李为洁 熊 旺

(上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200000)

地铁车站超大基坑设计与工程实践

李为洁 熊 旺

(上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200000)

对地铁车站设计中受到规划的影响，与市政变电站合建成超大基坑设计进行了分析，从地质情况、周围环境要求、工程功能、当地的常用施工工艺设计以及经济技术条件方面进行了论述，提出了超大基坑方案采用地下墙和桁架支撑支护体系方法，达到了在工程实施中经济合理性，保证了超大基坑安全实施；解决了桁架支撑体系的方案设计和分析理论计算与实际监测数据对比的问题。

地铁车站，超大基坑，桁架支撑体系，等效刚度

0 引言

随着城市轨道交通的建设，地铁基坑大量涌现，明挖顺作法实施的地铁车站基坑中，根据地质情况、周围环境要求、工程功能、当地的常用施工工艺设计以及经济技术条件综合考虑选择支护结构的类型，标准车站基坑沿长边设置采用围护结构+对撑支护形式。但地铁建设中受制于规划影响，本工程实例结合规划范围内地下变电站合建成超大基坑，论述了桁架支撑体系支护方案设计在深基坑工程中的应用，分析超大基坑桁架支撑体系的受力特性及其计算理论，并与实际监测数据对比，为类似工程的设计提供参考。

1 工程概述

皇岗口岸站位于深圳市福田区皇岗口岸范围内，站位位于百合三路与同庆路路口。与皇岗口岸整体片区的变电站选址上存在冲突。经协调，达成合建的方案车站和地下变电站合建成一个超大基坑，地下3层框架结构，根据施工工期，基坑分为两期开挖施工，一期施工超大基坑108 m(长)×62 m(宽)×22.7 m(深)(基坑范围内包括车站及变电站)，二期施工车站标准段围护结构54 m(长)×21.8 m(宽)×22.7 m(深)。

2 工程地质

本场地原始地貌为海冲积平原，基坑范围内土层类型及物理力学设计参数建议值详见表1。设计水位为地面下1 m。

表1 岩土物理力学设计参数建议值

3 支护体系方案

根据本基坑的基本条件并结合施工条件，支撑体系方案如下所述。

3.1 支撑方案比选

1)锚索方案。

采用锚索代替内支撑，适用于几何尺寸较大的基坑。该方案优点是施工作业面大，工程造价低。其缺点是本站紧邻繁忙的道路，锚索基坑变形较大，考虑远期开发等多个关键因素，故不予采用。

2)桁架支撑方案。

采用围檩和对撑为骨架的混凝土桁架支撑体系，节点处设置临时钢立柱。该方案三个优点，其一，利用混凝土桁架支撑受压的特点，平衡基坑各方向传递的土压力，使支撑体系受力合理；其二，围檩支撑刚度大，可有效控制基坑变形及安全；其三，混凝土支撑上方可设置施工栈桥板，便于施工作业，提高施工效率。

综合考虑工程周边环境、基坑面积及形状、基坑开挖深度以及工期等因素，结合深圳地铁基坑支护结构形式，本基坑采用“地下连续墙+桁架式内支撑”的支护形式。

3.2 桁架支撑刚度的计算方法

标准车站，支撑体系一般沿着长边设置短边方向上的水平对撑，支撑刚度如式(1)所示：

(1)

其中，λ为支撑不动点调整系数，取0.5；αR为支撑松弛系数，取1.0；ba为结构计算宽度；E为支撑材料的弹性模量；A为支撑的截面面积；S为水平对撑间距；l0为受压支撑构件的长度。

但桁架支撑体系，通常所采取有限元数值计算的方法，采用围檩支撑体系组成的平面桁架体系，在围檩外侧施加P=100 kN的单位力，根据平面桁架的变形δ的倒数求解围檩支撑体系的刚度，计算如式(2)所示：

(2)

根据围护结构理正深基坑计算，三道围檩支撑体系受力情况，如表2所示。

表2 围檩支撑均布力表 kN/m

所受均布力施加围檩支撑体系上，计算结果如图1,图2所示，根据支撑轴力值确定支撑截面。

3.3 平面桁架支撑设计参数

经核算，围檩支撑截面如表3所示。根据基坑面积和平面尺寸，以及施工栈桥板需求进行桁架支撑设计。本基坑采用两个方向相互正交的对撑布置形式，角部采用斜撑布置，对撑、斜撑与围檩之间采用连杆相连，连接点处设临时钢格构柱。该支撑体系具有支撑刚度大、受力清楚的特点，控制基坑变形。支撑布置见图3。

表3 围檩支撑截面

mm

4 桁架支撑体系内杆件的受力分析

基坑开挖工程中采用动态信息化施工，对围护结构位移、支撑轴力及周边环境情况均进行了监测，围护结构位移和支撑轴力监测点如图3所示。

4.1 围护结构位移

根据施工工况：工况1：地下墙施工完成；工况2：开挖第一层土；工况3：第一道支撑施工完成；工况4：开挖第二层土；工况5：第二道支撑施工完成；工况6：开挖第三层土；工况7：第三道支撑施工完成；工况8：基坑开挖到底；工况9：施工底板完成；工况10：拆除第三道支撑；工况11：施工中板完成；工况12：拆除第二道支撑；工况13：施工顶板完成。选取工况2～工况10，其中测点QX1,QX3,QX6,QX15为基坑四个方向围护墙监测点，围护墙位移监测如图4所示，围护墙最大位移为25.1 mm，基坑在可控变形范围内。

4.2 支撑轴力受力分析

基坑地下墙刚度和支撑体系的刚度相当，选取第二、三道桁架支撑体系中若干根杆件进行对比分析。

如图5所示，编号为ZL11根杆件轴力被低估，实测值比计算值偏大的范围为23%。分析原因为施工过程中，栈桥板范围有重型设备及大量堆土，造成所在区域监测数据偏大。

如图5,图6所示，第二、三道支撑监测数据分析:1)施工完第二道支撑，并没有挖到第三道支撑底500 mm，及时架设第三道支撑，造成第二道支撑一直承受侧向土压力；底板及时回筑，同时降低了第三道支撑轴力实测值；2)第三道支撑位置，地质情况为砂层，侧向土压力系数较小，降低了第三道支撑轴力实测值。

综上分析：1)监测数据从上往下，第一道支撑轴力计算值与实测值近似，第二道、第三道轴力计算值比实测值偏差较大，支撑道数越大计算值与实测值相差越来越大。分析主要原因是计算理论地层侧压力系数取值偏大，实际地层侧压力系数较小，地质显示越往下地层性质越好，侧压力系数越小。2)每道支撑计算轴力和监测轴力比率基本一致，但越靠近上部支撑，受地面超载影响以及坑外水位变化的影响、个别基坑边缘点轴力有突变。3)轴力实测值受周边环境的影响，也会造成实测值有偏差。

监测结果表明，超大基坑施工过程中，基坑围护结构体系安全可控，说明所采用的围护方案的设计和施工是成功的。

5 结语

1)受规划影响，地铁车站与市政变电站合建成超大基坑，采用桁架支撑的支护体系结构受力合理，桁架支撑体系适用于平面尺寸长宽尺寸接近、四周地层相近、抗力接近的基坑。

2)在桁架支撑中，会出现零杆的情况，零杆保证基坑的稳定与安全，有必要设置。

3)支撑轴力的计算值与实测值相比，部分数据近似接近，但是实际施工过程中地层时空效应，受周围环境及施工过程影响，导致计算值与实测值有偏差。但是数据可以为将来超大基坑提供参考的依据。

4)基坑设计和施工过程说明，桁架支撑设计是合理的，保证了支护结构整体稳定和安全。

[1] 唐 虎，胡海清，徐向辉，等．环梁—桁架支撑体系在大型基坑工程中的应用[J].铁道工程学报,2007(12):44-48.

[2] 黄炳德．双圆环支撑体系在超大面积深基坑工程中的设计与工程实践[J].建筑科学,2012,28(sup):329-333.

[3] 陈 焘，张茜珍，周顺华，等．异形基坑支撑体系刚度及受力分析[J].地下空间与工程学报,2011,7(sup):1384-1389.

[4] 刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工程出版社，2009:571-577.

Metro station giant foundation pit design and manuals of engineering

Li Weijie Xiong Wang

(ShanghaiTunnelEngineeringandRailTransitDesignandResearchInstitute,Shanghai200000,China)

The design of metro station is affected by planning, and the design of large foundation pit is analyzed with the municipal substation. The paper discusses the geological condition, the surrounding environment, the engineering function, the local common construction process design, in addition the economic and technical conditions. The method of the diaphragm wall and truss supporting system is proposed. It has achieved the economic rationality in the implementation of the project and ensured the safe implementation of the large foundation pit. The design and analysis of the truss support system solved the comparison between the theoretical calculation and the actual monitoring data.

metro station, giant foundation pit, truss support system, equivalent stiffness

1009-6825(2017)20-0070-03

2017-05-06

李为洁(1982- )，女，工程师

TU463

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