劉 志

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著國內(nèi)地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出越來越多的車站明挖基坑，明挖法也是地鐵車站基坑開挖比較常用的施工方法之一[1]。在進行明挖基坑設(shè)計時，首要的任務(wù)就是根據(jù)工程場地的地質(zhì)水文、建筑物分布及周邊管線等工程環(huán)境，進行圍護結(jié)構(gòu)選型和支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計[2]。本文以某地鐵車站主體基坑的圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計為背景，對深基坑設(shè)計過程中的圍護結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計進行分析和研究，為以后類似的基坑工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況

本文基坑所在的車站為線路中間站，車站主體為地下2 層結(jié)構(gòu)，采用通道換乘形式與遠期線路交叉，車站兩側(cè)共設(shè)置3 個出入口和2 個風(fēng)亭。車站基坑總長度為212.6 m，寬20.2 m（盾構(gòu)井段寬24.5 m），結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度約為3.0 m，底板埋深為17.1～18.7 m，采用明挖順作法施工。

設(shè)計主體基坑位于規(guī)劃道路的十字路口交叉處，主體基坑呈南北向布置，跨路口布置于道路西側(cè)。主體基坑西北側(cè)為待建住宅小區(qū)，西南側(cè)為空地，東北側(cè)空地有幾處待拆遷廢棄溫室大棚，東南側(cè)為待建商業(yè)中心地塊。基坑平面布置見圖1。

2 基坑圍護形式設(shè)計

2.1 車站施工方法比選

圖1 車站主體基坑平面布置圖

目前，國內(nèi)進行車站基坑開挖的主要方法有：明挖順作法、蓋挖順作法和蓋挖逆作法等，對于場地環(huán)境較為復(fù)雜的車站還會進行分段采用蓋挖和明挖組合的方法進行開挖。本基坑周邊建筑物較少，且遠離市區(qū)，周邊交通壓力小，地下管線具備一定的遷移條件，從安全、經(jīng)濟、快速的角度，車站優(yōu)先采用明挖順作法施工。

2.2 圍護結(jié)構(gòu)材料

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，場地水土腐蝕性評價結(jié)論主要為：地下水主要通過SO42-離子對混凝土產(chǎn)生微腐蝕性，通過Cl-離子對鋼筋產(chǎn)生中腐蝕性；場地土主要通過SO42-離子對混凝土產(chǎn)生微腐蝕性，通過Cl-離子對鋼筋產(chǎn)生微腐蝕性。

通過技術(shù)經(jīng)濟比選并參照勘察報告結(jié)論，圍護鉆孔灌注樁采用的混凝土等級為C35，抗?jié)B等級采用P8，鉆孔樁鋼筋保護層厚度為70 mm，鋼筋等級采用HRB400 級（后期有截斷時采用玻璃纖維筋替代），鋼支撐、鋼板、型鋼采用Q235-B 級鋼。

2.3 圍護形式選擇

基坑西南和東北象限均有待施工項目，場地地下水位較高，且基坑周邊市政管線較多，開挖采用放坡開挖比較困難?？紤]到基坑周邊無重要建筑物，對開挖變形要求可適當(dāng)降低，本站圍護采用排樁支護，并隨基坑開挖采取適當(dāng)?shù)慕邓胧?/p>

本文基坑圍護采用的排樁為φ1.0 m@1.3 m 的鉆孔灌注樁，并在排樁結(jié)構(gòu)外圍采用φ0.85 m@0.6 m的三軸攪拌樁作為止水帷幕結(jié)構(gòu)。圍護結(jié)構(gòu)樁長范圍在24.5～28.5 m 之間，圍護樁插入比參照工程類比及計算結(jié)果確定，插入比控制范圍為0.45～0.5。

3 基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)設(shè)計

3.1 內(nèi)支撐形式選擇

基坑開挖影響范圍內(nèi)的土層主要為砂土或黏土，場地地下水位高，圍護側(cè)壓力大，經(jīng)過計算并結(jié)合工程全線車站基坑統(tǒng)籌安排，采用φ0.8 m 鋼管撐作為主體基坑圍護支撐比較合理。車站盾構(gòu)井部分受力情況復(fù)雜，計算過程中第一道支撐可能出現(xiàn)受拉情況，結(jié)合施工經(jīng)驗和受力計算，盾構(gòu)井部分基坑支護第一道支撐局部采用矩形鋼筋混凝土支撐（斷面尺寸0.8 m×1.0 m）的形式。第一道支撐通過冠梁與圍護樁聯(lián)結(jié)以形成整體，其他支撐通過腰梁與圍護結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)。

3.2 內(nèi)支撐平面布置

支撐結(jié)構(gòu)平面布置要根據(jù)內(nèi)力計算、柱子等其他結(jié)構(gòu)位置、施工機具尺寸、施工組織安排等綜合考慮，本次設(shè)計鋼管支撐在平面方向一般按照3 m 一道進行布置（第一道支撐橫向間距為6 m），支撐布置時盡可能使第一道支撐與其他各道支撐在豎向重合以利于施工期出土，并盡量避開柱子等其他結(jié)構(gòu)。圍護樁及支撐布置情況見圖2。

圖2 圍護結(jié)構(gòu)平面布置圖

3.3 內(nèi)支撐豎向布置

3.3.1 基坑安全等級及計算主要標(biāo)準(zhǔn)

對基坑開挖變形及相關(guān)穩(wěn)定性的要求等均按照一級基坑標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，地表最大沉降量小于等于0.15%H，支護結(jié)構(gòu)最大水平位移小于等于0.2%H，且小于等于30 mm；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1；荷載分項系數(shù)為1.25。

3.3.2 支撐系統(tǒng)豎向布置

根據(jù)工程經(jīng)驗類比及設(shè)計計算結(jié)果，為保證基坑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全，本次設(shè)計采用3 或4 道鋼管支撐（第一道支撐局部采用混凝土支撐）+1 道鋼管倒撐的形式，支撐豎向間距由支撐軸力計算結(jié)果及施工步序影響綜合確定。支撐豎向斷面布置見圖3、圖4。

圖3 斷面布置圖

圖4 斷面布置圖

3.3.3 圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

基坑開挖范圍內(nèi)的土層主要為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)人工填土層或沖、洪積層（含粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉細砂和中砂等）。地下水類型主要為松散層淺層孔隙潛水，地下水埋深淺，受降水和人類活動影響較大。采用地面高程作為設(shè)計水位。

基坑外側(cè)土壓力采用朗肯土壓力理論計算，土層參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果綜合確定，開挖面以下用彈簧模擬地層水平抗力。圍護結(jié)構(gòu)計算根據(jù)先開挖后支撐的實際情況，分各個階段進行計算。典型斷面的圍護樁內(nèi)力變形計算結(jié)果見圖5。

圖5 典型斷面的圍護樁內(nèi)力圖

4 基坑抗浮及抗突涌穩(wěn)定性分析

4.1 設(shè)計概況

根據(jù)相鄰車站降水試驗結(jié)果及相關(guān)工程經(jīng)驗，基坑降水采用坑內(nèi)降水，圍護結(jié)構(gòu)采用三軸攪拌樁作為止水形式。結(jié)合結(jié)構(gòu)抗浮計算分析結(jié)果，設(shè)計對圍護結(jié)構(gòu)布置進行了調(diào)整，并對降水過程中的抗突涌穩(wěn)定性進行了分析。

4.2 基坑抗浮設(shè)計

4.2.1 抗浮設(shè)計

結(jié)構(gòu)抗浮計算主要分自重計算、浮力計算、抗浮樁抗力計算3 個部分。其中，自重部分應(yīng)綜合考慮車站結(jié)構(gòu)各層板自重、梁柱及側(cè)墻自重、頂板上覆土自重和圍護樁自重等，當(dāng)計入圍護樁摩阻力時，安全系數(shù)由1.05 增加至1.1。當(dāng)計算安全系數(shù)不滿足要求時，采取增加抗浮措施的方法，直至計算安全系數(shù)滿足為止。

4.2.2 抗浮措施

本次基坑設(shè)計過程中，除盾構(gòu)井部分基坑采用抗浮樁參與抗浮外，其他部分采用借助圍護樁參與抗浮計算的措施；圍護樁和主體結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)設(shè)計采用壓底梁或壓頂梁的形式；通道換乘部分考慮遠期下穿造成樁截斷影響，綜合采用壓底梁和趾板外擴部分回填土的措施。

4.3 抗突涌穩(wěn)定性分析

4.3.1 抗突涌設(shè)計

當(dāng)基坑底部土層具有承壓性時，應(yīng)考慮對基坑進行抗突涌穩(wěn)定性分析，基坑開挖至主體結(jié)構(gòu)施作完成的每一個工況均應(yīng)進行抗突涌穩(wěn)定性計算，抗突涌穩(wěn)定條件為承壓水層頂面以上土層及結(jié)構(gòu)物的自重壓力大于承壓水頭對承壓水層頂面造成的頂托力，并具有一定的安全儲備，安全系數(shù)Fs一般取1.1。

4.3.2 抗突涌設(shè)計計算

根據(jù)抽水試驗結(jié)果，坑底下粉細砂層有承壓性。取底板施工完成時為例進行簡要分析，主要計算參數(shù)有：承壓水土層頂埋深29.74 m，承壓水水位埋深5.6 m；基坑開挖深度18.81 m；土層重度19.7 N/m3，混凝土重度25 N/m3；基坑底板厚度1 m，墊層厚0.2 m，計算示意圖見圖6。

上浮土及結(jié)構(gòu)物自重力：

圖6 抗突涌穩(wěn)定性驗算示意圖

Ps=1.2×25+(29.74-18.81)×19.7=245.3 N/m2，

承壓水頂托力：

Pw=(29.74-5.6)×10=241.4 N/m2，

抗突涌安全系數(shù)：

Fs=Ps/Pw=245.3/241.4=1.02＜1.1.

通過計算分析，基坑抗突涌尚不滿足要求，經(jīng)綜合分析論證，該工況應(yīng)繼續(xù)施作部分結(jié)構(gòu)后調(diào)整基坑降水措施。

5 結(jié)語

a）基坑設(shè)計應(yīng)以地質(zhì)勘察資料為主要依據(jù)，立足工程地質(zhì)和場地環(huán)境條件，具體問題具體分析，進行精心設(shè)計。

b）基坑圍護設(shè)計后續(xù)應(yīng)密切關(guān)注施工實際，根據(jù)現(xiàn)場施工情況、開挖顯示地質(zhì)情況、監(jiān)測數(shù)據(jù)等反饋結(jié)果進行設(shè)計調(diào)整。

c）基坑開挖影響范圍內(nèi)有建筑物、地下管線、地下構(gòu)筑物等時，變形測量控制值應(yīng)按不影響其正常使用要求確定，并應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)的要求。