地铁车站深基坑围护结构设计

刘俊平

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

作为设计人员，必须在充分分析基坑周边环境的基础上，进行合理的基坑围护形式选型与设计，使其具备一定的安全性和经济性，以达到保障基坑自身及周边环境安全的目的。

1 基坑围护结构及常见围护形式

在地铁基坑工程中，存在较多种类的围护结构形式，设计人员在充分考虑基坑的深度、周边环境条件、工程地质以及水文条件后，结合当地已有的工程经验以及现有的施工技术和施工机械设备，进行技术比选后，最终确定适用于实际基坑工程的围护形式[1]。地铁工程的施工工法有明挖顺作法、盖挖逆作法、盖挖顺作法等，其中明挖顺作法最为常见，对其支护一般选择围护结构内支撑或锚拉支撑，常见的围护结构形式有以下几种：

1.1 地下连续墙

地下连续墙指的是采用某种挖槽机械，在泥浆护壁条件下，沿着基坑工程的周边轴线，开挖出一条狭长的深槽，清槽后，在槽内吊放钢筋笼，用导管法灌注水下混凝土形成一个单元槽段，如此逐段进行，在基坑周边筑成一道连续的钢筋混凝土墙壁，承担截水、防渗以及承重的重要作用。地下连续墙通常在地下水位较高、土质较软的地区使用，施工过程所产生的振动较小，噪音较低，适合在城市中心建筑物以及人群密集区域使用；地下连续墙墙体刚度大、强度高，用于基坑工程时，可承担很大的水土压力，能有效控制地表沉降和周边建筑物、管线的变形；由于其自身性质，可以发挥挡水功能，因此得到比较广泛的应用。但地下连续墙的造价较高，在城市施工时，废泥浆的处理比较麻烦，且施工方法不当时，可能出现相邻墙段接头漏水的问题[2]。

1.2 灌注桩

灌注桩指的是在施工地点利用相应机械设备进行成孔，形成桩孔后将钢筋笼置于其中，最后在桩孔中浇筑混凝土。根据成孔方式不同，灌注桩可分别钻孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔灌注桩等类型。其中钻孔灌注桩所适用的地质条件较广泛，干作业与湿作业方式均可使用；钻孔灌注桩相较于地下连续墙来说刚度和防水性均较低，因此通常在地下水位较低、土层性质较好的地区得到应用。

1.3 钻孔咬合桩

钻孔咬合桩指的是将平面相邻布置的排桩之间互相咬合相嵌，从而形成的钢筋混凝土“桩墙”，比较适用于土壤条件不佳，淤泥、流砂以及软弱土壤和富含地下水的地层中。钻孔咬合桩技术成熟，目前在地铁、道路下穿线等建构筑物的深基坑工程中广泛采用。咬合桩的混凝土终凝出现在桩的咬合以后，能够成为无缝的连续“桩墙”，具有很好的抗剪强度和安全性，同时具有很好的截水性能。钻孔咬合桩实际施工的工艺具有一定复杂性，需要运用高精度的施工机械设备以及经验丰富的施工团队而实现。若未对混凝土初凝时间进行有效控制，可能产生渗水、颈缩等情况。

1.4 SMW工法桩

SMW工法桩，又称型钢混凝土搅拌桩，指的是利用水泥土作为固化剂，将其和地基土强行拌和，在搅拌桩凝固前，在其中插入H型钢，从而形成由水泥止水、型钢挡土的加劲复合型围护结构。该工法是基于深层搅拌桩发展起来的一种新型基坑围护形式。基坑回填后，SMW工法桩中的型钢可回收再利用，相比地下连续墙和灌注桩，具有污染低、空间占用少、施工速度快、造价低等优点。SMW工法桩适用于填土、粘性土、淤泥质土、砂性土等地层。现阶段在地铁深基坑围护中得到广泛应用。

2 地质条件

2.1 工程地质

工程地质指的是地铁车站施工区域的整体工程环境，提取工程地质信息是深基坑围护结构设计的基础，因此设计人员需要全面、详细地掌握地铁车站的具体位置以及基坑开挖范围内的地质条件，确认是否存在影响深基坑围护施工的不良地质条件。

2.2 水文地质

水文地质勘察属于地铁车站深基坑围护结构设计的基础工作之一，对于设计工作的顺利开展具有十分重要的意义。设计人员应当掌握基坑周边水文地质信息，了解地下水和地表水的成因、分布以及运动规律，基于这些信息进行围护结构的设计，从而确保围护结构设计的准确性。

3 围护结构设计工程案例分析

3.1 工程概况

本文以西安某地铁车站工程为案例，该车站为地下三层岛式车站，南北走向，采用明挖顺作法施工，其基坑总长度为157.6 m，宽度为19.4 m，深度为25 m。车站站位西侧为某小区，东侧为沿街商铺及厂房。站位西侧有一根DN2000雨水管，埋深约9 m，车站采取避让措施。该车站位于区域中心，人流量大、车流量大。

3.2 地质情况

本站位处地形总体平坦，地貌单元为塬前洪积台地。根据勘察资料，本车站地层自上而下依次为第四系全新统人工填土、残积黑垆土，上更新统风积新黄土、残积古土壤、冲洪积粉细砂，中更新统风洪积老黄土、残积古土壤、风积老黄土、冲洪积粉质黏土、粉细砂及卵石土[3]。各土层物理力学参数详见表1。

表1 各岩土层的物理参数

根据勘察资料，车站场地地下水属赋存于第四系松散层中的孔隙潜水类型，主要含水层为卵石土，该含水层不隔水，也无明显承压性。地下水年变化幅度为1.5～2m。场地地下水位于车站结构底板以下约14m，地下水对混凝土结构及混凝土结构中钢筋均具微腐蚀性，场地土对混凝土结构及混凝土结构中钢筋均具微腐蚀性。

3.3 围护结构选型

围护结构方案应遵循“安全、经济、方便施工”的原则，并综合施工方法、沿线地形及地质条件等因素，在多方案比选的基础上选择最合理的围护方案。

本工程场地内地下水位较深，位于车站结构底板以下约14m，无需进行降水，故围护结构不采用地下连续墙。

钻孔灌注桩作为基坑围护结构，具有较大的刚度，可作为车站侧墙的一部分参与承受土体侧压力，技术成熟。西安地区多采用此种围护结构，具有工程实际经验。且本站所在场地地下水埋深较大，无降水要求[4]。综合以上情况，本站推荐采用钻孔灌注桩的围护结构形式。

围护结构的水平受力体系有锚杆和内支撑，考虑到内支撑架设速度快、可反复利用、施工技术成熟等优点，本工程采用内支撑的设计方案。

3.4 围护结构设计

明挖基坑的支护参数应根据工程地质、水文地质、施工条件和环境因素，并按照现行相关规范进行计算确定。

本工程钻孔灌注桩的内力计算沿车站纵向取单位长度按弹性地基梁计算，按基坑开挖、支撑架设及回填内部结构的施工过程和完成后的使用阶段进行内力计算。钻孔灌注桩在施工期间作为基坑支护结构，考虑承担施工期间全部的侧向土压力，按强度和变形控制设计，不验算裂缝宽度[5]。

经计算，本车站标准段基坑的围护结构设计参数如下：

围护桩采用φ1000@1400mm的钻孔灌注桩，桩嵌固深度取8m；钢支撑竖向共设置四道，第一、二道采用φ609、t=16mm的钢管支撑，第三、四道采用φ609、t=16mm的水平双拼钢管支撑。冠梁尺寸为1000X1000mm，钢围檩采用2工45C。围护桩桩间网喷100mm厚C20混凝土护壁。

上述设计参数下，本车站基坑围护桩最大水平位移为17.2mm，地表最大沉降为18mm。变形均满足规范要求。

4 结论

深基坑围护结构的设计水平决定着地铁车站的整体水平，随着我国城市化步伐的加快，地铁工程数量也逐渐增多，要想确保地铁工程整体安全性，必须着重做好深基坑围护结构的设计工作。深基坑围护结构设计具有一定的复杂性，因此在对其设计的过程中，需要基于地铁车站工程的实际开展设计，设计人员需要深入施工现场，对车站周边环境进行详细勘察，主要包括深基坑工程周边建构筑物和管线的分布、现状道路交通情况等，对深基坑范围内地质情况和周边环境条件进行全面分析，并结合计算结果，最终确定合理的、可行性较高的围护结构方案。