下穿高铁站场的地铁区间基坑支护设计

王辉

济宁市交通运输局 山东济宁 272100

摘 要：随着城市轨道交通的发展，越来越多的城市开始进行城市轨道交通建设。在城市轨道交通建设中由于工程环境以及线路接驳问题，轨道交通地下区间需进行基坑的设计与施工，而基坑的支护设计是基坑开挖的关键。本文以实际下穿高铁站场基坑工程为例，对基坑支护设计进行探讨和分析，根据基坑的实际施工环境以及工程要求进行合理的基坑支护设计，保证基坑安全的同时达到降低造价，提高施工效率的目的。

关键词：轨道交通 基坑工程 支护设计

引言

在城市轨道交通建设中，由于线路设计和周边环境限制不可避免要进行地下区间明挖设计与施工。

明挖地下区间设计施工中，基坑的开挖和支护是重中之重，在基坑设计施工中，不仅要考虑到支护结构的自身稳定性，同时还要掌握在基坑开挖过程中支护结构与土层相互作用^[1-2]，因此如何进行合理的基坑支护设计是明挖地下区间设计的重点。

在基坑的支护设计的研究中,目前已有较多相关研究，王长科等人^[3]结合石家庄地铁二号线南位站深基坑工程，对支护设计进行系统介绍，并提出了合理的施工方案；王英明^[4]则针对复杂条件下深基坑的支护进行设计优化，降低了基坑支护成本，节约了基坑整体工程造价；魏发达^[5]针对明挖公路隧道基坑利用数值模拟手段对各类因素影响基坑支护的规律进行分析，以此为基础结合工程实际需要，对基坑开挖支护工艺进行了改进，达到了缩短工期的目的。

张军新^[6]等人对成都地区常用基坑支护手段进行了总结，在分析场地条件和周边环境基础上，选用合适的基坑支护设计；

蔡振杰^[7]结合实际工程，对临近道路施工深基坑施工技术难点进行分析，以此为基础制定了有效的支护方案；

从现有研究来看，在基坑开挖支护方面的研究已有颇多，研究成果也较为丰富，但是针对在规划高铁站场和站房位置进行基坑的开挖和支护研究尚且不多，以此为基础本文依托实际地铁区间下穿规划在建高铁工程结合现场实际施工监测对下穿高铁站场的基坑支护设计以及施工工艺进行研究分析，解决复杂条件下基坑支护问题的同时为今后类似工程修建提供参考和借鉴。

1工程简介

1.1工程概况

某地铁区间隧道正穿在建高铁站场后下穿站房，本次设计范围为下穿高铁站场段，其北侧边界为国铁用地范围线外扩30m，南侧边界为匝道外扩18m(受线路人字坡控制)，随国铁建设同步进行；区间设计长度约92m，基坑宽度23.46/30.20m，基坑深度约14.59/16.67m；区间上规划场平标高44.557～44.640m，现状场平标高42.80m左右，与高铁站房合建。

1.2工程地质概况

工程施工区域属于冲积平面，地形较为平坦，地层为第四系全新统冲积层(Q4al）及第四系上更新统冲积层(Q3al），地层分布以及水位情况如图1所示。

图1工程地质分布

基坑开挖范围内土层主要为素填土、粉质黏土以及细砂。其中素填土以碎石、黏土为主，主要分布在表层，层厚1.3~4.2m，细砂层主要为石英、长石颗粒，场地广泛分布，层厚0.6~3m平均1.35m。地下水主要为上层滞水、孔隙潜水和承压水，主要分布于第四系松散岩层中。主要含水层为砂层，且上部为渗透性较差的黏性土层，因此该含水层组具有弱承压性。主要接受大气降水补给，水量有限。主要靠大气降水和地表水入渗补给，以蒸发排泄为主，受季节及降水影响显著，水位变化大，富水性一般。勘察期间揭示地下水位埋深6～12m，根据区域水文地质资料，沿线地下水位年变幅约1～3m。

2 方案确定

根据工程的实际情况，以及上部高铁站场的实际施工需要，进行合理的基坑设计与施工方案选择。在基坑开挖和支护方面较为常用的有明挖法、盖挖法两种，基于以上方法的优缺点和适用条件，针对本工程应采用何种设计与施工方式进行以下分析和对比。

1）方案一

在本工程中采用全明挖法设计和施工。明挖法设计与施工具备工程造价低，工艺简单成熟并且整体工期较短等优点，同时工程建设场地周围主要为农田和苗圃，具备明挖法施工条件，基于此首先在本工程中进行明挖法支护设计，明挖支护整体采用内支撑+钻孔灌注桩设计。区间上方为高铁站场及站房，场地及基坑影响范围内无其他重要管线。由于基坑下穿站场段后期需进行高铁路基堆载，需加强基坑下方地层承载力，整体明挖围护结构断面如图2所示。

图2 全明挖基坑支护设计

如图2所示，明挖支护整体采用钻孔灌注桩+1道砼支撑+1道钢支撑，同时在基坑中部打设单排承载桩，并设置临时立柱撑于砼撑之上，立柱之间采用钢筋砼连系梁进行连接，立柱与连系梁均与混凝土支撑浇筑为一体，在围护桩间采用旋喷桩作为基坑止水帷幕。

整体施工顺序为先施工围护桩、承载桩、坑内降水，待水位降至开挖面下方1m后再施做冠梁、第一道混凝土支撑，之后继续开挖至各道支撑位置处施做支撑，继续开挖至坑底，施做基底垫层、底板、侧墙，待混凝土强度达到设计强度后，依次拆除各道支撑，完成主体结构的施做。

2）方案二

在建高铁穿越轨道交通后向北延伸为高铁桥梁段，为加快高铁施工进度，考虑在基坑施工期间同时进行高铁桥梁段施工，在区间下穿高铁站场段采用盖挖法施工，为高铁桥梁段施工提前预留出材料运输通道。在其余区段仍采用明挖法施工，此种设计形式区间开挖砼支撑布置平面如图所示。

图3 盖挖段基坑支护设计

如图3所示，盖挖段支护与明挖段不同之处在于支撑方面采用盖板作为第一道支撑，同时设置两道钢支撑盖挖段基坑支护，基坑中部打设三排承载桩并设置三排临时立柱，除此之外支护设计形式均与明挖段保持一致。

盖挖段整体施工顺序为先施工围护桩、立柱桩、坑内降水，待水位降至开挖面下方1m后再施做冠梁、盖板，之后继续开挖至各道支撑位置处施做支撑，继续开挖至坑底，施做基底垫层、底板、侧墙，待混凝土强度达到设计强度后，依次拆除各道支撑，完成主体结构。

3）方案比选

根据以上两种基坑支护设计方案，从经济性、施工难度、安全性以及其他因素等方面进行对比，以确定最佳的基坑围护设计方案。

（1）从成本控制角度来讲，采用明挖+局部盖挖的围护设计，承载桩和临时立柱增多且需单独施做盖板，会增加整体围护施工混凝土用量，大大增加整体基坑围护施工成本；

（2）在施工方面，方案二整体围护施工需划分两区段，在围护桩施工时需打设两种不同直径的围护桩，同时需要单独施做盖板，施工步序增加，施工难度提升；

（3）针对两种基坑支护设计方案分别进行基坑安全性分析，经过计算发现另种方案均能满足基坑支护安全要求，但是方案二相较于方案一而言，更具安全保障。

（4）采用方案一支护设计时，北侧高铁桥梁段施工材料运输需绕行，方案二支护设计可满足高铁桥梁段与基坑施工同步进行，施工材料运输可借助基坑盖板直接通行。

综合以上分析，优先考虑本工程施工简便性以及整体工程造价，最终选定采用全明挖法设计施工。

3 具体方案设计

1）围护结构

明挖支护设计中，基坑围护采用Φ800mm@1200mm的钻孔灌注桩，桩长为23.3m，围护桩插入基坑底部以下10m，灌注桩之上设置1000mm×1200mm的钢筋砼梁作为围护桩冠梁，连接围护桩共同受力。

在相邻围护桩之间设置Φ800mm@1200mm的旋喷桩作为基坑止水帷幕，旋喷桩与围护桩搭接长度为200mm。

2）支撑系统

明挖法设计中本工程竖向共设置2道支撑，从上至下分别为砼支撑、钢支撑，其中砼支撑设置于冠梁之间，截面尺寸为1000mm×1000mm，相邻砼支撑水平间距为7m。基坑中部打设Φ1000mm的钻孔灌注桩用做结构承载桩，同时在承载桩之上架设460mm×460mm型钢格构柱作为结构临时立柱，承载桩和立柱水平间距与砼支撑水平间距保持一致，砼支撑与下方临时立柱浇筑为一体，并浇筑600mm×600mm钢筋砼梁作为临时立柱连梁。

基坑钢支撑采用Φ800，t=20mm钢管，水平间距为3.5m，在基坑主体结构浇筑时采用换撑的形式进行支撑位置调换，将钢支撑由灌注桩位置调整至主体结构内侧。

4 基坑安全监测

1）基坑监测方案

本基坑工程开挖宽度大，且下穿同建高铁站场，在基坑施工过程中应当建立信息化动态监测系统。在施工过程中针对围护桩水平位移、竖向位移、支撑内力、地面沉降等项目进行监测，基坑监测的范围为基坑两倍深度之内，当监测项目变化达到报警值时，需及时采取应急处理措施。

2）基坑监测数据

根据在实际施工中的基坑监测选取施工期间部分节点对基坑监测的各项指标进行统计分析。

（1）桩身水平位移

图4 桩身水平位移

选取单根典型围护桩对桩身随深度变化水平位移变化进行分析，可以看出在不同时期桩身位移规律整体保持一致，在深度15m位置处，桩身水平位移最大。桩身最大水平位移约为7.8mm左右，在设计安全范围之内。相比设计中的位移计算最大位移出现位置有所差别，但相差不大，考虑为计算标高与实际标高有所差别。

（2）桩顶水平位移

分别选取基坑周边东西南北四个方向上的围护桩进行桩顶水平位移分析。

图5 桩顶水平位移

由图5可以看出在监测日期内基坑西侧和基坑南侧均只有单向水平位移，西侧桩顶水平位移均向基坑外侧发展，最大位移为6.7mm，南侧桩顶水平位移均向基坑外侧发展，最大位移为5.2mm，两个方向向基坑内侧位移变化规律基本一致。基坑东侧和基坑北侧则有水平内外变化，并且变化规律基本相反。

桩顶水平位移在7月20日至7月25日测试期内变化较大，主要是因为在此测试期内，基坑开挖至基底部，结构底板尚未施做，虽然此阶段桩顶水平位移变化较大，但总体位移变化在基坑安全允许范围内。

5.总结

本文以某轨道交通基坑为例，对下穿高铁站场的轨道交通基坑支护设计通过方案比选分析，确定了在本基坑工程中全明挖基坑支护设计与局部盖挖支护设计的区别，介绍了两种方法的设计流程以及在本工程中的适应性，最后对本工程的设计思考以及总结如下：

（1）本基坑工程选取全明挖法支护设计，采用钻孔灌注桩+内支撑形式保证基坑安全，同时针对后期高铁站场运营在基坑底部加设承载桩以保证本地下区间工程施工和运营期结构安全。

（2）通过实际施工期监测对基坑围护设计安全性进行验证，监测发现桩身最大位移为7.8mm，桩顶最大水平位移6.7mm，均向基坑内侧发展，实际位移变化虽然与设计有所差别，但相差不大，并且在基坑安全允许范围内。

（3）本工程的成功设计与施工增添了国内在轨道交通地下区间下穿高铁站场领域的工程案例，同时可为后续类似工程的设计与施工提供借鉴和参考。

参考文献

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[3]王长科,杨金雷,武文娟,孙会哲,宋杨,孟思宇.石家庄市城市轨道交通2号线南位站明挖基坑内支撑支护设计实录[J].河北水利电力学院学报,2020,30(01):34-40.

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