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复杂边界条件的地铁车站基坑支护优化设计

添加时间:2019/06/24
  摘要:地铁车站的建设地点大多位于繁华或较繁华市区, 其周边环境复杂, 建设期间影响因素多。以长沙四号线溁湾镇地铁车站为工程背景, 对位于开发地块内、下穿市政道路、与周边存在严重交叉施工状况的地铁车站基坑的优化设计进行了深入研究。根据不同的地质条件、边界环境及实施条件, 采用了地连墙、单排桩、双排桩的挡土结构与内支撑、锚索水平受力体系的组合形式。通过基坑的分段支护优化设计, 既满足基坑安全性要求、又降低了基坑开挖与回筑阶段与周边项目的相互影响作用, 增加了基坑工程的可实施性。
  
  关键词:复杂边界; 地铁车站; 基坑支护; 优化设计;
 
  
  0 引言
  
  地铁基坑的支护设计与施工方案, 需根据场地地质状况、场地条件、周边建构筑物等因素综合考虑[1,2,3,4,5,6].当基坑规模较大、实施条件复杂时, 若采用单一支护形式可能既影响工期又不经济, 这种情况下需要对基坑进行分段优化设计。本文结合长沙地铁四号线溁湾镇站基坑支护设计, 介绍了多种地层条件、场地标高及周边实施条件复杂的情况下, 支护体系的优化方案;根据相关规范进行基坑设计[7,8,9,10], 确保基坑安全的同时有效控制周边环境风险。
  
  1 工程概况
  
  溁湾镇站为长沙市轨道交通4号线一期工程 (普瑞大道~桂花大道) 第10个站, 为2号线和4号线的换乘车站。车站位于枫林一路及五一西路交叉口北侧的开发地块内, 下穿溁湾路, 约呈南北向布置。溁湾镇站为地下4层 (局部3层) 岛式站台车站, 车站外包总长274.2 m, 标准段宽23.3 m.溁湾路站位置原有周边建筑因旧城改造已经拆除, 场地南北两端地面起伏较大, 最大高差达10 m左右。
  
  车站所在地块有东西走向溁湾路穿过, 同时也将某集团地块开发项目分为3个区域:其中北侧S2、S5地块已完成施工图设计, 目前处于基坑工程施工阶段, 南侧S16地块开发尚处于方案比选阶段, 平面关系如图1所示。站位附近地块中仍保留的建筑有车站南方麓山路两侧的某商业广场 (5层钢筋混凝土框架结构) , 某宾馆 (3层钢筋混凝土框架结构) .另有2号线隧道在本站的南方, 沿枫林一路敷设, 大体呈西北-东南走向, 线路标高为16.316 m.
  
  图1 车站总平面图

 
  
 
  2 地质概况
  
  2.1 地层概况
  
  本站主体基坑深约25.2~28.1 m.根据详勘资料显示, 基坑开挖深度范围内组成地层自上而下依次为 (见表1) :人工填土〈1-2〉、粉质粘土〈3-1-1〉、粉质粘土〈4-1-3〉、粉质粘土〈4-1-2〉、粉细砂〈4-3〉、粗砂〈4-4〉、圆砾〈4-5〉、卵石〈4-6〉、粉质粘土〈5C-2〉、全风化碎裂岩〈6D-0〉、强风化碎裂岩〈7D-0〉、中风化碎裂岩〈8D-0〉、微风化白云质灰岩〈9D-1〉及溶洞〈0-0〉。
  
  表1 地层物理力学参数

  
  2.2 水文地质条件
  
  拟建车站场地邻近湘江, 距其堤岸约440.0 m, 除此外无其它地表水系。根据勘察各岩土层特征, 主要含水层的岩土条件, 场地内地下水按照地下水的赋存方式可分为第四系松散层上层滞水、潜水和基岩裂隙水三种类型。
  
  勘察时测得各钻孔中上层滞水稳定水位埋深0.80~3.30 m, 相当于标高33.78~47.26 m;潜水稳定水位埋深2.20~14.30 m, 相当于标高为32.22~39.72 m;基岩裂隙水稳定水位埋深为3.10~23.50 m, 相当于标高19.69~39.83 m.
  
  3 工程难点
  
  3.1 地质条件复杂
  
  车站主体基坑开挖深度约25.2~28.1 m, 开挖范围涉及多种地层, 包含人工填土层、透水性较强的砂卵石层、圆砾层、黏土层及强度较高且溶洞发育的灰岩层。其次, 车站基坑南、北两侧地层差异大;车站南侧地层普遍透水性较强, 基底处于灰岩地层;北侧则主要为粉质黏土地层, 渗透系数小。整个基坑范围地层差异较大。
  
  3.2 地表标高差异较大
  
  车站站位以溁湾路为界, 溁湾路以南场地拆迁后, 地面标高约为40.0 m;溁湾路以南由于S2、S5地块的基坑开挖, 地面标高由39.0 m向北侧逐渐降为约27.2 m;车站北端头位置 (S2、S5夹缝位置) 地面标高约为35.0 m.车站所在位置地面起伏较大。
  
  3.3 交通疏解要求高
  
  拟建车站上方, 东西向横跨车站结构的溁湾路是进出某公交站场及学校的唯一通道;若车站基坑直接采用明挖法实施, 则将导致公交站场及学校无法与外界连通;需要采取交通疏解措施, 在车站实施期间确保溁湾路畅通。
  
  3.4 交叉施工
  
  车站北段两侧分别为S2及S5地块开发项目, 其基坑已经开始施工, 临近站位附近已开挖至基底附近;在地铁基坑施工期间, 东西两侧地块将陆续进行基础及地下室的施工, 导致地铁施工场地条件受限。
  
  4 基坑优化设计
  
  初步设计阶段, 本地铁车站由于周边环境相对稳定, 周边项目尚未实施, 因此整个车站基坑考虑采用连续墙+内支撑的支护体系。随着项目的推进, 至施工图阶段, 车站站位周边环境及边界条件发生变化。根据不同的地质状况及周边环境, 对地铁基坑进行分段设计。
  
  4.1 围护桩+锚索
  
  车站基坑北段东西两侧为S2及S5地块, 该地块已开挖至地下室底板标高约为27.2 m;车站北端S2、S5夹缝位置地面标高约为35.0 m.标高的差异使得北端头不具备采用对撑方案的条件。综合考虑地层条件及地面标高和场地环境, 车站北侧30.7 m宽端头采用围护桩+锚索的支护体系。围护桩采用C35混凝土, 桩径f 1200, 桩长28.9~33.3 m, 嵌固深度为9.0~10.0 m;该段围护桩标高27.2~35.0 m范围采用2道长25.0 m的锚索, 其中锚固段长度为10.0 m, 锚索倾角15°, 利用桩间空隙水平间距为1.35 m, 竖向间距2.0 m.锚索设计轴向力465 kN, 锁定荷载为245 kN.该支护形式的施工范围见图2中A段。
  
  4.2 围护桩+内支撑
  
  地铁车站进场的同时, S2、S5地块正在进行裙楼地下室的开挖及施工, 地铁基坑施工场地受到限制;其次, 自溁湾路至车站北端, 地面标高由39.0 m向北侧逐渐降为27.2 m.根据该段地层特点及场地施工条件, 选择围护桩+内支撑的支护体系。
  
  该段基坑总长度约为70.0 m, 采用f 1 200钻孔灌注桩, 分为2部分:溁湾路北侧桩顶标高为27.2 m, 记为B段, 采用1道混凝土支撑 (800 mm×900 mm截面) +1道钢支撑 (f 800, t=16 mm) , 嵌固深度为6.5 mm;溁湾路南侧桩顶标高为39.0 m, 记为D段, 采用2道混凝土支撑 (800 mm×900 mm、800 mm×1000 mm截面) +2道钢支撑 (f 800, t=16 mm) , 嵌固深度为8.0 mm.该支护形式的施工范围如图2中B、D段。
  
  图2 车站基坑支护分区图

  
  Fig.2 Foundation Pit Support Division of Subway Station
  
  注:A段为桩锚区, B、D段为围护桩+内支撑区, C段为双排桩区, E段为连续墙+内支撑区
  
  4.3 双排桩
  
  为了解决两侧基坑围护结构顶部存在高差的问题, 衔接溁湾路南北两侧基坑, B段及D段之间采用双排桩的支护形式。双排桩采用直径f 1500的钻孔灌注桩, 前后排桩间距5.0 m, 悬臂段高11.0 m, 嵌固深度为8.0~8.5 m.该支护形式的施工范围如图2中C段。
  
  4.4 连续墙+内支撑
  
  车站南段E段约200 m范围地层条件较差, 砂卵石层、圆砾层较厚, 基坑底部进入灰岩地层, 局部探明溶洞发育;此外, 基坑南端接近已运营二号线附属风亭。经综合考虑选用止水效果好、能较好控制基坑水平变形和周边地面沉降的连续墙+内支撑的支护体系。该段实施前需对探明溶洞进行注浆填充处理, 然后施做1 000 mm厚地下连续墙。该段采用2道混凝土支撑+3道钢支撑;第1道混凝土撑截面为800 mm×900 mm, 第3道混凝土撑截面为800 mm×1000 mm, 钢支撑采用f 800, t=16 mm钢管。
  
  4.5 加强型贝雷梁
  
  车站基坑施工期间, 结合本站交通疏解方案, 为减少车站实施期间对溁湾路交通的影响, D段采用局部盖挖法施工, 盖挖路面采用单层加强型贝雷梁, 跨度27 m, 总宽14.25 m.贝雷架三榀一组, 标准跨每组中心间距1.6 m.贝雷梁支座利用围护结构冠梁。贝雷梁为桁架结构, 采用城A级车辆荷载[11]对贝雷梁进行强度校核。多车道汽车荷载考虑多车道折减, 但折减后不小于两车道的汽车荷载效应。钢便桥架设后, 其上部现浇150 mm厚混凝土路面板, 路面板钢筋布置及结构尺寸详见具体图纸, 路面板采用原位现浇方式, 考虑到使用耐久性问题, 底模采用钢模板, 并应考虑设置减震装置 (增设橡胶垫块等) , 侧模也采用组合钢模板, C30混凝土浇筑, 路面板与贝雷梁上钢板采用2号U型螺栓连接。混凝土表面进行拉毛处理。
  
  5 实施与结论
  
  ⑴本基坑在施工图设计初期, 工程参与各方详细了解现场情况, 与地块开发业主协调工期进度及场地使用条件, 为整个基坑的优化设计和顺利实施奠定了基础。
  
  ⑵同一基坑, 根据地层状况及场地条件合理分段设计, 因地制宜。采用多种技术手段和措施, 既有效解决了施工便利和经济性的要求, 也确保了基坑安全及周边环境的保护要求, 为处理类似工程问题积累了经验。
  
  ⑶分段设计的单个基坑, 其各段的开挖时序及地下水控制设计应协调统一;具体实施阶段应待整个基坑封闭且通过抽水试验验证止水效果后, 方可进行基坑开挖;开挖过程应采用分层、分块, 对称开挖及时架设支撑或锚索的工序。
  
  ⑷按照分段设计实施的思路, 地铁车站基坑采用了4种不同的支护体系;通过施工过程中的严格控制, 目前该车站已经顺利完成基坑开挖及地下主体结构的回筑, 现场情况良好。
  
  参考文献
  
  [1] 吴华, 杨思谋。东莞地铁某车站基坑支护设计方案对比分析[J].广东土木与建筑, 2013, 20 (3) :34-36+12.  
  [2] 孙云飞, 姜峰, 李筠。深于地铁车站的站体附属结构基坑围护优化[J].建筑施工, 2007, 29 (9) :671-673.  
  [3] 韩俊, 肖本林, 张韩。深圳地铁9号线文锦站基坑开挖施工[J].建筑机械化, 2018, 39 (3) :55-56.  
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  [5] 洪三金。复杂地质条件下地铁深基坑优化设计与施工技术[J].广东土木与建筑, 2010, 17 (8) :3-6.  
  [6] 朱诚, 李睿, 刘夏临。地铁车站基坑支护结构设计优化[J].武汉科技大学学报 (自然科学版) , 2014, 37 (2) :156-160.
  [7] 地铁设计规范:GB 50157-2013[S].北京:中国建筑工业出版社, 2014.
  [8] 建筑边坡工程技术规范:GB 50330-2013[S].北京:中国建筑工业出版社, 2014.  
  [9] 建筑基坑支护技术规程:JGJ 120-2012[S].北京:中国建筑工业出版社, 2012.  
  [10] 建筑地基基础设计规范:GB 50007-2011[S].北京:中国建筑工业出版社, 2012.  
  [11] 城市桥梁设计规范:CJJ 11-2011[S].北京:中国建筑工业出版社, 2011.