石家庄市城市轨道交通2号线南位站明挖基坑内支撑支护设计实录

王长科，杨金雷，武文娟，孙会哲，宋 杨，孟思宇

(1.中国兵器工业北方勘察设计研究院有限公司，河北省石家庄市建设南大街45号 050011； 2.河北省地下空间工程岩土技术创新中心，河北省石家庄市建设南大街45号 050011)

1 工程概况

南位站位于石家庄市胜利南大街与规划建华西路交叉口，沿胜利南大街南北向布置。车站中心里程为YK23+273.164，结构总长232.0m，车站为地下双层三跨框架式结构，11.0m岛式站台，标准段基坑宽度20.3m，底板平均埋深约18.0m；盾构端头井段基坑宽度24.0m，底板平均埋深约19.5m；车站附属结构设有4个出入口(A口为预留)及2个风道。南位站明挖基坑西侧紧邻石南货运铁路，主体基坑围护桩外边缘距铁路碎石路基坡脚线最近距离13.4m，基坑平面如图1所示。

图1 基坑平面图

由于南水北调管的使用要求，车站主体采用明挖顺做法倒边施工，一期施作里程YK23+262.364以北车站大里程基坑，待主体结构浇筑完毕并达到设计强度后，进行二期小里程基坑施工。施工范围内平均地面标高按66.400m计，车站顶板覆土厚度平均3.9m，采用钻孔灌注桩加内支撑的支护型式(见图2、图3)。车站主体结构施工完成后再开挖风道和出入口范围内的土方；因临近铁路，先施工临铁侧附属结构围护桩，作为隔离措施对铁路进行保护。

2 工程地质与水文地质

图2 南位站内支撑现场照片

图3 轴力计安装示意图Fig.3 Installation schematic diagram of axial force meter

表1 岩土力学性质统计表

水位埋深一般在45.0m左右，位于结构底板以下10.0m。车站场地范围内，潜水对混凝土结构具微腐蚀性。在长期浸水条件下对钢筋混凝土中的钢筋具微腐蚀性，在干湿交替环境下对钢筋混凝土中的钢筋具弱腐蚀性。

3 基坑支护设计方案

本站基坑支护结构采用钻孔灌注桩加内支撑支护体系，施工荷载标准段按均布20.0kPa考虑，盾构段按均布30.0kPa考虑，铁路荷载按116.0kPa考虑。考虑石南货运铁路的影响，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，支撑水平间距不大于9.0m，并对临铁一侧围护结构进行加强；标准段围护桩(WZ2)采用Ф800@1200，标准段直接临铁侧围护桩(WZ3)采用Ф1000@1400，盾构段围护桩(WZ1、WZ4)采用Ф800@1000，临铁侧附属围护桩(WZ5)采用Ф1250@1500，主体围护桩主筋采用分段配筋的方式。第二、三道支撑采用钢管支撑(Ф630，t=16mm钢管)，支撑水平间距不大于3.0m；钢围檩采用2工45b组合钢结构，围护桩参数列于表2。

表2 围护桩参数表

在主体土方开挖前先施工临铁侧附属结构围护桩，对铁路进行保护，典型支护剖面见图4、图5。

图4 1-1测试断面

图5 2-2测试断面

1-1测试断面基坑挖深约18.0m，临铁侧主体围护桩距铁路路基坡脚线17.1m，临铁侧为WZ3型围护桩Ф1000@1400，嵌固深度11.7m，非临铁侧为WZ2型围护桩Ф00@1200，嵌固深度7.4m。

2-2测试断面(有隔离桩)基坑挖深约18.0m，临铁侧主体围护桩距铁路路基坡脚线16.32m，临铁侧为WZ2型围护桩Ф800@1200，嵌固深度7.4m，主体基坑开挖前已施工临铁侧附属围护结构围护桩，作为隔离措施对铁路进行保护，隔离桩为WZ5型桩Ф1250@1500，嵌固深度7.0m，非临铁侧为WZ2型围护桩Ф800@1200，嵌固深度7.4m。

图6为附属风道内支撑支护剖面。由于结构防水的要求，需先破除主体围护桩，考虑附属结构基坑开挖后第一道支撑的位置选择，采取附属结构顶板降板的技术手段，附属结构顶板低于主体结构顶板1.0m，预留第一道支撑的作用位置。

图6 附属风道支护剖面

主体基坑开挖工况列于表3。

表3 主体基坑开挖工况

各桩型所在剖面基坑稳定性验算结果见表4。

表4 安全系数计算结果

4 现场监测分析

4.1 桩身水平位移分析

1-1测试断面测点ZQT10为直接临铁侧，主体围护桩与铁路之间无隔离桩，该测试断面桩身水平位移表现出了明显的偏压荷载作用下的变形特征(见图7)。在铁路荷载的作用下，临铁侧围护桩(ZQT10)向基坑内侧偏移，非临铁侧围护桩(ZQT16)向基坑外侧偏移；桩身水平位移最大值均发生在桩顶附近，临铁侧(ZQT10)处为5.62mm(向坑内偏移)，非临铁侧(ZQT16)处为-2.32mm(向坑外偏移)。

2-2测试断面测点ZQT11为临铁侧，在车站主体基坑土方开挖前先施工附属2号风亭基坑的围护桩作为隔离措施。由于附属围护桩的隔离作用，该测试断面围护桩桩身水平位移变形曲线与1-1测试断面的变形曲线存在很大差异(见图8)。

临铁侧围护桩(ZQT11)桩身水平位移呈“弓”字型分布特点，非临铁侧围护桩(ZQT15)桩身水平位移呈抛物线型分布特点。临铁侧(ZQT11)桩身水平位移最大值4.85mm(向坑内偏移)，发生在桩顶附近；当主体基坑开挖至工况3时，嵌固段桩身水平位移开始向坑外偏移，偏移最大值为-2.75mm。非临铁侧(ZQT15)桩身水平位移最大值3.58mm(向坑内偏移)，发生在桩顶下10.0m位置。

图7 1-1测试断面桩身水平位移图

图8 2-2测试断面桩身水平位移图

图9为用理正深基坑计算软件计算所得的WZ2型、WZ3型围护桩桩身水平位移包络图，通过与实测位移对比可以看出：实测位移值均小于计算值；由于基坑西侧偏压荷载铁路的作用，对临铁侧围护桩进行加强，实测桩身水平位移曲线表现出了多种变形特征。

4.2 桩顶水平位移分析

从图10中桩顶水平位移时程曲线(“-”表示向基坑外偏移，“+”表示向基坑内偏移)可以看出：临铁侧桩顶水平位移多表现出向坑内偏移的特点，无隔离桩1-1测试断面临铁侧桩顶水平位移(ZQS10)向坑内偏移量最大，位移值为7.5mm；无隔离桩1-1测试断面非临铁侧桩顶水平位移(ZQS16)向坑外偏移，位移最大值为-5.2mm；有隔离桩2-2测试断面非临铁侧桩顶水平位移随着基坑开挖与支护的交替进行，表现出向坑内与坑外反复摆动的特点。

(a) WZ2 (b) WZ3图9 桩身水平位移包络图Fig.9 Horizontal displacement envelope diagram of pile body

(a)1-1测试断面桩顶水平位移时程曲线

(b)2-2测试断面桩顶水平位移时程曲线图10 桩顶水平位移时程曲线Fig.10 Horizontal displacement time history curve of pile top

4.3 钢支撑轴力分析

图11为钢支撑轴力变化散点图，从钢支撑轴力变化散点图可以看出：1-1测试断面(无隔离桩)第二道钢支撑轴力变化范围为50.8～212.8kN，第三道钢支撑轴力变化范围为136.7～304.0kN，第三道支撑轴力普遍大于第二道；2-2测试断面(有隔离桩)第二道钢支撑轴力变化范围为106.5～380.5kN，第三道钢支撑轴力变化范围为10.7～104.8kN，第二道支撑轴力普遍大于第三道。

(a)1-1测试断面

(b)2-2测试断面图11 钢支撑轴力变化散点图Fig.11 Scattered plot of axial force variation of steel support

1-1和2-2断面钢支撑轴力设计值和施加值见表5。通过对1-1，2-2断面监测值与实测值的对比可以看出：钢支撑轴力实测值远小于设计计算值。

表5 钢支撑计算轴力表

5 结语

针对南位站西侧紧邻石南货运铁路的工程特点，本次内支撑支护设计方案采取了如下措施：

(1)第一道支撑采用钢筋混凝土支撑(800mm×1000mm)，增强整个支撑体系的整体性；

(2)对直接临铁一侧围护结构进行加强，围护桩(WZ3)采用Ф1000@1400，嵌固深度11.7m；对于主体基坑与石南货运铁路之间存在附属结构的位置，在主体土方开挖前，先施工附属侧围护桩(WZ5)，作为隔离措施对铁路进行保护；

(3)主体结构设计时考虑了附属结构基坑开挖后第一道支撑的位置选择，采取了附属结构顶板降板的措施，使附属结构顶板低于主体结构顶板1.0m，预留第一道支撑的作用位置。

本工程于2016年4月开始进行设计，2016年10月完成主体围护结构施工图，截止至2018年12月，车站主体结构已全部封顶。临铁侧附属结构围护桩的先期施工改变了货运铁路对主体围护桩作用的载荷传递模式，有隔离桩存在的支护断面没有出现明显的偏压变形特征，并且进一步控制住了围护桩的水平位移，改变了支撑轴力的分布特点。

现场监测结果表明内支撑支护设计方案较合理，保证了基坑的整体稳定和石南货运铁路的安全运行，实测围护桩水平位移与钢支撑轴力均小于计算值。