地连墙与内支撑组合在地铁车站深基坑工程中的应用研究

李科增，孙广臣*，杨焕白，刘慧芬

（1.中南林业科技大学土木工程学院，湖南长沙410004；2.佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山528225；3.中铁五局集团第二工程有限责任公司，湖南衡阳421002）

为了应对“城市综合症”［1］，缓解城市地面上的交通压力，地铁工程建设进展非常迅猛，地铁车站深基坑工程作为地铁工程项目极其重要的一部分，正飞速地向规模更大、深度更深的方向发展，随之而来基坑开挖和支护的问题已成为土木工程的热点和难点［2］。因城市用地紧张，已出现越来越多需要在紧邻既有地铁站条件下进行新建地铁站深基坑施工的工程案例，在邻近既有车站条件下，新建地铁车站的施工往往是一项施工风险极大的复杂工作与系统工程，不但需要避免新建车站对既有车站及附属工程的影响，更要合理评价和尽量减少距离很近的既有车站（如直线距离10 m左右）对新建车站在基坑开挖、支护施工过程中力学特性的影响，因而需要开展针对性的研究，以确保新建地铁车站在施工过程中的安全与稳定。

张光建等［3］以某地铁换乘车站深基坑作为研究背景，通过建立三维有限元模型，对地铁车站深基坑开挖的过程进行数值模拟计算，同时将支撑轴力计算值与实测值进行了分析比对，发现两者具有一致的发展变化规律，表明建立的三维有限元模型能够较好地模拟异形基坑的开挖施工过程，为后续优化设计和施工提供了参考。肖武权等［4］对深基坑的支护方案、所选支护类型的细部结构设计分析计算的优化进行了详细探讨，通过运用多目标决策模糊集理论以及层次分析法来优选具备多属性、模糊特性的深基坑支护方案。余晓琳等［5］以收集到的国内一些工程实例作为研究对象，分析了基坑在开挖之后土体位移场产生的变化，总结了基坑开挖施工对邻近既有车站结构的影响。廖貅武等［6］通过运用基于数学规划的多属性决策方法分析方案之间的优势关系，得到了最优的支护方案，并用具体实例证明了该方法可行、有效。赵洪波等［7］提出了一种优化基坑支护设计的新方法，用支持向量机来表示支护设计参数和基坑安全系数两者间复杂的非线性映射关系，以微粒群算法为优化工具，通过一个具体的工程实例展示了该方法出色的全局优化能力。O ROURKE［8］、FINNA［9］通过对现场深基坑进行实测分析，得到了围护体系的受力变形及其影响，以及造成不同结果的原因。基坑的开挖卸载打破了邻近地铁车站原有场地的平衡，使土层应力重新分布，继而引起地铁车站产生新的内力和变形。已运营地铁车站要求严格控制车站结构的变形，以确保正常运营以及安全稳定［10-13］。

本文以武汉市轨道交通16号线老关村站为工程背景，结合该车站深基坑在开挖、支护施工过程中支护结构的受力、变形监测数据，介绍该工程所采用基坑支护方案的主要施工工艺，为类似工程项目提供有益借鉴。

1 工程概况

武汉轨道交通16号线一期老关村站位于沌口路以东地块内，与既有6号线老关村站平行换乘，如图1所示，周边场地较为开阔，建设条件较好，采用明挖法施工。老关村站为地下二层岛式车站，车站有效站台中心里程处底板埋深16.68 m，车站顶板覆土3.2 m。车站主体结构外包总长227.3 m，总宽22.2 m（标准段），有效站台长度140 m，站台宽13 m，双柱三跨结构。根据车站地质勘察报告，综合考虑车站站址环境及周边规划情况，临近既有车站一侧围护结构及大里程端端头采用1 000 mm厚的地下连续墙，其余侧围护结构均采用800 mm厚地下连续墙，且墙顶设冠梁，采用钢筋混凝土支撑和钢支撑作为支撑体系使用。

图1 工程概况平面示意图

2 工程地质与水文条件

2.1 工程地质

根据钻孔揭露，结合区域地质资料分析，场地表层分布人工填土层，其下依次为第四系全新统冲积层、上更新统冲积层、上更新统冲洪积层，下伏基岩为白垩—古近系东湖群碎屑岩，基坑开挖标准段工程地质横剖面如图2所示。

场地特殊岩土为：1）填土：物理力学性质相差悬殊，成份复杂，结构疏密不均，在车站明挖基坑场地构成基坑侧壁土层，需支护及防治其中上层滞水对坑壁稳定的影响；2）软土：本场地所分布的软土主要有流塑状淤泥混素填土、流～软塑状淤泥质粉质黏土。软土具有低强度、高压缩性、高孔隙比、高灵敏度、易扰动和易触变等特点。其中淤泥混素填土为第四系全新统沟、湖、塘相淤积物，工程性能差，但仅在局部地段上部分布，车站明挖施工段应加强对其支护。淤泥质粉质黏土分布厚度较大，该层土对工程危害具体体现为：明挖基坑地段易发生软土剪切破坏而产生深层滑动。当软土位于基坑底板因承载能力不足需进行地基处理，施工中易扰动，给施工带来不便，深基坑开挖坑底易发生隆起；基坑施工进行深井降水时，因软土一般次固结沉降尚未完成，属欠固结土，当地下水位降低时，易引起周边地面产生较大的沉降，对周边建筑物及道路、管线安全造成威胁；3）膨胀土：据本次勘察成果，结合场地附近等工程勘察资料，拟建线路沿线III级阶地、剥蚀垄岗上老黏土及红黏土自由膨胀率δef一般为18%～39%，结合武汉地区经验，局部具有弱膨胀潜势，该土层具有含水量变化即产生胀缩的特性，特别是基坑开挖后产生卸荷和胀缩裂隙后若不即时封闭，地表水沿裂隙下渗后强度将大幅降低，工程实施过程应注意加强封闭防护和保湿防晒；4）残积土和风化岩：成分复杂，土质不均，作为天然地基时应注意其不均匀沉降问题，另外其中所含硬质成分可能对桩基施工产生不利影响。各土层主要物理力学参数见表1。

图2 标准段工程地质横剖面

表1 土层主要物理力学参数

2.2 水文地质

场地内地下水按赋存条件，主要为上层滞水和孔隙承压水两种类型。上层滞水赋存于人工填土中，主要接受地表水与大气降水补给。因其含水层物质成份、密实度、透水性、厚度等不均一性而导致水量大小不一。勘察期间测得上层滞水水位埋深0.7～2.9 m；孔隙承压水主要赋存于第四系全新统粉土夹粉砂和第四系上更新统含粘土质砾、卵石（砾质土）层中，两者构成同一含水层，含水层顶板埋深13.0～20.6 m，相应标高8.72～0.35 m；含水层底板埋深35.6～47.5 m，相应的标高为-14.65～-25.78 m；含水层厚度15.0～26.1 m。实测地下水位埋深1.20～4.00 m，水位标高21.11～17.72 m，承压水头17.4～20.80 m。含水层顶板为微透水的淤泥质粉质粘土和粘土，底板为白垩-古近系泥质粉砂岩，地下水主要由侧向径流补给与排泄，具承压性。此外，泥质粉砂岩中含少量基岩裂隙水，水量一般不丰，主要接受其上部含水层中地下水的下渗。

3 基坑支护方案

3.1 支护结构设计

采用地下连续墙与内支撑组合的支护方式，临近既有站一侧围护结构及基坑大里程端端墙均采用1 000 mm厚连续墙，其余侧均采用800 mm厚连续墙，夹心土采用ø850@600水泥土三轴搅拌桩沿基坑长度方向对站间土层进行间隔式局部加固，车站大里程端端头加固在地连墙施工前完成。标准段基坑设置两道混凝土支撑、两道钢支撑和一道换撑。混凝土支撑间距6 m，钢支撑间距为3 m。基坑中部设置一排临时立柱和连系梁，见图3，临时立柱沿车站纵向设置剪刀撑，小里程端盾构外扩段基坑采用两道混凝土支撑、两道钢支撑和一道换撑,其中第一、二道采用钢筋混凝土支撑，其余各道为钢支撑（ø800，t=16）；大里程端盾构外扩段基坑采用两道混凝土支撑、三道钢支撑和一道换撑，其中第一、二道采用钢筋混凝土支撑，其余各道为钢支撑（ø800，t=16），盾构段基坑设置两排临时立柱和连系梁。

图3 标准段断面支护结构设计

3.2 施工工序和工艺

本站周边环境较开阔，具有明挖施工条件，因此采用明挖法施工。车站主体（标准段）施工步骤如下：

（1）平整场地，搅拌桩施工车站间夹心土加固，施工导墙及地面截水系统、地下连续墙、临时立柱桩基及地基加固。

（2）掏槽浇筑冠梁及第一道钢筋混凝土支撑。

（3）待第一道混凝土支撑达到设计强度后，分层逐步开挖基坑至基底设计标高处，随挖随架设各道支撑。基坑开挖至每道钢支撑中心线下0.4 m处时，必须及时架设钢支撑，必须在施加预应力后方可继续进行下部土方开挖。

（4）待基坑开挖至底面，铺设底板素混凝土垫层，敷设防水层，再铺设细石混凝土保护层，施工底板结构及部分侧墙。

（5）待底板及部分侧墙结构达到设计强度后，拆除第四道钢支撑，施工换撑（倒撑）后拆除第三道钢支撑，敷设侧墙防水层，施工负二层楼板及侧墙。

（6）待负二层楼板、侧墙及结构柱达到设计强度后，拆除第二道钢支撑，敷设侧墙防水层，施工剩余侧墙及顶板。

（7）待顶板、侧墙及结构柱达到设计强度后，敷设顶板防水层，施工压顶梁。分层回填顶板覆土，回填至第一道混凝土支撑下500 mm时拆除第一道支撑，回迁管线，恢复路面。

两站间夹心土加固及车站大里程端端头加固在地连墙施工前完成，且自既有站向拟建车站方向施工。基坑内土体加固在基坑开挖之前完成。水泥土搅拌桩加固施工要点：1）材料用42.5型普通硅酸盐水泥，根据需要加入适量的外加剂，所用的外加剂数量根据具体情况通过试验确定。2）基底以下搅拌桩水泥掺量20%，水泥浆液水灰比为0.6，基底以上采用7%的水泥掺量进行弱加固。3）两站间夹心土加固区域为地面以下3 m至坑底以下2 m，搅拌桩水泥掺量20%，水泥浆液水灰比为0.6，地面至地面以下3 m采用7%的水泥掺量进行弱加固。4）加固土体有28 d以上的龄期，达到设计强度要求后，进行基坑土方开挖。5）搅拌桩施工满足设计搭接要求，每一施工段连续施工。施工开始和施工结束处的搭接采取加强措施。6）桩位水平偏差不大于50 mm，垂直偏差不大于1%。7）夹心土加固与既有6号线车站地连墙间采取三重管高压旋喷桩ø800@600咬合搭接，先自既有站向拟建车站方向施工ø850@600三轴搅拌桩，后作三重管高压旋喷桩ø800@600。8）车站大里程端端头加固深度为拟建区间隧道管片外径顶、底外扩3 m范围。加固后土体的设计参数要求：加固后的地基，应有良好的均匀性和自立性，不得有明显的渗水，其无侧限抗压强度1.0 MPa，渗透系数≤1.0×10-7cm/s。

4 基坑监测

4.1 监测内容

监测对象及基坑测点统计情况如表2、图4所示。

表2 车站围护结构监测项目

图4 深基坑监测平面布点图

4.2 监测结果

图4中地表沉降测点DBC3-3、DBC5-3、DBC6-2，地下连续墙水平位移测点ZQT5、ZQT22、ZQT24，第一道砼支撑实时轴力测点ZCL1-1、ZCL1-2、ZCL1-3、ZCL1-5，在时间节点2019年1月21日、2019年3月31日、2019年4月21日、2019年5月21日、2019年7月3日上的实测数值变化情况分别如图5～7所示，图中地表沉降数值为正表示隆起，负值表示下沉；地下连续墙水平位移数值为正表示向坑内移动，负值表示向坑外移动。

随着基坑逐步开挖，测点DBC6-2由下沉发展为隆起，过程中数值逐渐增大最终趋于稳定，测点DBC3-3的沉降变化由地表下沉2.72 mm发展为地表隆起1.36 mm，测点DBC5-3的沉降值较为稳定，发展变化于地表以下2.85 mm～6.73 mm之间；远离既有站一侧的测点ZQT22与ZQT24所在地下连续墙深层水平位移发展趋于一致，最小值为向坑内移动4.66 mm，最大值为向坑内移动31.79 mm，而紧邻既有站一侧测点ZQT5所在地下连续墙延深度方向的最大水平位移在基坑开挖过程中由最初的向坑内1.47 mm持续向坑外发展为16.4 mm；观察第一道混凝土支撑的轴力发展情况，发现随着基坑开挖、支护，受力上均呈现先增大后减小的现象。

图5 地表沉降变化

图6 地下连续墙深层水平位移变化

图7 第一道混凝土支撑实时轴力变化

基坑开挖至坑底各项监测指标最大累计值如表3所示。

表3 监测指标统计表

本站基坑变形控制按一级基坑考虑，基坑支护结构自身控制标准为：周围地表最大沉降量≤30 mm，支护结构最大水平位移≤40 mm，临近既有站一侧支护结构最大水平位移≤30 mm。

从以上监测数据中可以看到，各监测指标均在设计、规范要求范围内，施工状况正常，可进行后续车站主体结构施工。

5 结论

紧邻既有地铁车站条件下，深基坑的施工过程往往会受到一定程度的影响。在结合具体工程案例，通过介绍其支护体系以及研究基坑周围地表沉降、内支撑受力和地下连续墙的水平位移发展变化这一过程，发现随着基坑逐步向下开挖，支护结构的受力及变形、周围地表沉降处于动态变化之中，地表沉降根据所处位置的不同表现为隆起、下沉，或介于两者之间变化最终趋于一个相对稳定的范围；同样，地下连续墙的水平位移也会因所在场地位置的不同而表现为向坑内或向坑外。且随着开挖过程的进展，最大值持续增加，最终趋于稳定；第一道支撑的受力会随着基坑开挖、支护的过程呈现先增大后减小的现象，符合深基坑开挖受力变形发展规律。

为了保证施工工序正常有效地进行以及维持已运营既有地铁车站的安全和稳定，需要综合考虑场地环境、设计、施工条件等因素，并严格按照各专项施工方案有序开展、实施。同时，在施工过程中需要加强施工监测力度，随时注意深基坑支护体系受力、变形的发展变化趋势，针对工程自身风险源及环境风险源提出相关紧急应对措施。本地铁站车站深基坑工程采用地下连续墙和内支撑组合形式的支护方案满足工程设计要求，在该工程项目围护体系中较好地控制了自身的受力变形，让后续工程作业得以平稳进展。