武汉地铁车站深基坑支护结构选型研究

( 3) 堆积平原区: 分布于整 个汉口市区及武 昌、汉阳沿江一带, 主要为由长江、汉江冲洪积物 构成的 、!级阶地。 级阶地广泛分布于长江、 汉江两岸地区, 地面标高 19~ 21 m。地层由全新 统粘性土、砂性土及砂卵石层构成。该区域土层 结构除表层部分人工填土外, 上部为粘性土, 下部 为砂土 ( 含砾、卵石 ), 呈典型的二元结构, 下伏基 岩为志留系中统坟头组泥岩。岩性以粉土、粉质 粘土、粉砂互层、粉细砂、细砂为主。
( 1. 西安科技大学 土木工程学院, 陕西 西安 710054; 2. 武汉光谷建设投资有限公司, 湖北 武汉 430074;
a. 土 木工程与力学学院; b. 控制结构湖北省重点实验室 , 湖北
武汉
43 007 4)
摘 要: 地铁工程包含地铁车站和区间隧道两大部分, 其中地铁 车站深基 坑支护结 构的选 型设计, 是确 保地铁 车站深基坑施工 安全的首要任务和重要环节。为了降低设计过 程中造成 的施工安 全风险, 地铁 车站深 基坑工 程的设计选型应 根据地质水文条件, 周边建筑物及地下管线等工程环 境以及支护类型的特点和要求综合 确定, 才能实现安全、经济、合理 的设计方案。本文根据武汉地区三种典 型地貌形 态, 结合武 汉地质水 文条件 分布特 点, 通过武汉地铁二号线一期几个典型的车站深基坑工 程支护结构 的分析, 讨论了 基坑加 固范围 与深度、地下 连续墙深度、降水方式等对车站深基坑施工的影响, 进一步阐明了地铁车站深基坑支护选型的方法及 施工中需 注意的问题。 关键词: 地铁车站; 深基 坑; 支护; 结构选型 中图分类号: U 231+ . 3 文献标识码: A 文章编号: 2095 0985( 2011) 01 0043 05
底的必要性分析 2. 2. 1 循礼门车站
循礼门车站主体结构采用钢筋混凝土箱型结 构, 围护结构采用地连墙加内支撑, 围护结构与主 体结构采用复合墙的连接方式。地下连续墙墙厚 800 mm, 平均深度 52 m, 入岩 1. 5 m。采用刚性 的 H 型钢接头。围护结构支撑设置 5道支撑, 其 中第一道采用钢筋混凝土支撑, 2~ 5道设置钢支 撑, 第四道采用双拼设置。钢支撑均采用直径 609 mm, 壁厚 16 mm 的钢管。为加强基坑 的稳 定, 在 5 个大的拐角处, 设 300厚 C30混 凝土角 撑, 层数同支撑, 上下与钢支撑错开。
第 28卷第 1期 2011年 3月
土木工程与管理学报 Journal o f C iv il Eng ineering and M anagem ent
V o.l 28 N o. 1 M ar. 2011
武汉地铁车站深基坑支护结构选型研究
吴翔天 1, 丁烈勇 2, 周 诚 3, 余群舟 3
3. 华中科技大学
地铁车站深基坑支护设计中首要的任务就是 结合地质水文条件, 周边建筑物及地下管线等工 程环境, 选择安全、经济、合理的支护型式 [ 5 ~ 9] , 然 后进行支护结构的力学计算分析, 根据计算分析 பைடு நூலகம்果进行支护结构的详细设计, 包括围护结构截 面、配筋、支撑或锚杆尺寸、入土深 度等的设 计。 同一个地铁车站深基坑, 若采用不同的支护型式, 安全性能和综合造价相差可能是巨大的。本文通 过武汉地铁二号线一期工程几个典型的车站深基 坑工程支护型式的分析, 阐明地铁车站深基坑支 护型式选型的具体方法, 供参考。
图 4 江汉路车站围护结构断面
图 5 循礼门车站施工
2. 2. 2 中山公园站 中山公园车站主体及附属均为明挖法施工,
车站主体基坑采用地下连续墙结合内支撑系统支 护, 地下连续墙墙宽 800 mm, 混凝土强度为 C30。
# 46#
土木 工 程 与 管 理 学 报
20 11 年
地下连续墙标准段深度为 26. 6~ 27. 4 m, 盾构井 段为 28. 3~ 29. 1 m, 连续墙采用 H 型钢接头。基 坑支撑采用 609 钢管, 由 上至下标准段 基础坑 设置 3道支撑, 盾构井段为 4道, 其中第 3道支撑 需要换撑。第 1道支撑钢管壁厚为 12 mm, 其余 支撑壁厚均为 16 mm。基坑标准段平均开挖深度 为 16. 6 m, 盾构井段 17. 6 m, 其中局部加深废水 池挖深达到 19 m, 如图 6所示。
2 工程实例分析
2. 1 长江 级阶地区地铁车站深基坑支护 2. 1. 1 积玉桥车站
积玉桥车站位置处于长江 阶地向 !级阶地 过渡地带。主体结构基坑围护结构采用复合地下 连续墙结构, 墙厚 800 mm, 中间设防水层。冠梁 采用 C30 钢 筋砼, 截 面 尺寸 为 800 mm ∀ 1400 mm, 冠梁兼做压顶梁。标准段、两端头井支撑只 设置四道钢管支撑, 没有用钢筋混凝土支撑。车 站主体结构底板位于淤泥质土层, 厚约 1. 5 m, 基 底淤泥质土采用三轴和单轴搅拌桩进行裙边和抽 条加固, 如图 2、图 3所示。车站标准段框架柱距 一般为纵向 8. 0 m, 沿纵向设梁。该设计方案是 较合适的方案, 地连墙刚性大, 入土比较大, 因此 是较合理的方案。当然, 对本工程, 由于距离长江 最近距离 400 m, 为防止出现基坑坑底突涌所使用 的裙边和抽条加固, 一定程度上增加了工程造价。
我国的城市轨道交通尤其是地铁建设正处于 高速发展期。迄今为止, 全国已经拥有地铁的城 市是 10个, 共有 19个城市 57条地铁线路同时在 建。 2015年前后, 将建成 89条地铁线路、总里程 2495 km, 2010至 2015年地铁建设投资规划总额 将达 11, 568亿元。由于地铁工程建设风险高, 周 期长, 规模大, 地质水文环境复杂, 加上管理失误, 地铁工程施工安全事故呈明显上升趋势。地下工 程发生事故的原因是多方面的, 由于设计失误导 致的风险责任界定不清, 而这些风险往往到施工 时才反映出 来 [ 1~ 4] , 因 此, 加 强地铁设 计风 险管 理, 特别是地铁车站深基坑支护结构的选型设计, 是确保地铁车站深基坑施工安全的重要环节。
( 2) 排桩支护。钢 筋混凝土排桩刚度大, 抗 弯能力强, 变形较小, 有利于保护周边环境, 且价 格相对较低。钻孔灌注桩不能做到相割或相切, 因而不连续, 实际应用中一般要加围檩加强并做 防水帷幕防水。在武昌剥蚀堆积垅岗区的地铁车 站深基坑大部分使用这种支护方式, 如宝通禅寺 站、光谷站、名都花园站等。
由于该区域地下水含量丰富, 孔隙承压水为 赋存于第四系全新统冲积粉质粘土、粉土、粉砂互 层土及砂卵石层中承压水, 与长江、汉江具有水力 联系, 其上覆粘性土层及下伏基岩为相对隔水顶、 底板。为了防止地下水渗透进入基坑内, 可能造 成基坑围护结构变形破坏, 一般选用刚度大止水 效果好的地连墙做围护结构 , 为防止出现坑底涌 水涌砂, 在基坑开挖前应进行降水。
点, 基坑 围 护结 构 采 用 地 下连 续 墙 结 构, 墙 厚 1000 mm, 平均深度 57 m, 入岩 5. 5 m。标准段内 支撑设置五道钢筋混凝土支撑, 第六道支撑采用 钢管支撑, 中间设抗拔桩, 如图 4所示。该方案采 用地下连续墙加砼支撑, 刚度大, 减少对基坑外土 体扰动。基坑开挖前采用深井降水, 将地下水降 到开挖土体以下, 确保开挖中基底不出现涌水涌 砂。 2. 2 长江 级阶地区地铁车站深基坑连续墙落
针对武汉地区复杂的地质水文条件, 要合理 选择车站深基坑支护的型式, 一方面要结合各种 支护型式的特点, 另一方面要结合地质条件和周 边的环境和工程造价进行综合考虑。一般支护的 型式的适用范围和主要特点可简单概括为 [ 10~ 13] :
( 1) 放坡。放坡适 用场地开阔, 无变 形控制 要求, 造价低。在武汉市郊区的几个车站, 如金银 潭、杨春湖车站均使用放坡支护型式。
( 2) 剥蚀堆积垅岗区: 主要分布在武昌、汉阳 的平原湖区与残丘之间, 地形波状起伏, 垅岗与坳 沟相间分布, 高程为 28~ 35 m ( 相当于长江 级 阶地 )。组成垅岗的地层主要 为中、上更 新统粘 性土 (老粘土 )。地层地质大部分粘土、粉质粘土 夹碎石, 属老粘土, 遇水有可塑性、膨胀性的特征, 失水干裂遇水膨胀, 膨胀土中裂隙较发育, 裂面光 滑。裂隙中富水时可能导致基坑失稳。总体土质 较好, 围护结构一般选用排桩支护。
1 车站深基坑支护型式特点及选型
武汉地处江汉平原东部, 地势为东高西低, 南 高北低, 中间被长江、汉江呈 Y 字形切割成三块, 即武汉 三 镇。 武 汉 地 区的 长 江 最 高 洪 水 位 为 29. 73 m ( 吴淞高程系统 ) , 最低枯水位 8. 87 m, 水 位升降幅度 20. 86 m。长江水与其两岸承压水有 密切的水力联系, 互补关系明显。武汉地区地貌 形态主要有三种类型 [ 5] , 如图 1所示。
( 4) 支撑形式。支撑一般分为基坑内的支撑 和基坑外的拉锚两类。在城市繁华区域施工地铁 车站, 由于受到场地限制及周边环境的要求, 一般 采用基坑内支撑。内支撑常用的有钢支撑、钢筋 混凝土支撑。钢筋砼支撑刚度大, 能够做到先撑 后挖, 但拆除不方便, 造价高; 钢支撑刚度相对小 一些, 但拆除方便, 可预加轴力达到控制位移的目 的, 但一般施工中很难做到及时支撑。武汉地铁 车站深基坑开挖中, 结合地质及周边环境特点采 用不同组合形式的内支撑, 在长江 级阶地一般 用钢筋混凝土支撑与钢支撑相结合方式, 如循礼 门车站第一道采用钢筋砼支撑, 其他采用钢管支 撑; 在长江 级阶地一般采用钢支撑。
( 3) 地下连续墙。地下连续墙刚度大, 止水
效果好, 是支护结构中最强的支护型式, 适用于地 质条件差和复杂、基坑深度大、周边环境要求高的 深基坑支护, 但造价较高, 施工要求专用设备。若 能与地下结构结合使用, 即施工后成为地下结构 的一个组成部分则较为理想。在汉口长江 级阶 地的地铁车站深基坑基本使用这种支护方式。通 常连续墙的厚度为 600 mm、800 mm、1000 mm, 也 有厚达 1500 mm 的, 但较少用, 例如武汉地铁越 江隧道江南、江北风井基坑开挖深度分别为 38 m 和 46 m, 均采用 1500 mm 的地下连续墙。在武昌 长江 级地, 环境复杂要求基坑开挖变形小的条 件下, 部分车站围护结构也采用地连墙, 如武昌的 中南路车站, 本车站地连墙设计成为车站永久结 构的组成部分, 做到了节约投资。
图 1 武汉长江阶地分布
收稿日期: 2010 12 16 作者简介: 吴翔天 ( 1974 ) , 男, 河南温县人, 高级工程师, 博士研究生, 研究方向为岩土工程 ( Em ai:l wxt78026@ 126. com )
# 44#
土木 工 程 与 管 理 学 报
20 11 年
( 1) 剥蚀丘陵区: 主要分 布在武昌、汉阳地 区, 丘陵呈线状或残丘状分布, 如武昌的磨山、珞 珈山、汉阳的扁担山等, 丘顶高为 80~ 150 m, 组 成残丘的地层为志留系与泥盆系的砂页岩。
该设计方案在实际施工中由于地连墙深度大 于周边轻轨桩深, 引起轻轨下沉达 18 mm, 且设计 考虑是坑内降水, 因此地连墙落底入岩, 但由于连 续墙渗漏并未实现实际设计意 图, 如图 5 所示。 原因在于落底式连续墙条件下的坑内降水易造成 较大的水头差压力, 使得地连墙接缝等薄弱位置 的渗漏风险增加。
第 1期
吴翔天等: 武汉地铁车站深基坑支护结构选型研究
# 45#
图 2 积玉桥车站围护结构断面
图 3 积玉桥车站围护结构平面
2. 1. 2 江汉路车站 江汉路车站位置处于长江 阶地, 主体结构
为矩形加三角外挂钢筋混凝土框架结构, 车站主 体基坑深 24. 7 m, 设地下四层。三角外挂部分基 坑深 14. 5 m, 基 坑是 武 汉 著 名 的百 年 商 业 老 街 ∃ ∃ ∃ 江汉路步行街与中山大道和花楼街合围的 繁华商业地段, 人流密集。设计方案充分考虑到 周边环境复杂, 且承压水位高、开挖深度深的特