岩溶地区地铁车站深基坑支护结构优化设计

王 钎 安应选



岩溶地区地铁车站深基坑支护结构优化设计

王 钎 安应选

摘 要：贵阳地铁2号线金朱西路站因初步设计周期较短，地质资料不够全面，周边环境变化大等原因，导致车站深基坑支护初步设计方案较为粗略，不够经济。在初步设计及专家审查后，为了保证施工图设计的安全性、经济性及可实施性，文章在施工图设计阶段从减少车站支护结构工程投资、提高工程可实施性、缩短工程实施周期等方面对深基坑支护结构进行了优化设计，并取得了良好效果。

关键词：岩溶地区；深基坑；支护结构；优化设计

王钎：中铁第六勘察设计研究院集团有限公司，工程师，天津300308

1　工程概述

贵阳市轨道交通2号线为南北—东西—南北向骨干线，连接白云新区、观山湖新区、云岩区、南明区及龙洞堡片区。2号线一期工程（七机路口站—油榨街站）线路全长27.4 km，均为地下线，共设车站24座。2号线金朱西路站位于金朱西路以南，沿诚信南路呈南北向跨规划发展路敷设，车站布置于路中。车站为地下三层岛式站台明挖车站，车站基坑长269.5 m，地下一层基坑宽度最大73.2 m，开挖深度13.1 m，地下三层基坑标准段宽度20.1 m，开挖深度26.73 m，车站采用明挖法施工。

依据本站地勘资料显示，场地内上部土体覆盖层自上而下划分有：混凝土层，素填土层，硬塑状红黏土层，可塑状红黏土层，软塑状红黏土层，部分有溶洞充填物；下部岩体层为强溶蚀带灰岩（Ⅴ类）和中风化灰岩（Ⅲ类）。工程区地下水类型主要有孔隙水及岩溶裂隙水2种类型，孔隙水主要赋存于第四系松散覆盖层内，根据地下水位观测资料，车站场区勘察期间地下水位埋深6.7～10.1 m。

2　深基坑支护结构原设计方案

结合金朱西路站周边区域的交通组织及建（构）筑物特点，车站周边场地条件较好，无重要影响建构筑物，车站范围尚未发现重大影响管线。根据本站勘察资料显示车站南北两端覆盖层厚约0.5～12.7 m，原设计支护方案为车站两端上部位于土层基坑部分采用钻孔灌注桩 + 预应力锚索支护，下部基坑及车站11～28轴均位于强溶蚀和中风化岩层，采用土钉墙支护结构。车站主体结构需设置抗拔桩，抗拔桩采用人工挖孔，抗拔桩直径为φ1600 mm。基坑支护结构平面布置图见图1。

3　深基坑支护结构优化设计

由于金朱西路站初步设计周期较短，初步设计阶段引用的地质资料为初勘资料，不能全面掌握地质情况，导致支护结构初步设计方案细化程度不够。另外，施工图设计阶段经现场调查发现，车站周边场地环境发生重大变化。若按原支护方案实施，将会对工程经济性和工程实施周期等方面造成不必要的浪费。因此，车站深基坑支护结构施工图设计阶段，在原支护方案经济性优化的同时，从地质条件变化和车站周边场地环境变化等方面对车站深基坑支护结构进行最大程度的优化很有必要。

3.1原支护方案优化设计

（1）车站深基坑原支护方案中，钻孔桩+预应力锚索与土钉墙支护结构衔接处钻孔桩出现悬臂情况（图2），不利于基坑安全控制。优化设计中，将不同围护结构过渡部分围护桩外放后取消原设计悬臂桩，并优化设计为围护桩与土钉墙的顺接过渡（图3）。

图1　深基坑支护结构原设计方案（单位：m）

图2　原设计支护结构过渡部分示意图

图3　优化设计支护结构过渡部分示意图

（2）车站局部开挖深度约为19 m 的地下二层基坑原设计支护结构为φ1200 mm 间距2000 mm 钻孔桩 + 竖向3道预应力锚索，桩底嵌固深度5 m（图4）。根据《详勘报告》的地质情况经复核计算，发现原设计预应力锚索不满足基坑变形控制要求，并且桩底嵌固层地质均为中风化岩层，稳定性较好，桩底嵌固深度5 m 偏大，不够经济，因此，优化设计中将原支护结构方案优化为φ1200 mm 间距2000 mm 钻孔桩 + 竖向4道预应力锚索，桩底嵌固深度3 m（图5）。

（3）根据《初堪报告》提供的车站抗浮水位，原设计地下一层部分设抗拔桩，《详勘报告》提供的车站抗浮水位较《初堪报告》降低 2 m。经过复核计算，车站地下一层无需设置抗拔桩，车站地下二层和三层部分设置抗拔桩即可满足抗浮要求，因此，优化设计中将原支护结构设计方案地下一层抗拔桩取消，可减少工程投资，节约工期。

3.2地质勘察条件变化优化设计

影响深基坑支护结构类型选取的首要因素为基坑场地地下水位和地质情况，而岩溶地区的地层分布不均匀，且地层构成较复杂，车站基坑场地内上部覆盖层厚度差异极大，地下水随季节变化大，对基坑上部覆盖层边坡稳定性影响较大。本车站基坑《初勘报告》资料只提供车站线路位置纵剖面，没有东西两侧物业开发部分地下一层基坑边坡地质纵剖面。《详勘报告》提供的物业开发部分地下一层边坡地质纵剖面显示，覆盖层厚度均比车站线路位置地质纵剖面高，地质条件相对改善许多。因此，可以根据《详勘报告》地质资料对支护结构进行以下优化。

（1）28～33轴东侧开挖深度约19 m，原设计支护方案为φ1200 mm 间距2000 mm 的钻孔桩 + 竖向4道锚索（图6）。钻孔桩支护方案虽然具有墙身强度高、刚度大、支护稳定性好、变形小等优点，但《详勘报告》显示该部位基坑边坡均为岩层，而岩质地层施工难度大、造价高、施工工期长等又是钻孔桩施工的致命缺点。因此，优化设计中将该部分支护结构优化为土钉墙支护结构，土钉墙稳定可靠、施工简便且工期短、经济性好，适用于稳定地层（图7）。

图4　原设计19 m 基坑支护结构

图5　优化设计19 m 基坑支护结构

图6　原设计28～33轴东侧基坑支护结构

（2）4～11轴、28～33轴西侧边坡开挖深度约19 m，根据《初勘报告》地质资料，该部位线路位置上部土质覆盖层最深处为13 m，原支护设计方案为φ1200 mm（22.6 m）间距2000 mm的钻孔桩 +4道锚索，插入深度为5 m（图8）。但《详勘报告》地质资料提供的4～11轴、28～33轴西侧地质纵剖面显示此部分地质上部覆盖层仅约6 m，有了极大改善。支护结构可优化为上部土质覆盖层部分采用φ1000 mm（13.8 m）间距2000 mm 的钻孔桩 +3道锚索，插入深度为3 m，下部岩层岩质边坡采用土钉墙的支护结构，这种优化可在保证安全文明施工的同时减少工程投资、缩短施工工期（图9）。

3.3周边环境变化优化设计

深基坑周边环境是影响深基坑支护结构类型选取的重要因素。经现场调查发现，车站基坑1～11轴东侧现状为近期开挖完成的金阳新世界商业地下室基坑，该基坑坡顶距离车站外墙13 m，开挖深度约11 m。基坑边坡采用框架梁 + 锚索支护结构，其中基坑上部2道锚索已进入地铁车站东侧基坑范围内。该部位车站基坑原设计方案开挖深度为13 m，边坡支护结构采用φ1000 mm（16.5 m）间距2000 mm 的钻孔桩 +3道锚索支护结构（图10）。按照距离和锚索设计角度计算，原设计方案有2道锚索施工将进入对方既有基坑，不能形成锚固效果。因此，需对该部位支护结构进行优化调整，此部分支护结构优化为取消原设计支护结构的钻孔桩 + 预应力锚索，优化为放坡开挖支护形式，挖除2基坑上部夹土，拆除对方已进入车站基坑的锚索，保留对方基坑下部3道锚索及框架梁，待双方主体结构施工完成后再对开挖部分夹土进行回填。这种支护结构优化既可减少钻孔桩+预应力锚索的投资，也避免大量土方开挖造成投资浪费（图11）。

3.4基坑支护结构最终优化设计方案

根据初步设计专家审查意见、场地地质水文条件变化及周边环境变化情况进行了上述基坑支护结构优化设计，本文最终给出了基坑支护结构最终优化设计方案，见图12。

图7　优化设计28～33轴东侧基坑支护结构

图8　原设计4～11轴、28～33 轴西侧基坑支护结构

图9　优化设计4～11轴、28～33轴西侧基坑支护结构

4　优化设计经济效益分析

深基坑支护结构类型选择直接影响工程投资，本工程从影响支护结构类型选择最重要的因素入手，在对支护结构原设计进行优化中，着重从基坑场地地下水位和地质情况以及基坑场地周边环境变化等重要影响因素方面，对车站深基坑支护结构进行优化，将部分原设计方案为钻孔桩+预应力锚索的支护结构优化为土钉墙支护结构。经优化设计，减少φ1200 mm 钻孔桩1837 m，减少φ1000 mm 钻孔桩714 m 和φ1600 mm 抗拔桩（人工挖孔桩）60 m，减少预应力锚索4622 m，节约工程投资约267.6万元，节约施工周期3个月。

5　结论及建议

对于岩溶地区基坑规模较大的工程，在施工图设计阶段对基坑支护结构原设计方案基础进行优化是很有必要的。通过本工程深基坑支护结构的优化，将原设计支护方案部分钻孔桩 + 预应力锚索支护结构优化为土钉墙支护结构，将车站临近既有基坑部分支护结构取消，减少了工程投资，避免了工程浪费，达到了预期效果，为类似的基坑支护结构设计提供了参考。

参考文献

［1］ GB50157-2013地铁设计规范［S］.2013.

［2］ DB22/46-2004贵州建筑岩土工程技术规范［S］.2004.

［3］ 刘建航，侯学渊. 基坑工程手册［M］. 北京：中国建筑物工业出版社，1997.

［4］ 贵阳勘测设计研究院有限公司. 贵阳市轨道交通2号线工程金朱西路车站岩土工程勘察报告（详勘阶段）［R］. 贵阳勘测设计研究院有限公司，2014.

［5］ 施仲衡，张弥，王新杰. 地下铁道设计与施工［M］. 陕西西安：陕西科学技术出版社，1997.

［6］ 周素华，王娜，万新. 浅谈深基坑工程支护结构类型与设计原则［J］. 建材与装饰，2013（11）.

图10　原设计1～11轴东侧基坑支护结构

图11　优化设计1～11轴东侧基坑支护结构

图12　基坑支护结构优化设计（单位：m）

责任编辑 朱开明

Optimization Design of Supporting Structure for Deep Foundation Pit of Metro Station in Karst

Area
Wang Qian, An Yingxuan

Abstract:Aiming at the problems at Jinzhuxilu station on Guiyang metro line2with shorter preliminary design period, insufficient geological information, big changes in the surrounding environment etc., leading to rough preliminary design for the station deep foundation pit supporting, and the solution is not economic. After the preliminary design review by experts in order to ensure safety, economy, and the implementation for the construction drawing design, the paper optimizes the construction plans in the design period for deep foundation pit support retaining structure, in the aspects of reducing station supporting structure project investment, improving the project implementation feasibility, shortening the project implementation period, and having achieved good results.

Keywords:karst area, metro station deep foundation pit, supporting structure, optimization design

中图分类号：U231.3

收稿日期2016-01-16