與道路隧道合建地鐵車站深基坑設計方案研究

劉幾凡

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海市200235）

與道路隧道合建地鐵車站深基坑設計方案研究

劉幾凡

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海市200235）

近年來深基坑施工面臨的周邊條件趨于復雜，不可避免地遇到很多工程合建問題。依托南京地鐵4號線草場門站基坑與市政隧道合建項目，研究了開挖深度大、周邊條件復雜、變形要求高、地質條件差等多種不利條件耦合下的深基坑設計施工。啟明星及有限元計算結果表明，采用地下連續(xù)墻圍護結合6道內支撐方案較好地解決了一系列工程難題，為類似工程的設計施工提供了借鑒。

隧道合建；地鐵車站；深基坑；軟土

0 引言

深基坑是一個土力學、基礎學、結構學及工程施工相結合的傳統(tǒng)課題。它涉及土力學中典型的強度與穩(wěn)定問題，又涉及變形問題，還涉及土與支護結構的共同作用。其包含擋土、支護、防水、降水和挖土等多個密切相連的環(huán)節(jié)，某一環(huán)節(jié)的失效將會導致整個工程的失敗，后果相當嚴重[1，2]。

我國自改革開放以來，經濟與社會發(fā)展日新月異，尤其近十年來，人民生活水平顯著提高，對于各項基礎設施的需求規(guī)模和質量都提出了更高的要求。近年來，大量工程建設集中在市區(qū)甚至老城區(qū)，施工場地較小，施工條件復雜，深基坑開挖引起周圍地基土沉降等問題越來越受到人們的重視。由于開挖造成鄰近建筑物及地下管道和電纜的破壞其帶來的損失是很大的[3-5]，這就對深基坑的設計提出了更高的要求。比如，如何減小基坑開挖對周圍建(構)筑物、道路和各種市政設施的影響，如何結合運用相鄰工程同步實施避免二次交叉影響等方面的理論與方法，引起了人們進一步的關注和重視。

南京位于長三角地區(qū)，土地資源稀缺，主要以黏性土、粉土為主，水文地質條件非常差。南京地鐵4號線草場門站車站基坑工程就是其中的典型，既具有普遍的代表性，又具有與城市主干道隧道合建等特點。因此，對該基坑的研究探索，對今后南京乃至長三角地區(qū)的基坑支護設計與施工具有一定的實用價值和借鑒意義。

1 工程概況

草場門站為南京地鐵4號線一期工程的第二座車站。車站位于南京市草場門大街與虎踞路交叉口，沿草場門大街東西方向布置，為地下三層13 m島式站臺車站，與規(guī)劃7號線草場門站T型換乘。7號線車站為地下二層島式車站,沿虎踞路設置，位于草場門隧道（虎踞路高架拆除改隧道）西側，站位跨草場門大街，兩線之間設置聯絡線。車站外包總長253.737 m，標準段總寬22.7 m，車站軌面埋深約24.66 m,車站覆土約4.5 m。車站標準段基坑深度約28.01 m，草場門隧道設置在虎踞路路中，上穿4號線車站。該隧道與4號線同步實施。

本站與規(guī)劃7號線形成島島“T”型換乘，其中規(guī)劃7號線為地下二層車站，4號線草場門站實施時車站主體預留規(guī)劃7號線換乘部分接口。

1.1 周邊環(huán)境

草場門大街及虎踞路均為城市主干路，交通流量大，其中草場門大街道路規(guī)劃紅線寬約48 m，7號線所處的虎踞路道路規(guī)劃紅線寬60～66 m，虎踞路路中為虎踞路高架橋，為跨草場門大街路口跨線橋，交通繁忙。車站周邊地塊建筑已較為成熟，車站東北象限為石城現代創(chuàng)意園，西北象限為南京藝術學院，西南象限為江蘇教育學院，東南象限為江蘇省測繪局（見圖1）。

車站軌面標高受規(guī)劃中的草場門隧道控制，車站需預留草場門隧道的下穿空間，故車站頂板覆土由3 m增大至5 m。隧道與車站關系見圖2。

圖1 工程周邊環(huán)境示意圖

圖2 隧道與車站的關系示意圖

該方案以草場門平交東北象限的江蘇省教育學院樓房為控制點，將道路中心線適當西移，結合地鐵公司與南藝的協(xié)調結果，在南移拆遷其學生宿舍樓的基礎上布設線位。設置雙向6車道隧道下穿草場門大街、地面輔道與草場門大街平面交叉。該節(jié)點需要重點處理與地鐵4號線和7號線的相互關系，協(xié)調換乘車站的布置方案。

1.2 地質條件

擬建場地位于南京工程學院宿舍區(qū)南門至虎踞路與草場門大街交叉口之間的草場門大街上，場地地形較平坦，地面高程為10.79～13.61 m（吳淞高程），地貌單元為秦淮河沖積平原。

擬建場地巖土層分布不均勻，表層為1.6～4.7 m填土層，填土層之下，深度9.6～27.5 m的坳溝范圍為全新世中晚期沉積軟弱黏性土（見圖3），階地和坳溝底部為全新世早期沉積的③-1b1-2、③-2b2、③-3b1-2層粉質黏土和③-4e含卵礫石粉質黏土。場地下伏基巖主要為白堊系（K）沉積巖，基巖層面埋深及巖體完整性、強度變化均較大,如圖3所示。

圖3 基坑開挖地質條件示意圖

本站場地潛水穩(wěn)定水位在地面以下1.6～3.1m，高程為8.00～11.61 m（吳淞高程系），水位起伏和地形起伏基本一致。水位年變化幅度一般在1.0 m左右。

場地承壓水水頭在地面以下3.1～4.3 m，常年有水，水頭低于潛水穩(wěn)定水位，與潛水含水層水力聯系不密切，地下水頭年變幅較潛水小，約為0.5 m。

本站抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.1 g，設計地震分組為第一組，本站擬建場地類別為Ⅱ類。

2 工程特點

2.1 與市政隧道合建

草場門站跨虎踞路東西向設置，虎踞路在草場門站實施前為雙向4車道高架。根據南京市的統(tǒng)一規(guī)劃，虎踞路由高架調整為下穿隧道，與地鐵4號線草場門車站一體化設計施工。

2.2 開挖深度大、地層條件復雜

草場門站為地下三層站，由于上方草場門隧道的經過壓低車站埋深，車站標準段開挖深度超過28.0 m，相當于八層樓房的高度。本站地層淺部為填土、粉質黏土，坑底坐落于強風化及中風化的泥巖、泥質粉砂巖，基坑開挖范圍軟弱土層分布廣泛。

2.3 施工組織難度大

地鐵草場門站是4號線工程中難度最大、受外部影響最嚴重的站點之一，工程進度由于場地條件限制、管線改移緩慢、交通組織困難等原因較其余車站滯后6個月左右。

車站主體范圍內影響基坑開挖的大量地下管線需要臨時遷改，沿草場門大街下遷改管線主要有：Φ2000雨水管，Φ800污水管，D N500燃氣管，D N1 200給水管，D N900給水管，110 k V電力箱涵，14孔和58孔通信光纜；草場門大街與虎踞路交叉口處的44孔通信光纜。

2.4 基坑安全等級及變形控制保護等級高

草場門站標準段基坑深度約為28.01 m，本站按盾構過站實施，端頭井基坑深度與標準段相同。根據基坑開挖深度與周邊環(huán)境情況，該工程基坑安全等級定為一級，即要求地面最大沉降量≤0.1%H，圍護結構最大水平位移≤0.14%H，H為基坑開挖深度。

3 方案設計

3.1 圍護結構類型比選

圍護結構型式根據基坑開挖深度、工程地質和水文地質條件、主體結構布置、基坑和環(huán)境保護要求、施工方法、工期、工程造價、常用的圍護型式做綜合的技術經濟比較，并通過強度、穩(wěn)定、變形計算后確定[6-9]。

地下工程基坑圍護型式可采用地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁加水泥土攪拌樁隔水帷幕、型鋼水泥土攪拌墻、咬合樁等。根據南京地區(qū)多年來地鐵工程建設的實踐經驗，深基坑一般采用地下連續(xù)墻圍護。地下連續(xù)墻剛度大，能承受較大的水平側向荷載，結構變形小，能夠較好地控制和減少對鄰近建筑物、構筑物和地下管線的影響。草場門站主體為地下三層結構，由于草場門隧道存在使車站埋深加大，標準段基坑開挖深度達到28 m，且車站周邊均為成熟地塊，所在道路為城市主干路，交通流量大，地下管線眾多，且局部存在含卵礫石粉質黏土承壓含水層。地下連續(xù)墻的剛度大，基坑開挖止水效果好，對于周邊建構筑物及地面的沉降控制比較有利。綜合考慮本站基坑規(guī)模、所在環(huán)境、地質及水文條件、施工安全、投資和工期籌劃等因素，故選用1 200 mm厚地下連續(xù)墻的圍護結構型式。

3.2 圍護結構方案設計

草場門站結構平面外包尺寸為230.6m（長）× 21.9m（寬），聯絡線處最大寬度達32.9 m。標準段底板埋深約28.01 m，地下三層構筑物。該工程基坑采用明挖順筑法施工,車站主體采用1 200 mm厚地下墻,地下墻深為35 m。

標準段及端頭井豎向均設置7道支撐，第一道為800mm×1000mm混凝土支撐，第五道為1 000mm× 1 100 mm混凝土支撐，其余為609×16鋼支撐；西端頭井聯絡線刀把段基坑寬度較窄，僅為10 m，第五道支撐調整為609×16鋼支撐；地下墻接頭采用H型鋼接頭，H型鋼尺寸為1 100×500× 14×14。

附屬結構中1號風亭為地下一層基坑，但臨近改遷2.5 m×3.0 m雨水箱涵和Φ800污水管，風亭圍護結構外皮距雨水箱涵外壁最近，只有0.5m。為確保基坑開挖期間雨水箱涵的安全，綜合考慮采用800 mm厚地下連續(xù)墻加內支撐的圍護結構型式，沿基坑深度方向設置3道支撐。第一道為700 mm×800mm混凝土支撐，第二道為800mm× 800 mm混凝土支撐，其余為609×16鋼支撐。其余出入口和風亭均為地下一層基坑，采用800@1000鉆孔灌注樁+850@550高壓旋噴樁止水帷幕的圍護結構形式，沿基坑深度方向設置1～3道支撐。第一道為700 mm×800 mm混凝土支撐，其余為609×16鋼支撐。

3.3 圍護結構方案計算

（1）荷載與組合

施工期間圍護墻承受的荷載有結構自重，水土側壓力及地面超載。結構自重按建筑結構荷載規(guī)范采用；水土側壓力按施工圖技術要求和相關規(guī)范規(guī)定取值。

（2）計算模型、參數取值與計算簡圖

地下墻圍護結構一般為無圍檁支撐體系，地下墻內力計算沿結構縱向取單位長度按豎向彈性地基梁計算，按基坑開挖、支撐、樓板依次澆筑、拆撐、澆筑側墻的施工過程和完成后的使用階段等工況進行內力計算。

圍護結構開挖階段計算時必須計入結構的先期位移值以及支撐的變形，按“先變形，后支撐”的原則進行結構分析。

設計參數：土加權天然重度——γ=19 k N/m3；鋼筋混凝土支撐——b×h=800 mm×900 mm；鋼支撐——609×16鋼管（壁厚16 mm）；土彈簧——考慮“時空效應”經固化后的土彈簧剛度；地面超載——20 k N/m2、30 k N/m2（盾構推進階段）；側向荷載——施工階段黏性土按水土合算，砂性土按水土分算，采用朗金土壓力公式計算，C、取固快峰值平均值。

典型斷面計算各工況從開挖至拆第一道支撐共分為23個工況，部分工況計算見圖4。

圖4 典型斷面部分工況計算簡圖

（3）入土深度的確定

地下墻的入土深度考慮基坑所處環(huán)境條件、地質條件、圍護結構的抗隆起、抗滑移、抗傾覆及穩(wěn)定性等因素，并結合南京地區(qū)深基坑的施工經驗確定：端頭井基坑深度約為26.1 m，標準段開挖深度約為24.8 m，底板大部分位于K-2層強風化泥巖泥質粉砂礫巖中，地下墻墻深為35 m，墻趾插入K-3-1層中風化泥巖、泥質粉砂巖和K-3-2、K-3-3中風化含礫砂巖、夾砂礫巖中，地下墻插入中風化巖層約3～5 m。

（4）典型斷面計算結果及分析

計算模擬了施工過程，考慮了先開挖后支撐時結構已變形的實際情況。計算時支撐未施加預應力，將其考慮為安全儲備。標準段開挖深度按照24.7 m計算。

a.圍護結構變形

根據計算得換乘段西側標準段地下墻最大變形為27.4 mm＜0.14%H=34.6 mm，滿足一級基坑的環(huán)境保護要求。

b.穩(wěn)定性分析

整體穩(wěn)定安全系數K s=2.13＞1.25，抗隆起安全系數K=4.85＞2.5，抗傾覆安全系數K s=2.13＞1.200，抗管涌安全系數K=3.77＞2.0，均滿足規(guī)范要求。根據計算分析結果，各項指標均能滿足規(guī)范要求。

c.支撐軸力(標準值)

根據初勘報告，③-4e層含卵礫石粉質黏土為微承壓含水層，雖然地下墻隔斷了該層承壓含水層，但由于微承壓含水層含卵礫石粉質黏土和下伏基巖相接，基巖裂隙水和上部微承壓水水力聯系較為密切(根據初勘報告)，抗微承壓水水頭穩(wěn)定性不能滿足要求，需要進行降微承壓水水頭專項設計。

經驗算，圍護結構地下墻開挖側最大彎矩處配筋率為1.05%，該配筋滿足截面承載力要求。

以上計算結果表明，本設計方案可以滿足規(guī)范及工程要求。

4 與隧道建設銜接

為保證草場門隧道盡早貫通，草場門站現場施工籌劃進行了優(yōu)化調整，決定草場門隧道先于地鐵車站施工。考慮采用車站地下墻及坑內21根格構柱作為隧道結構的豎向支撐。以下為該籌劃具體施工步驟。

第一步：基坑開挖至隧道底，鑿除南北兩側地下墻，提前施工合建段隧道結構（預留好車站結構接頭）。

第二步：隧道結構達到設計強度后，在隧道下蓋挖施工，開挖車站剩余土體（邊開挖邊安裝剪刀撐）。

第三步：開挖至車站底板設計標高后，從下往上順做車站底板、負二層板、負一層板（包括側墻和立柱）。

針對以上施工工況，建立了三維有限元模型（見圖5）。經計算：

圖5 隧道與車站基坑三維模型

（1）地下墻墻底豎向位移最大值ΔZmax=4.6mm，滿足要求。

（2）根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（J T G D62-2004）第6.5.3條，受彎構件最大撓度不應超過計算跨徑的1/600，并應考慮撓度長期增長系數η（C40混凝土取1.6），fmax=（15-4.5）mm×1.6=10.4 mm×1.6=16.7 mm＜30 m/600=50 mm，撓度不超限值，滿足要求。

（3）基坑采用490×490（4L180×18）格構柱，共計21根。格構柱高度19.06 m，為減小格構柱計算長度，采用兩道剪刀撐，將格構柱計算長度減小至9.5 m，并按格構柱兩端鉸支考慮。根據《鋼結構設計規(guī)范》（G B 50017-2003）第5.1.3條的規(guī)定，格構式軸心受壓桿件的穩(wěn)定性1.485×2 077 k N/（0.856×0.02 478m2）=147 N/m2≤[f]=215 N/m2，故格構柱穩(wěn)定性滿足要求。

綜上，以上對立柱樁承載力、格構柱穩(wěn)定性、地下墻承載力、結構變形進行了驗算，均滿足要求。

5 實施效果

該工程2011年5月開始總體設計，2011年底初步設計完成，2012年8月開始施工，2016年11月完成結構驗收，2017年1月春節(jié)前通車試運營，前后歷時約5年半。由于設計方案合理，工期安排合理，工程進度質量得到了保障。圖6為主干路隧道通車照片。

圖6 主干路隧道工程通車運營

6 結語

本文依托南京地鐵4號線草門路站車站基坑項目，針對其與主干路隧道合建、周邊條件復雜、開挖深度大、地質條件差、施工組織難、基坑等級高等特點，合理比選提出工程基坑采用1 200 mm厚地下連續(xù)墻的圍護結構形式，明挖順筑法施工，標準段豎向設置7道支撐。較好地解決了與主干路隧道合建地鐵車站深基坑的設計難點。工程實踐表明，設計方案合理可靠，可以為類似工程提供參考。

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U231.4

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1009-7716（2017）06-0277-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.082

2017-04-11

劉幾凡（1981-），男，黑龍江大慶人，工程師，主要從事地鐵設計工作。