某地铁车站深基坑围护结构的优化设计

袁庆利

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

随着现在城市交通网络的发展逐步完善，控制地铁基坑设计的因素也越来越多，主要包括已经施工地下结构的围护结构、地下管线的布设、河流以及轨道交通的规划等因素。地铁基坑正日益向深基坑甚至超深基坑发展［1]。

基坑工程设计中不仅要满足结构建筑功能的布置要求、基坑施工安全的要求，而更重要的是还必须满足周边环境的安全，因此基坑工程设计需满足强度和变形2 种极限状态［2]。

对于基坑的变形分析，包括围护墙体内力、变形及坑周围地层移动。基坑开挖的过程是基坑开挖面上卸荷的过程。由于卸荷而引起坑底土体产生以向上为主的位移，同时也引起围护墙体在两侧压力差的作用下而产生水平向位移和墙外侧土体的位移［3]。在大多数文献中都对围护结构体系中支撑的道数和增加支撑的刚度进行论述分析，通常认为:通过增加支撑的道数或增加支撑自身的刚度均可减小围护结构的变形和内力。但是如果考虑施工期间的时空效应，并不一定完全说明增加支撑的道数可以更为有效的减少基坑及环境的变化。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

该地下车站选址受到河流及地面环境的限制，车站站址附近保护性建筑物主要有百福大楼(混5，筏基)，新华信托储蓄银行(混6，满堂红基础)，车站为地下3层车站，有效站台范围位于半径R=800 m的圆曲线上，总长132.644 m，车站标准段基坑原设计基坑深度约30.1 m。车站平面布置如图1所示。

1.2 地质条件

图1 车站平面布置

基坑开挖范围内土体主要为黏性土、填土、淤泥质土、粉土及粉砂，土质松软，直立性差，地下水位较高。场地类别为Ⅲ类，场地土类型为软弱～中软场地土，浅层微承压水以⑥2粉土、⑦4粉砂、⑦9细砂、⑨2粉土为主要含水地层，含水层厚度较大，分布相对稳定。浅层微承压水位于地表下20.0～25.0 m，车站负三层剩余土方位于⑦4、⑦9粉细砂层。

各土层物理力学指标如表1所示。

表1 土层物理力学指标

2 设计优化方案

该车站采取盖挖逆做法施工，围护结构为地下连续墙，连续墙幅段之间采用十字钢板止水接头，混凝土抗渗等级P10，原设计在不考虑负一层中板及负二层中板的基础上，设置4道混凝土支撑。底板抬升时该车站已经施工完成车站部分顶板、负一层中板、负二层中板及第1道、第2道、第3道混凝土支撑，第3道混凝土以下土方均未开挖。

由于区间线路纵坡调整，引起车站范围内轨面抬高1 060 mm，抬升后标准段基坑设计基坑深约29.2 m，由于底板设计厚度2.2 m，导致抬升后底板与第4道混凝土支撑在高程上冲突。为了避免第4道混凝土支撑与底板的干扰，减少基坑开挖的施工工期，提出将轨行区标准段第4道混凝土支撑取消。由于地下连续墙已经施工完毕，第3道混凝土支撑距离基坑底竖向距离约6.9 m，第4道混凝土支撑取消后，引起地下连续墙的内力超出规范［4]允许的极限状态承载能力。为了减少地下连续墙的内力及变形，拟在第3道混凝土支撑下架设竖向斜撑，减少第3道混凝土支撑距离基坑底的竖向间距，斜撑采用工45C型钢，斜撑上端支撑在第3道混凝土支撑上，与第3道混凝土支撑夹角30°(图2)，节点采用钢板植筋连接，考虑斜撑与地下连续墙作为一个整体共同受力，斜撑下端支撑在钢围檩上，钢围檩沿纵向布置在基坑两侧地下连续墙上，钢围檩与地下连续墙间采用砂浆密填。同时由于基底位于⑦4、⑦9粉砂层，减少基坑的暴露时间，避免坑底发生涌水、涌砂险情，充分利用垫层刚度，提出增大底板下垫层的厚度及刚度，将垫层厚度由原设计300 mm调整为500 mm，垫层改用早强混凝土，垫层中增设I45型钢，型钢间距 1.0 m［5]。

图2 车站围护结构横剖面

考虑基坑开挖的时空效应，提出基坑开挖采用跳槽开挖。首先开挖到斜撑位置架设腰梁和斜撑，接下来施工两端的盾构井，将盾构井底板施工完成后，由两端盾构井向车站中间逐级开挖，开挖采取1∶1放坡开挖，每一施工步开挖宽度4 m;每步开挖到坑底设计高程时需及时架设型钢、施作500 mm厚垫层。待垫层混凝土强度达到要求后再进行下一施工步开挖。以此类推，垫层施工16 m为一施工单元，绑扎底板钢筋，浇筑底板混凝土。

3 围护结构计算分析

3.1 计算模型

为了研究基坑开挖区间地下连续墙的受力及水平位移，采用midas gen软件［6]进行施工阶段模拟计算分析，地下连续墙及板采用板单元模拟，钢筋混凝土撑及斜撑采用梁单元模拟，并根据实际情况进行端部弯矩释放。板单元荷载采用压力荷载，梁单元荷载为线荷载，土与结构的相互作用通过弹簧进行模拟，模拟计算中根据提出的施工工况进行模拟，同时假设基坑外地下水位取至地面，斜撑与腰梁及第3道混凝土支撑节点为铰接［7-9]。有限元模型如图3所示。

图3 车站三维计算模型

3.2 计算工况

计算荷载包括:围护结构自身荷载、土荷载、水荷载、地面超载、混凝土支撑及车站顶板附加荷载、覆土荷载、施工活载、路面活载，根据各施工阶段的具体情况对恒载及活载荷载值进行组合。

荷载标准值组合:恒载×1.0+活载×1.0;

荷载设计值组合:1.25×(恒载×1.0+活载×1.0)。

3.3 计算结果分析

综合计算各种不利工况，考虑围护结构的最不利工况及最不利部位，对计算结果进行整理，提取800 mm厚地下连续墙的内力及水平位移、第3道混凝土支撑及斜撑的内力计算结果如图4～图6所示。

图4 800 mm厚地下连续墙竖向弯矩(单位:kN·m)

图5 800 mm厚地下连续墙位移云图(单位:mm)

图6 第3道混凝土撑弯矩图(单位:kN·m)

由于车站主体结构采用复合墙，计算中只对围护结构地下连续墙进行极限状态承载能力检算。提取800 mm厚地下连续墙内侧的最大弯矩W=1 292 kN·m，出现在基底上方2.0 m处，对围护结构地下连续墙进行反算，地下连续墙配筋要求为6 384 mm2，实际配筋7 377 mm2，满足要求。提取800 mm厚地下连续墙外侧的最大弯矩为W=1 785 kN·m，对围护结构地下连续墙进行反算，地下连续墙配筋要求为9 053 mm2，实际配筋10 732 mm2，满足要求。地下连续墙的最大水平位移9.96 mm，最大位移满足基坑变形保护等级一级的要求［10，11]。

斜撑的最大轴力N=718 kN，偏心弯矩M=28.7 kN·m，在架设斜撑的时候，使强轴在受弯方向，因此只考虑强轴方向失稳验算。整体稳定性验算如下

N——所计算构件段范围内的轴心压力;

φx——弯矩作用平面内的轴心受压构件稳定系数;

βmx——等效弯矩系数;

M——所计算构件段范围内的最大弯矩;

γx——截面塑性发展系数;

W——在弯矩作用平面内对较大受压纤维的毛截面模量。

可见整体稳定性满足要求。

第3道混凝土支撑最大轴力为11 783 kN，该点对应的弯矩为1 466 kN·m。第3道混凝土支撑最大弯矩为2 365 kN·m，对应的轴力为6 400 kN，该混凝土支撑截面为1.2 m×1.2 m，配筋下侧为11φ28 mm，按矩形偏压配筋计算，检算满足要求。

由于目前软土地区基坑的施工过程中没有采取过类似的支护结构形式，斜撑的两端是通过锚栓锚固在混凝土支撑及地下连续墙上，设计过程中还对锚栓的抗剪进行了检算，通过检算均能满足规范要求。

根据基坑开挖的现场检测数据，基坑开挖过程中基坑外土体最大侧向位移11.4 mm，出现在地面下27.5 m处，第3道支撑最大轴力为8 772 kN，地表最大沉降25.5 mm，均满足一级基坑的变形保护等级要求，周边建筑物变形均在可控范围内。

4 结论

(1)取消标准段第4道混凝土支撑，在第3道混凝土支撑下架设斜撑同时提高垫层刚度，受力合理，围护结构变形满足一级基坑的变形保护等级要求。

(2)设计优化后缩短工期约40 d，节约工程投资约110万元。

(3)根据基坑开挖监测数据，围护结构体系安全，周边建筑物变形均在可控范围内。

(4)在混凝土支撑下架设型钢斜撑为基坑支护体系先例，可为其他工程提供借鉴意义。

［1]徐奴文.地铁车站深基坑开挖与支护有限元数值模拟［D].上海:同济大学，2008.

［2]陈万鹏.基坑开挖引起地表沉降的预测方法研究［D].南京:南京工业大学，2006.

［3]刘洋逆.作法超深基坑支护结构体系有限元分析及应用研究［D].天津:河北工业大学，2007.

［4]GB 20010—2002，混凝土结构设计规范［S].

［5]夏明耀，曾进伦.地下工程设计施工手册［M].北京:中国建筑工业出版社，1999.

［6]王昌兴.MIDAS/Gen应用实例教程及疑难解答［M].北京:中国建筑工业出版社，2010.

［7]李铁生.盖挖地铁车站设计分析方法［D].上海:同济大学，2007.

［8]胡浩军，王元汉.深基坑开挖与支护模拟仿真分析［J].岩土力学，2007，28(S).

［9]崔勤，徐正良.软土地层地铁车站的新型盖挖法施工［J].中国市政工程，2008(4):86.

［10]刘国彬，王卫东，刘建航等.基坑工程手册［M].北京:中国建筑工业出版社，2009.

［11]张淑莉.中关村金融中心工程深基坑支护设计与施工［J].铁道标准设计，2010(4).

［12]GB 50157—2003，地铁设计规范［S].