武汉某地铁车站基坑围护结构设计

朱政

摘 要：本文章详细介绍了武汉某复杂地铁车站主体围护结构工程设计，根据相关的规范要求，对围护结构的支撑、围护桩的内力、变形、稳定性系数等进行了验算。并对基坑开挖周边重要的风险源分别进行有限元计算，对基坑开挖的设计、施工组织提供了有力的支持与指导。

关键词：车站;深基坑;有限元计算

1 工程概况

本车站为武汉地铁5号线工程的第26个车站，场地行政区域位于武汉市洪山区，在国铁武汉火车站东广场下，沿东广场南北向呈一字型布置，所在位置是进出国铁武汉站主要通道。车站外包长度为241.5m，标准段外包宽度为22.1m，开挖面积约为8193.53m²。武汉火车站地下结构标准段开挖深度约23.431m，小里程端盾构井明挖宽度为26.550m，深度为24.460m。

2 地质概况

拟建场地位于剥蚀堆积垅岗区（Ⅲ级阶地），原始地形起伏较大，场地东南侧分布有水塘，修建国铁武汉站主体时部分回填，之后修建国铁武汉站东广场时，又进行大面积挖填整平。現地形平坦，地表高程介于22.46m～23.37m之间，最大高差约0.91m。基坑开挖土层由上至下分别为：（1-1）杂填土、（1-2）素填土、（1-3）淤泥质粘土（局部分布）、（10-1）粘土、（10-1d）粘土、（13-1）残积土、（20c-1）强风化泥岩、（20c-2）中风化泥岩。基底均处于（20c-2）中风化泥岩。由于拟建车站基岩普遍被厚度为约2-5m的黏土层覆盖，且泥岩节理、裂隙多被泥质充填而水量极贫乏。

3 围护结构选型与设计

3.1 工法选择

在进行车站主体围护结构设计计算之前，第一步应根据工程的实际情况选择合适的施工工法。目前在武汉地区车站地下结构采用比较多的较为成熟的工法有有明挖顺作、暗挖法及盖挖逆作。本工程不在城市主干道上，在国铁武汉站的东广场上，场地开阔，无建构筑物及大型市政管线，根据本工程特点及工程造价比较，选择武汉车站基坑诸多施工方法中最为经济、且技术安全可靠的为明挖顺作法施作车站主体^[1]。

3.2 基坑支护型式

综合本站周边环境、地质条件和工程造价，本站主体围护结构选用围护桩+内支撑作为围护结构方案。车站标准段基坑第一道支撑支撑采用现浇钢筋砼支撑，支撑在冠梁上，其余三道支撑为钢支撑。路面盖挖系统：路面板采用400mm厚现浇混凝土板，支撑系统采用型钢格构柱，格构柱基础采用钻孔灌注桩。

3.3 基坑支护型式

目前武汉地铁车站基坑的的主要有钢筋混凝支撑和钢支撑着两种形式。内支撑体系的选择应根据基坑土质情况、基坑深度、周边环境情况以及围护结构的形式确定。实施时，也可以将各种内支撑体系结合使用，扬长避短，在保证工程安全的情况下，以达到加快施工进度，降低工程造价的目的，根据武汉车站基坑的本地区工程经验，为保证基坑整体稳定性，第一道支撑一般必须采用混凝土支撑;支撑多余三道的，宜采取不少于两道混凝土支撑。经过比较考虑分析，本车站标准段采用一道混凝土支撑+三道钢支撑，外挂段采用两道混凝土支撑+两道钢支撑的形式，混凝支撑位800×1000mm，钢支撑为609x16mm或800x16mm，当支撑角撑跨度超过16m、对撑超过20m时中间设置格构柱支撑，保证稳定性。

3.4 基坑计算结果

对于长条形这样的地铁基坑，两侧对称开挖时，可视为平面问题，取1延米单片墙元，按竖弹性地基梁（或板）法进行计算，基坑开挖面以下的土体对墙的约束作用以一系列弹簧支座模拟。计算时考虑支撑点的位移、施工况及刚度影响，计入结构的先期位移以及支撑的变形，按“先变形后支撑”原则进行结构分析。按照现行的行业及地方基坑规范，应按承载能力极限状态进行下列内容的验算：桩的变形与内力，坑外地面沉降，整体稳定性、围护结构绕最下一道支撑为圆心的圆弧滑动抗隆起稳定性、按桩底地基承载力模式验算坑底抗隆起稳定性、围护结构抗倾覆稳定性。

车站标准段的变形内力计算结果如图 5所示，按湖北规范（（DB42/T159-2012））桩端抗隆起分析结果：计算抗隆起安全系数=2.12，满足规范K不小于1.8的要求。车站主体基坑安全等级为一级，变形控制保护等级为一级。围护结构最大水平位移≤30mm。对于本段23.210m深基坑，水平位移计算值23mm，满足要求。

4 风险源分析应对措施

车站周边环境复杂，均为国铁武汉站配套设施，北侧距4号线停车线区间和风亭最近处7.6m和2.6m（地下1层，基坑深度深度14m，柱下梁板式筏板基础），南侧为杨春湖客运中心A区（需要整体拆除），距离杨春湖客运中心B区（地上二层，无地下室，框架结构，独立基础）6.7m，西侧距国铁武汉站匝道桥桩（桩基础，桩长30m）17m，西侧距布丁酒店（地上3层，钢筋混凝土框架结构，天然基础，）15m，东侧为停车场地下空间局部与车站重叠，需要局部拆除（局部拆除面积745m²，地下一层，基坑深度10m，柱下梁板式筏板基础）。地铁车站主体结构周边环境复杂，工程施工必然会对周边环境产生影响。鉴于此，将4号线区间、4号线6号风亭、停车场地下空间定格为Ⅰ级风险源，将杨春湖客运中心B区定格为Ⅱ级风险源根据《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》（GB50652-2011），须针对该风险源进行专项设计，并组织行业专家进行专项审查。

5 结语

通过对武汉某地铁车站围护结构设计方案的分析以及工程实践，对于武汉地区地铁车站基坑工程的设计与施工，总结了以下几条经验：

5.1 在基坑围护设计之前，应对周边环境进行详细的梳理，确定一个合理的保护等级;

5.2 对于武汉地区Ⅲ级基地的基坑，宜采用围护桩+内支撑的体系，在保证有足够的刚度及整体性、稳定性的前提下也能取得良好的经济性;

5.3 在基坑旁侧距离较近处的风险源需要进行专家论证，并且要加强监测，提前做好应急预案及保护措施，保证周边环境的安全。

参考文献（Reference）：

[1] 刘国彬，王卫东.基坑工程手册（第二版）[M].中国建筑工业出版社，2009.

[2] GB50157-2013 地铁设计规范[R]

[3] GB50652-2011城市轨道交通地下工程建设风险管理规范[R]

[4] DB42/T 159-2012湖北省基坑工程技术规程[R]

[5] JGJ311-2013建筑深基坑工程施工安全技术规范[R]