毛嘉偉

（廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司）

地鐵結(jié)構(gòu)中基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的應(yīng)用探析

毛嘉偉

（廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司）

地鐵結(jié)構(gòu)施工是在地下空間內(nèi)完成的，自身所處空間位置的特殊性使其面臨上部及周圍土體的威脅，同時(shí)由于地下開挖也給其周圍的建筑及附屬設(shè)施帶來安全威脅，基坑支護(hù)的重要性不言而喻。本文在介紹了地鐵結(jié)構(gòu)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)后，以上海市某地鐵車站的基坑工程為設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行了應(yīng)用探析。

地鐵結(jié)構(gòu)；基坑支護(hù)；設(shè)計(jì)

地鐵結(jié)構(gòu)施工中，因其所處的地理位置的特殊型，基坑支護(hù)雖然是短暫的臨時(shí)性輔助工程對(duì)于地鐵工程的施工卻起著舉足輕重的作用。對(duì)地鐵項(xiàng)目中基坑支護(hù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，不僅是項(xiàng)目施工的需要，也是保護(hù)地鐵周圍建筑和設(shè)施安全的重要舉措。

1 地鐵結(jié)構(gòu)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)基坑支護(hù)形式進(jìn)行科學(xué)選擇是支護(hù)設(shè)計(jì)首先面臨的問題，需要設(shè)計(jì)人員從地鐵結(jié)構(gòu)所處地理位置的地質(zhì)條件出發(fā)，對(duì)周邊建筑物的保護(hù)等級(jí)和工程造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性等方面深入考量?；又ёo(hù)具有完整的結(jié)構(gòu)性和體系性，必須滿足變形可控和穩(wěn)定性要求，也就是行業(yè)規(guī)范內(nèi)常用的極限狀態(tài)（負(fù)荷能力的極限和正常使用的極限）下的防護(hù)需求。負(fù)荷極限是支護(hù)結(jié)構(gòu)在遭受強(qiáng)大不利外力作用時(shí)產(chǎn)生滑動(dòng)、傾斜甚至是結(jié)構(gòu)損壞等現(xiàn)象進(jìn)而引發(fā)大規(guī)模失穩(wěn)，通常在地鐵結(jié)構(gòu)的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中不允許出現(xiàn)該類極限狀態(tài)；正常使用的極限是支護(hù)結(jié)構(gòu)由于土石開挖所引起的土體變形過大而使支護(hù)結(jié)構(gòu)也發(fā)生變形，其正常使用的功能被破壞，但結(jié)構(gòu)并未失穩(wěn)。所以，在設(shè)計(jì)地鐵結(jié)構(gòu)中的基坑支護(hù)措施時(shí)，其負(fù)荷能力的極限安全系數(shù)要相當(dāng)高才能避免支護(hù)失穩(wěn)的現(xiàn)象發(fā)生。在保障支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性優(yōu)良的前提下，結(jié)構(gòu)位移量的控制是另一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)內(nèi)容[1]。

通常設(shè)計(jì)過程中，控制支護(hù)位移的條件以水平位移為主，直接原因是便于觀測(cè)?？刂扑轿灰频臉?biāo)準(zhǔn)視地鐵結(jié)構(gòu)周邊建筑以及其他附屬設(shè)施的防護(hù)等級(jí)而定，也就是對(duì)基坑所屬的安全等級(jí)進(jìn)行精確劃分。一級(jí)基坑安全支護(hù)對(duì)位移的要求是其周邊臨近的建筑物或者附屬設(shè)施需要保護(hù)的力度比較大，基坑變形必須控制在很小范圍內(nèi)；三級(jí)基坑安全支護(hù)對(duì)位移的要求是其周圍沒有需要保護(hù)的建筑物和相關(guān)附屬設(shè)施，對(duì)于位移量的限制很寬松，控制標(biāo)準(zhǔn)在基坑整體安全范圍內(nèi)沒有額外要求；二級(jí)基坑安全支護(hù)的控制標(biāo)準(zhǔn)介于一級(jí)和二級(jí)之間。

在基坑位移量化控制標(biāo)準(zhǔn)中，水平最大位移是一項(xiàng)重要指標(biāo)，通常而言，一級(jí)基坑中不宜超過30mm，若基坑深度比較大，水平最大位移須控制在開挖深度的3‰以內(nèi)；而一般性基坑水平最大位移均不能超出50mm。從長期的施工經(jīng)驗(yàn)來看，當(dāng)基坑水平位移小于30mm時(shí)地表不會(huì)出現(xiàn)明顯裂紋，而當(dāng)基坑位移擴(kuò)大到40～50mm時(shí)，地表裂紋就非常明顯。所以，地鐵結(jié)構(gòu)的基坑水平最大位移必須控制在40mm以內(nèi)，以免地面產(chǎn)生明顯裂紋或者產(chǎn)生繼發(fā)性沉降。通常情況下選擇諸如連續(xù)墻、擋土樁或者內(nèi)部支撐體系的支護(hù)形式，伴隨的位移均比較小，并且具有良好的可控性，可以將水平位移精準(zhǔn)地管控在30mm內(nèi)，而土釘型的支護(hù)方式對(duì)地質(zhì)條件要求比較高，如果不借助于錨桿或者超前支護(hù)等強(qiáng)化鞏固措施，基坑水平位移多數(shù)情況下會(huì)大于30mm[2]。

2 對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)的實(shí)例論述

2.1 項(xiàng)目概況

以上海市某條地鐵線路中某具體地鐵車站的基坑設(shè)計(jì)為例展開具體探析。

該站點(diǎn)地鐵車站總長164m，站區(qū)東北角有一居民小區(qū)距離最近的地鐵出口（1#出口）的附屬結(jié)構(gòu)約20m，小區(qū)樓房結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu)，樓層6層，車站西南角有另一居民小區(qū)距離緊鄰的地鐵出口（3#出口）的附屬結(jié)構(gòu)約23m，距離車站10m范圍內(nèi)有一根鋼筋混凝土雨水管（直徑80cm）、兩根鑄鐵管（直徑分別為15cm和30cm）。車站主體基坑結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)段寬為21.5m，深為17.5m，斷頭井的寬為24.6m，深為19.4m，基坑等級(jí)為二級(jí)。附屬基坑深為11m。

2.2 設(shè)計(jì)主體基坑

（1）計(jì)算地下連續(xù)墻

從地鐵車站主體基坑規(guī)格選用厚800mm的連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并以厚400mm的內(nèi)襯墻為輔助措施，連續(xù)墻的初始插入比擬定為0.85。端頭井部位的基坑支護(hù)以1000mm厚的連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并輔助以600mm厚的內(nèi)襯墻，連續(xù)墻初始插入比擬定為0.82。從疊合墻獨(dú)有的受力特點(diǎn)出發(fā)，連續(xù)墻設(shè)計(jì)時(shí)在基坑的開挖階段和內(nèi)部回填階段分別以總量法和應(yīng)力變化累加法加以計(jì)算[3]。而在施工環(huán)節(jié)的受力情況以有限元理論建立結(jié)構(gòu)的荷載模型進(jìn)行力學(xué)分析和設(shè)計(jì)，具體如圖1。

圖1 連續(xù)墻的結(jié)構(gòu)荷載分析模型

有限元理論的最終分析成果為此處連續(xù)墻水平最大位移33.4mm，滿足規(guī)范中對(duì)于二級(jí)基坑安全控制的要求。

（2）計(jì)算主體結(jié)構(gòu)

該站區(qū)所處地理位置的地下水位偏高，降水措施在基坑施工中必須保證執(zhí)行到位，土質(zhì)回填后是施工環(huán)節(jié)最不利的自重工況，此時(shí)影響程度比較大荷載是填土重、站臺(tái)站廳移動(dòng)荷載以及地面的移動(dòng)荷載。后續(xù)階段因降水措施的停止地下水位會(huì)攀升，對(duì)底板的浮力隨之增大，浮力工況下影響比較大的有填土重、底板浮力以及結(jié)構(gòu)的自重。對(duì)這兩種不利工況計(jì)算之后選取彎矩的外包絡(luò)值[4]。進(jìn)而可對(duì)連續(xù)墻及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)展開配筋計(jì)算和設(shè)計(jì)。

（3）設(shè)計(jì)內(nèi)支撐

地鐵車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段和端頭井的豎向內(nèi)部支撐設(shè)計(jì)分別如圖2～3示。標(biāo)準(zhǔn)段采用不設(shè)圍檁的剛性支撐，一共設(shè)置五道豎向支撐。第一道為鋼筋混凝土支撐（800mm×800mm），剩余四道為鋼管支撐（直徑60.9cm）。端頭井大部分采用斜撐形式，共設(shè)置六道，第一道為鋼筋混凝土斜撐，剩余五道為鋼管斜撐（直徑60.9cm）。鋼支撐預(yù)應(yīng)力以支撐軸力的0.7倍施加。

2.3 設(shè)計(jì)附屬基坑

車站附屬基坑全部為地下一層構(gòu)筑物，個(gè)別部位帶有電纜夾層，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)全部采用直徑800mm、間距950mm的排樁形式，出于偏高的地下水位限制，需要在排樁外圍增設(shè)直徑850mm、間距600mm的三軸水泥式攪拌樁來形成外層帷幕以達(dá)到止水防水的效果。附屬基坑內(nèi)共設(shè)置三道豎向支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，剩余兩道為鋼管支撐（直徑60.9cm）。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)段的基坑支撐示意圖

圖3 端頭井的基坑支撐示意圖

2.4 基坑降水

該地鐵車站的主基坑開挖深度比較大，加之地下水位偏高，位于地下的連續(xù)墻直接插入到了承壓含水層，根據(jù)已勘察到的地質(zhì)資料經(jīng)過相關(guān)計(jì)算得到，主體基坑的標(biāo)準(zhǔn)段和端頭井部位的基坑底板抵抗突涌的穩(wěn)定性無法滿足規(guī)范的設(shè)計(jì)要求，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)段的基坑而言，其承壓水位應(yīng)降到地表下11m以下，端頭井部位的承壓水位應(yīng)降到地表下13.6m以下，并且在施工環(huán)節(jié)要對(duì)承壓水頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。附屬基坑在施工環(huán)節(jié)只需要對(duì)潛水實(shí)施抽降即可。

3 結(jié)語

地鐵結(jié)構(gòu)因其具體施工位置的特殊性和任務(wù)的艱巨性，其基坑結(jié)構(gòu)的支護(hù)設(shè)計(jì)需要考慮的因素有很多，支護(hù)形式的合理準(zhǔn)確選用、位移控制的量化標(biāo)準(zhǔn)等都是設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)，尤其是主體基坑的標(biāo)準(zhǔn)段和端頭井部位應(yīng)該投入更多的精力和心思，以保障支撐結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)固性。

[1]宋青君，王衛(wèi)東，周健.考慮地鐵盾構(gòu)隧道穿越影響的樁基和基坑支護(hù)設(shè)計(jì)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，32（8）：314～318.

[2]馮龍飛.緊鄰地鐵隧道深基坑支護(hù)技術(shù)及監(jiān)測(cè)分析[J].隧道建設(shè)，2013，33（6）：515～522.

[3]邸國恩.地鐵車站與建筑地下室基坑工程整體支護(hù)設(shè)計(jì)[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2014，5（2）：1637～1644.

[4]李曙光，劉志祥.上海地鐵內(nèi)江路站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013（1）：101～104.

U231.3

A

1673-0038（2015）52-0064-02

收稿日期：2015-11-20

毛嘉偉（1990-），男，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。