地铁十字形基坑设计

程 捷，梁 健

(中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院，山西太原030013)

地铁车站考虑城市布局和居民出行的便利，常设置于交通量大、人口密集、经济繁华的地区。随着城市轨道交通的快速发展，车站周边环境及条件日趋复杂，为确保建设期间车站周边建筑物及场地的安全，保障周边市民正常出行，所需解决的问题日益复杂严峻。为此，本文结合深圳地铁三期工程7、9号线红岭北站基坑设计过程中遇到的特殊情况，阐述地铁十字形换乘站基坑的设计过程和风险源及针对措施，并为后续相关设计提供参考。

1 项目背景及工程概况

1.1 车站布置

红岭北站是深圳地铁三期工程7号线与9号线换乘站，设于红岭北路与八卦三路、梅园路十字路口处。7号线车站全长168.4 m，覆土约为3.1 m，为三层双柱三跨矩形框架结构，标准段外包尺寸为21.9 m(宽)×20.04 m(高)。9号线车站全长359.2 m，覆土约为3 m，为二层双柱三跨矩形框架结构，标准段外包尺寸为29.4 m(宽)×13.5 m(高)。7号线小里程设盾构始发井，大里程接暗挖区间；9号线小里程设盾构吊出井，大里程接园岭站(图1)。

图1 车站总平面布置

1.2 地质条件

红岭北站原始地貌为台地及其间沟谷区，经人工填挖整平，现地势较平坦；地面被建筑物、道路覆盖，原始地貌不复存在。车站范围内自上而下依次为素填土、粉质粘土、圆砾、砂质粘土、全风化岩、强风化岩、中风化岩、微风化岩。7号线部分下部岩层多为混合花岗岩，9号线部分下部岩层多为花岗岩。车站底板位于中、微风化岩层。地下水位埋深约3.5 m，主要赋存于砂层内。地下水类型主要有松散岩类孔隙水和基岩(构造)裂隙水。

1.3 周边环境

车站基坑周边建筑物密集且距离较近，影响范围内主要建筑物有超凡笋岗家居广场、深圳市地税局大厦、深圳友谊医院、外运监管仓库、深圳市广信仓库公司。其中距离地铁车站基坑最近的建筑物超凡笋岗家居广场为现浇钢筋混凝土框架结构，基础为浅基础；建筑物外墙距离基坑最近距离仅为2.7 m，此处基坑深度约为22.5 m。

2 基坑设计

2.1 十字形基坑开挖工序

红岭北站为同期建设的换乘站，十字形基坑面积约为1.3×104m2。综合红岭北站所在场地的地质水文条件和周边站址环境，本站采用明挖顺筑法施工，。由于车站基坑范围很大，考虑施工风险和施工工期，设计中采用分仓开挖的工序将十字形基坑分为3个基坑开挖(图2)。

图2 主体围护结构及支撑平面布置

车站7号线部分为3层站，小里程有盾构始发井。考虑盾构始发要求，7号线部分和十字形基坑节点作为一期基坑开挖。车站9号线部分为2层站，除车站节点处将9号线部分划分为两个基坑作为一期基坑开挖。考虑施工工期，两期基坑可同期开挖，在9号线部分靠近节点处留土30 m，从两侧向节点依次开挖。

2.2 基坑降水形式的选择

基坑周边建筑物密集且位于市区繁华地段，基坑外地面沉降应严格控制。基坑范围内岩面较高均在基坑底部附近。基坑采用内降水方案，止水采用落底式止水帷幕，可减少基坑外侧由于降水引起的水土流失，进而控制由于失水引起的地面沉降。

2.3 基坑围护设计

车站基坑范围内岩面较高但起伏不大，中风化岩层岩面在7号线部分为中板和底板之间，9号线部分在车站底板附近。车站基坑位于繁华市区，考虑基坑安全性，基坑围护均采用钢筋混凝土地下连续墙。

车站9号线部分除换乘节点外分为两个基坑，此基坑为两层站基坑，基坑深度约为16.7 m。围护采用0.8 m厚钢筋混凝土地下连续墙+内支撑体系。由于中风化岩层在车站底板附近，围护结构嵌固到车站底板下的中风化岩层中。

基坑标准段内支撑为一道钢筋混凝土支撑+两道钢管支撑。混凝土支撑断面为800 mm×1 000 mm,钢管支撑为φ600 mm，壁厚为16 mm的钢管。经过计算车站标准段宽度为29.8 m处第二道支撑轴力达2 860 kN，在基坑中部设一排临时立柱和联系梁以增加支撑刚度。

根据施工工序安排，9号线部分两个基坑从两侧向节点开挖，这两个基坑外笼阔较规整，与周边建筑物距离较远且建筑物基础均为桩基础，基坑无重大风险源。

车站7号线部分和十字形基坑节点设计为一个基坑，此基坑为三层站基坑，基坑深度约为23.1 m。围护采用1 m厚钢筋混凝土地下连续墙+内支撑体系。由于中风化岩层在车站地下二层中板和底板之间，围护结构嵌固到底板下中风化岩层中。

基坑标准段支撑为一道钢筋混凝土支撑+四道钢管支撑。钢筋混凝土支撑断面为800 mm×1 000 mm,钢管支撑为φ600 mm，壁厚为16 mm的钢管。经过计算车站标准段处第二、三和五道支撑轴力达3 055 kN、3 230 kN和3 575 kN，在基坑中部设一排临时立柱以增加支撑刚度。

车站7号线部分基坑包括换乘节点，基坑北侧离建筑物最近处距离仅有2.7 m。此基坑存在节点和邻近建筑物两个较大风险源，是十字形基坑设计的重点和难点。

2.4 基坑节点处结构设计

红岭北站节点部分为地下三层车站，此处基坑底埋深为23.1 m。地层自上而下依次为素填土、粉质粘土、圆砾、砾质粘土、全风化岩、强风化岩、中风化岩、微风化岩，中风化岩面在地下二层中板上2.5 m附近。基坑节点与7号线部分作为一个基坑一起开挖，为方便节点处与9号线主体接口施工方便，9号线部分两侧所设堵头墙设在在车站内墙外3.5 m处。

计算车站节点时，考虑9号线部分已经同期开挖，节点两侧各留土30 m，堵头墙外侧9号线部分已经降水至负2层；堵头墙外侧水位按实际情况计算，为地面下10 m。此处基坑深度为23.1 m，宽度为28.8 m，由于堵头墙外侧水位较低，堵头墙采用0.8 m厚钢筋混凝土地下连续墙。考虑施工方便，节点处支撑在基坑竖向位置与车站标准段一致，采用一道钢筋混凝土支撑+四道钢管支撑。由于节点处围护外侧水位为地面下10 m，内支撑第二、三和五道支撑轴力为2 160 kN、2 600 kN和2 660 kN。节点处内支撑轴力小于车站标准段支撑轴力，但基坑宽度为28.8 m，为增加钢管支撑的刚度，在基坑中部设一排临时立柱(图3)。

2.5 基坑临近建筑物保护

车站7号线部分北侧基坑距超凡笋岗家居广场外墙最近距离为2.7 m，基坑深度约为22.5 m。由于基坑距建筑物很近，基坑深度较深，是本次设计的另一个重大风险源(图4)。

根据地质报告，此处地层自上而下依次为填土层、粘土层、砂层、粘土层、全风化混合花岗岩、强风化混合花岗岩、中风化混合花岗岩、微风化混合花岗岩层。岩面约为地面下18 m，地下水稳定水位埋深约3 m。

由于超凡笋岗家居广场基础为浅基础，此处基坑受到较大的建筑物地面超载。超凡笋岗家居广场为地上6层钢筋混凝土框架结构，荷载按一层15 kN/m2取，地面超载为90 kN/m2。

根据规范及相关的技术要求，需要保证基坑外侧土体沉降量小于20 mm。为达到目标，首先，对围护结构型式及支撑类型进行比选，在此处选用整体性好的地下连续墙和支撑刚度较大的钢筋混凝土支撑，以减小基坑变形；其次，优化支撑竖向间距，在满足基坑变形前提下，合理控制支撑轴力，经计算分析设计采用三道钢筋混凝土支撑+两道钢管支撑方案(图5)。

图3 红岭北站节点处围护结构横断面

图4 临近建筑物示意

设计采用1 m厚钢筋混凝土地连墙和内支撑的支护形式。第一、二和三道支撑采用800 mm×1 000 mm的钢筋混凝土支撑；第四和五道支撑采用φ600 mm、壁厚为16 mm的钢管支撑。经过计算建筑物保护处基坑的最大沉降量为20 mm，基坑的最大水平位移为16.42 mm(图6、图7)。

最后，需要制定建筑物地基加固方案。在基坑开挖前，沿建筑物结构外边线施作两排袖阀管注浆，间距1 500 mm×2 000 mm，梅花形布置，浆孔深度到强风化层顶面下1 m。

图5 红岭北站建筑物保护处围护结构横断面

图6 基坑沉降计算

图7 基坑位移计算

3 结论与建议

(1)对于大型的十字换乘站基坑，开挖工序需与工程筹划综合考虑，以降低施工风险为原则，一般先进行深基坑开挖。本车站基坑由于工期限制，需要考虑同期开挖，为降低施工难度及施工风险，保留车站节点处9号线部分两侧土各30 m，并对其进行降水处理。

(2)为保证围护结构整体安全，基坑十字节点处需考虑一定的安全储备，支护结构刚度应该适当放大。本设计节点处采用一道混凝土支撑+四道钢支撑的方案。 (3)基坑开挖过程中，为确保周边建筑物安全，需要设定绝对的水平位移控制值及沉降控制值作为支护结构计算时的参考标准。现行《建筑基坑支护技术规程》(JG J120-2012)要求支护结构水平位移控制值、建筑物的沉降控制值应按不影响其正常使用的要求确定，并符合国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)中对地基变形允许值的规定。但由于基坑开挖而造成的建筑物的沉降是无法准确计算的，且地基规范规定的地基变形允许值是建筑物自身荷载所产生的变形允许值，外来因素产生的附加变形是否能够参考地基规范限值有待商榷。故本次设计在考虑周边建筑物荷载的前提下，以限制支护结构的最大水平位移及其后土体的最大沉降值进行设计。参考《深圳市深基坑支护技术规范》(SJG 05-2011)及相关技术要求，本次设计支护结构的最大水平位移值取30 mm，土体沉降限值取20 mm。

4 结束语

基坑设计过程中，需以计算分析为依据，以规范及相关技术要求为原则；但基坑周边环境条件复杂多变，不同的环境对基坑变形的适应能力不同，设计人员需要酌情掌握计算限值尺度，通过加强设计过程中的构造措施，保障重点节点部位的安全储备，并结合工程筹划及周边条件，合理确定施工工法、工序，降低基坑施工风险。

[1] JGJ 120-2012建筑基坑支护规程 [S]

[2] SJG 05-2011深圳市深基坑支护技术规范[S]

[3] 刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2009

[4] 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，2009