)定的重要結(jié)論。

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