黄土地区复杂异形地铁深基坑支护设计分析

工程实践
黄土地区复杂异形地铁深基坑
支护设计分析
铁富忠
（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）
作者简介：铁富忠（1986—），男，工程师
摘 要：黄土地区复杂异形地铁深基坑支护设计在国内极少出现，随着建设项目日益增多，后续地铁项目不可避免穿越城市中心地域，地铁车站边界条件更为复杂。

以西安地铁 6 号线二期工程钟楼站车站施工为背景，对黄土地区复杂异形地铁深基坑支护设计方案、围护结构选型等进行设计分析，以期为后续项目提供工程经验借鉴。

关键词：地铁；黄土地区；深基坑；围护结构中图分类号：TU753
1 工程概况
西安地铁 6 号线二期工程钟楼站为该工程中点站，与既有 2 号线换乘。

既有 2 号线车站位于北大街道路下方，为西安城市中心南北线主干线，6 号线为东西向主干线，两线交汇的钟楼处属于西安城市核心区域，同时也是西安地铁线网东西—南北客流最重要的换乘交汇点之一。

本车站周边环境极为复杂，基坑距离周边建筑物均较近，且文物较多，其中钟楼、钟楼邮局、新华书店均为文物建筑。

钟楼站主体结构侧墙距离新华书店文物最小
净距约为 4.7 m ，管线众多（图 1）。

车站所处地貌单元为黄土梁洼地貌区，浅部主要地层为第四纪全新统人工填土和上更新统风积、残积层和洪积层，其地下水位埋藏较浅，详细勘察期间（2016 年4 月—2016 年 5 月）测得稳定地下水水位埋深为 8～10 m ，高程为 397.2～398.5 m ，平均高程为 397.65 m 。

2 车站施工方法及降水方案选择
2.1 施工方法选择
地下车站的施工方法对结构型式的确定和土建工程的造价均有很大影响，选择时主要依据场区工程地质和水文地质条件、环境条件、车站埋置深度及各种具体施
图 1 钟楼站总平面图
2 号线钟楼站
换乘通道
6号线钟楼站
Ⅳ 号出入口
Ⅲ 号出入口
ⅡB 号出入口
ⅡA 号出入口
Ⅰ 号出入口
钟楼
工方法的适用条件等诸多因素来确定。

施工方案的选择不仅要满足地铁工程本身的使用功能，同时也要满足合理开发利用地上、地下有效空间的要求，并考虑尽量减少施工给周围环境带来的影响。

目前，国内地下车站工程常用的施工方法有明挖法、盖挖法和暗挖法，几种方法各有优缺点。

车站选用的施工方法从施工难度、工程质量、工程造价等方面综合考虑，依次是明挖法、半盖挖法、盖挖法、暗挖法。

明挖法施工方便、速度快，但是占地面积大，给交通导行带来了极大困难。

车站所处东大街现有道路宽度仅为 38 m，车站基坑占用东大街全部机动车道，故全明挖法无法实施。

车站如果采用暗挖法，因周边环境较为复杂，无法进行敞开式降水，仅能采用注浆止水措施，且由于暗挖断面跨度大、覆土浅、周边建筑多而密，施工的难度非常大，安全性极低。

而半盖挖法（明挖法 + 临时铺盖或永久铺盖）克服了逆作法和全盖挖法施工进度慢、质量较难控制的缺点，成本较盖挖法低，故本车站推荐采用半盖挖法进行施工。

2.2降水方案选择
地铁明挖车站降水方案总体上可分为坑内降水和坑外降水。

坑内降水是将降水点布置在基坑范围以内，降水效率最高，且设置止水帷幕不会影响坑外水位的变化，有利于环境保护，适用于有相邻建筑物或市政管线对沉降要求较高的情况。

坑外降水是在基坑外侧设置1 道或几道降水井，利用降水漏斗原理，将水位降低到基坑开挖面以下 1～2 m。

此方法比较经济，且对施工的干扰小，西安地区大部分地铁车站均采用这种方法，但此方案一般适用于对环境保护要求不高的基坑工程或降水引起沉降不大的区域。

钟楼站工程实施影响范围内的控制性建筑物距离车站均较近，且周边文物较多，环境极为复杂，因此对基坑降水有严格要求。

综合上述 2 种降水方案，并结合钟楼站周边环境、管线、工程地质条件可知，为减小深基坑施工对基坑周边环境的影响，本车站推荐采用坑内降水方案。

3 基坑围护结构选型
3.1围护结构选型
钟楼站较为异形，宽度约为 26.8～40.2 m，标准段基坑平均开挖深度约为 26.8 m，轨底风道段最大深度约为 30 m。

根据 JGJ120-2012《建筑基坑支护技术规程》的有关规定，本站基坑安全等级属于一级，一级基坑支护结构一般采用地下连续墙、人工挖孔桩、钻孔灌注桩（旋挖成孔-旋挖桩）等。

根据站址周围环境、工程地质、水文地质等条件，本站基坑围护结构可采用地下连续墙、钻孔灌注桩法+止水帷幕 2 种方式。

泥浆护壁钻孔灌注桩施工工艺较为成熟，适用于各种地层的深基坑施工，整体刚度较大。

结合本车站周边环境条件及降水方案，需在桩间施加止水措施，例如采用旋喷桩或搅拌桩进行止水。

因本站深度较大，旋喷桩止水效果较难保证，而三轴搅拌桩占用场地较大，本车站围护结构距离周边房屋最小净距仅约 3.7 m，在狭小场地条件下较难施工。

地下连续墙适用于各种地层的深基坑施工，机械化程度高，整体性及抗渗性优良，工程质量和可靠性有保证，止水效果较好，故围护结构推荐采用连续墙施工。

3.2铺盖形式选择
本车站采用半盖挖法进行施工，半盖挖施工常用主要形式有：钢格构立柱桩+半幅临时便桥形式，或将永久结构顶板和承重柱作为桥系结构。

本车站桥系结构需要按照荷载情况、模拟开挖、回筑和使用阶段不同的受力状况，经最不利的工况设计计算：如铺盖系统采用顶板作为永久铺盖，因车站覆土较厚，需加大临时立柱桩的长度，导致投资较大；另外，顶板作为永久铺盖时，工序衔接较为繁琐，防水较难处理。

结合西安地区的经验分析，本车站推荐采用临时铺盖系统。

4 基坑围护结构设计
4.1围护结构方案
综合本车站周边环境、工程地质条件、水文地质条件及深度等因素，车站主体围护结构拟采用 1 000 mm 厚连续墙，地下连续墙兼作截水墙，一般地段（基坑深度约为 26.8 m）嵌固深度为 15 m，轨底风道段（局部基坑深度约为 30 m，采用放坡开挖）嵌固深度为 18 m，基坑竖向设 4 道支撑。

其中，异形段均为混凝土支撑，第 1、第 2、第 3、第 4 道混凝土支撑尺寸分别为 700 m m×1 000 mm、700 mm×1 000 mm、800 mm×1 100 mm、800 mm×1 100 mm；标准段第 1、第 3 道采用混凝土支撑，尺寸同异形段，第 2、第 4 道采用φ609 mm 壁厚 16 mm 钢支撑。

基坑支护平剖面布置示意图如图 2、
图 2 钟楼站基坑支护平面布置示意图
b 第 2、第 4 道支撑
线路中心线
混凝土支撑
线路中心
线
钢支撑
槽钢横梁
槽钢横梁
1
2
2
1
a 第 1、第 3 道支撑
线路中心线
格构柱
线路中心
线
格构柱及连系梁
混凝土支撑连系梁
1
2
连系梁
2
1
图 3 钟楼站标准段及异形段围护结构剖面图（单位：mm ）
六四加强军用梁铺盖系统+路面层
第 1 道混凝土支撑
第 2 道混凝土支撑
第 3 道混凝土支撑
第 4 道混凝土支撑
临时型钢立柱
地下连续墙
兼截水功能
L = 1 500
L = 2 600
5 600
200
6 000
6 300
5 6001 700
26 800
1 400L = 1 000
b 2-2 异形段剖面
第 1 道混凝土支撑
第 2 道钢支撑
第 3 道混凝土支撑
第 4 道钢支撑
六四加强军用梁铺盖系统+路面层
临时型钢立柱
格构柱之间采用剪刀撑槽钢横梁连接
地下连续墙
兼截水功能
φ1 400 临时立柱桩
L = 1 500
L = 2 600
5 600200
6 000
6 300
5 600
3 100
26 800
1 000
a 1-1 标准段剖面
图 3 所示。

4.2 围护结构设计
4.2.1 围护结构内力及位移计算
围护结构计算选取基坑中段最不利钻孔 D6XZ7-102 进行计算分析，土体力学参数取自西
安市地铁 6 号线二期工程劳动南路站（不含）—纺织城站 D6KC-7 标段《钟楼站岩土工程详细勘察报告》，各土层的力学参数如表 1 所示。

计算分析采用理正深基坑7.0 计算软件。

因标准段土层较好，本篇文章仅仅选取基坑异形
段围护结构进行计算。

限于篇幅，文章仅对围护结构连
续墙进行受力分析，其余支撑等受力计算未展开描述，
连续墙内力及位移计算结果见图 4。

由图 4 可知，围护结构水平位移随基坑深度的变化近似成“抛物线”曲线，先增加而后减小，最大水平位
移出现在连续墙深度 20 m 处，为 16.1 mm ＜30 mm ；地下连续墙最大弯矩出现在连续墙深度 21 m 处，其值为1 400.33 kN · m ；地下连续墙最大剪力出现在连续墙深度约 14 m 处，其值为 948.98 kN 。

4.2.2 围护结构配筋计算
围护结构配筋计算时，在最大弯矩计算值1 400.33 k N · m 的基础上考虑支护结构的重要性系数 γ0 = 1.1 及分项系数 γs = 1.25，得到最大弯矩设计值为 1 925 kN · m 。

根据最大弯矩设计值 1 925 kN · m 进行
配筋计算，配筋结果为采用φ28 mm@150 mm 主筋通长筋及局部附加筋，可满足抗弯设计要求。

同理，在最大剪力计算值 948.98 kN 的基础上考虑支护结构的重要性系数 γ0 = 1.1 及分项系数 γs = 1.25，得到最大剪力设计值为 1 304.8 kN 。

根据最大剪力设计值进行配筋计算，配筋结果为采用φ14 mm@450 mm ×400 mm 箍筋，可满足抗剪设计要求。

4.2.3 基坑稳定性计算
表 2 给出了各项稳定性计算结果。

由表 2 可知，基坑开挖期间地下连续墙整体稳定性、抗倾覆、抗隆起等均满足规范要求。

Design and analysis of complex and irregular
metro deep foundation pit support in loess area
Tie Fuzhong
Abstract: Design of deep foundation pit supporting for complex and abnormity metro tunnel in the loess area is rarely seen in China. With the increasing construction projects, the later metro projects inevitably under cross the city center areas, and the boundary conditions of the metro stations are even more complex. Based on the construction of the Bell Tower station of Xi'an metro line 6 Phase II, this paper makes an analysis of the design scheme of the deep foundation pit supporting in the complicated and abnormity metro structures in loess area and design of the envelop structure and type selection in order to provide engineering experience for the follow-up projects.
Keywords: metro, loess area, deep foundation pit, envelop structure
5 结论
本文以西安地铁 6 号线二期工程钟楼站为背景，根据车站周边环境、工程地质条件、水文地质条件，合理选择了车站施工方案、降水方案、围护结构、铺盖系统等围护结构体系，并采用理正深基坑 7.0 计算软件对基坑地质条件最差处的局部围护结构连续墙进行了结果计算和配筋计算。

结果表明，基坑开挖期间地下连续墙抗剪、抗弯、整体稳定性、抗倾覆、抗隆起等均满足规范要求。

参考文献
[1] 陈秋南，周国华，张帆，等. 湿陷性黄土地区地铁
深基坑支护设计[J]. 湖南科技大学学报（自然科学
表 1 各土层物理、力学参数表
地层名称重度/ kN · m -3
地基系数/ MPa · m -1
黏聚力/ kPa 摩擦角/ °与锚固体摩擦阻力/ kPa 厚度/ m 〈1-1〉杂填土181051030.0 1.4〈1-2〉素填土1820101220.016.1〈4-1-2〉老黄土1950292353.03〈4-3〉粉质黏土19.155302355.018.9〈4-6〉中砂206503265.0 1.6〈4-3〉粉质黏土
19.1
55
30
23
55.0
25
表 2 连续墙稳定性计算结果
基坑稳定性计算安全系数
规范要求整体稳定 1.581 1.3抗倾覆 4.054 1.25抗隆起
2.68
2.2
版），2009（3）.
[2] 林卫东. 西安地铁风栖原
车站深基坑施工降水技术研究[J]. 铁道工程学报，2013（1）.
[3] 程国华. 地铁换乘车站半
盖挖法设计[J ]. 山西建筑，2012（5）.
[4] 闫顺. 软土地区地铁车站
半盖挖深基坑施工[J]. 铁道建筑，2011（8）.[5] 张茜珍，刘昕. 半盖挖法
在地铁车站基坑中的应用及效果分析[J]. 水利与建筑工程学报，2015（4）.[6] 李超志. 西安地铁基坑开
挖中地下水的处理技术探讨[J]. 山西建筑，2008（12）.
收稿日期 2017-12-18
责任编辑 朱开明
图 4
各工况下连续墙内力、变形包络图
支反力 / kN
位移 / mm
-18 -9 0 9 181.701020304041.90
桩深 / m
弯矩 / kN · m
-1 500 -750 0 750 1 5001.701020
304041.90桩深 / m
剪力 / kN
-1 000 -500 0 500 1 0001.70
10
20
30
4041.90
桩深 / m。