摘 要: 结合哈尔滨市地铁 1 号线龙江街站深基坑工程的特点，详细介绍了在冻土和既有人防隧道段中实施深基坑的设计思路和实践经验，并分析了冻胀力对围护桩的影响。对在冻土地区进行基坑围护设计和施工，以及对基坑内既有构筑物处理方面的设计实践进行了总结。

关键词: 地铁车站; 深基坑; 冻土; 围护桩; 人工挖孔桩; 既有隧道处理

 

      哈尔滨市地铁 1 号线龙江街站为与 5 号线换乘的地下车站，位于东大直街和鞍山街路口。其中 1号线车站为地下三层结构，沿东大直街下呈东北—西南走向设置; 5 号线车站为地下二层结构，与本站垂直相交，沿鞍山街下设置。本次工程实施范围为1 号线车站及换乘段，车站顶板覆土约 2． 84 m，基坑宽22． 8 ～29． 2 m，长 133． 4 m，深约 21． 8 m。

 

      东大直街交通繁忙，周边地面建筑和地下构筑物众多，地下管线错综复杂。其中位于车站西侧的城市管理行政执法局 4 层房屋、天主教堂及中国银行南岗支行 8 层房屋距离主体基坑分别为 9． 9 m、13． 6 m 和 15 m; 东侧的基督教会 2 ～ 3 层房屋和中华东正教堂房屋距离基坑分别为 22． 4 m 和 16． 9m; 南侧为哈 69 中学操场。车站周边地下构筑物有: 沿东大直街路下既有的“7381”地下人防隧道工程纵向贯穿车站; 车站两端还有在建的地下一层商业街，将来与车站附属出入口相接( 见图 1) 。沿东大直街和鞍山街还有大量地下管线，主要有: Ф400污水管、Ф400 和Ф200 给水管，以及电力、信息、军用等管线。

      哈尔滨地处松花江中游，属中温带大陆季风气候，冬季漫长寒冷干燥，夏季短暂温热多雨，全年平均气温3． 5 ℃，1 月最冷，7、8 月最热，历史最高气温41 ℃ ，最低气温 － 41． 4 ℃ ，全年无霜期 150 d 左右，结冰期 190 d 左右。季节性冻土发育，每年 10 月末开始结冻，至翌年 3 月中旬开始融化，6 月初化透，最大冻结深度 2． 0 m。

      车站场区地形较平坦，场地地貌单元属于岗阜状平原，上部为黏性土夹砂类土透镜体，下部为砂类土夹黏性土透镜体。主要土层分布及部分物理力学性质参数见表 1。

      场区含水层由下荒上组⑤层粉砂和⑥、⑧层中砂构成，含水层顶板埋深 20． 30 ～23． 2m。场地内稳定水位埋深为自然地面下 20． 00 ～22． 00 m，水位和水量随季节变化，地下水的自然水位的年变化幅度在 2． 0 m 左右。

      哈尔滨地区为季节性冻土，场区 2 m 深度内为①₁杂填土、④₁粉质黏土，冻结期间地下水位距冻结面的最小距离 ＞2 m，冻胀性分类为弱冻胀土，平均冻胀率 1 ＜ η≤ 3． 5，冻胀等级为Ⅱ级。

 

      车站周边不仅地面建筑物多，而且都是浅基础多层房屋; 同时地下构筑物复杂，地下管线的保护，既有人防隧道的处理和保护也有一定的困难。

      根据工程所处环境条件，为减小对地面交通的影响，本站基坑原拟采用盖挖法施工。后从工程总体筹划考虑，经与交管部门协商，地面交通可通过周边路网疏导，因此基坑改为明挖顺作法施工。根据施工工法、环境和地质条件，车站基坑采用了钻孔灌注桩结合内支撑的支护体系; 基坑的变形控制等级按照一级考虑，要求地面沉降≤0． 1% H，围护结构侧移≤0． 14% H( H 为基坑开挖深度) 。

      龙江街站主体基坑深约 21． 6 m，坑底土层主要为④₂层粉质黏土、⑤层粉砂、⑥层中砂，场地内地下水水位基本位于坑底附近。标准段围护结构采用Φ800 mm 钻孔灌注桩，沿基坑深度共设置 4 道钢管支撑( 见图 2)。

      以标准段为例，基坑西侧有多层浅基础房屋，开挖时计算考虑该部分附加超载的作用。同时，根据哈尔滨地区基坑工程经验，围护结构侧移相对一般饱和软土地区都要小得多，坑外土体介于极限主动土压力和静止土压力之间的状态，计算中土压力值考虑适当增加。

      围护桩作为施工阶段基坑的围护结构，根据各工况土体开挖、支撑架设和拆除的实际状况按竖向弹性地基梁法计算，并计入围护结构的先期位移值以及支撑的变形，按“先变形、后支撑”的原则采用增量法进行结构分析，计算结果见图 3。

      根据计算结果，临近中国银行南岗支行侧的围护桩最大侧向位移为 28． 4 mm，而东侧不考虑房屋附加超载处的围护侧移计算结果约为 27． 9 mm，都小于一级基坑侧移( 0． 14%H) 的控制要求。

 

      根据本工程进度安排，车站基坑施工处于冬季，围护设计应考虑严寒季节施工时土体侧向冻胀力的影响。哈尔滨地区属季节性冻土区，本地区最大冻结深度 2． 0 m，而场区地下水的自然水位埋深较深，基本在车站坑底附近，与冻结面相距大约有19 m。因此，冻胀力主要考虑土中含水量的影响。

      因基坑采用明挖法施工，土体冻胀力对基坑围护结构的影响，可参照挡土墙结构外侧土体侧向冻胀力计算模式，不仅要考虑地面下一定深度，还要考虑围护桩后开挖深度内的土层冻胀力的影响。根据《冻土地区建筑地基基础设计规范》( JGJ118)相关条文进行复核，荷载按照相应等级取值，但冻胀力不与土压力同时组合。其计算简图及桩身内力见图 4 ～ 图 6。

      由计算结果可知，尽管冻胀力引起的围护桩最大内力小于基坑开挖引起的围护桩内力，但是在较浅部位的影响却超过了土压力。不仅是弯矩和剪力更大，而且第一、二道支撑轴力分别达到 462 kN 和 1284kN，远大于开挖阶段土压力造成的支撑轴力，可见冻胀力对基坑支护体系带来非常不利的影响。

      为此，在龙江街站基坑冬季施工时，开挖区段的敞口位置都搭建了暖棚，以防止雨雪进入基坑，在棚内设置简易采暖设施，保持棚内温度基本不低于 0℃，以保证基坑内温度满足施工机械运作、土方开挖和混凝土浇注的要求。同时，也减小了冻胀力的影响，保障了支护体系的安全和工程的顺利进展。

      “7381”隧道是二十世纪七十年代为适应当时形势而修建的人防工程，以人力挖掘为主，简单的机械施工为辅，基本运用矿山法施工建造完成。隧道沿东大直街路下穿过龙江街站处，结构为单孔“马蹄形”断面，外包尺寸宽约 8． 7 m，高约 7． 9 m，顶覆土约14． 3 m，底埋深在车站基坑底附近( 见图 2)。

      该隧道纵向贯穿车站，车站两端以外的部分后期将扩挖改造作为轨道交通 1 号线的区间隧道，车站范围以内的部分不满足限界要求需废除。该项既有地下人防工程对车站的基坑实施主要带来两个问题: 第一，车站端部与人防隧道接口处围护桩如何施工; 第二，基坑开挖后，需废除隧道结构，应采用何种方式处理并防止基坑坍塌。这两点均涉及到基坑内既有构筑物的处理。为此，车站基坑实施过程中采取了以下措施:

      1) 在车站端部围护桩需穿透人防隧道的区域，围护采用人工挖孔桩结合钻孔灌注桩的成桩工艺。人防隧道顶板上部采用钢套筒护壁，内部采用人工开挖土体，同时下沉钢套筒，直至人防隧道顶板时，凿除“7381”隧道顶、底板，钢套筒继续下沉至隧道底板下，然后在地面采用钻机成孔，完成下部围护桩的施工( 见图 7、图 8) 。

      2) 拟在基坑开挖前，通过人防出入口进入隧道内，对车站基坑范围内的人防隧道进行加固( 如搭建脚手架和横撑转换等) ，或者直接从地面打孔进行隧道回填，然后在基坑开挖过程中随挖随凿。但是，这两种方法实施难度较高，工艺相对复杂，而且速度较慢。因此，在对原有隧道结构进行分析后，结合本基坑支撑布置，通过局部小范围试验后，对人防隧道的处理进行了调整: 基坑向下开挖至隧道顶部后，先不凿除隧道结构，继续开挖土层直至第 4道支撑底部，此时隧道外侧土体开挖面至人防隧道底板只有大约 2． 2 m，再开始从顶部向下凿除人防隧道( 此时人防隧道侧壁按照 2． 2 m 长的悬臂受弯构件复核，计算时假定围护桩后的土体被动抗力传递至人防隧道侧壁) ; 然后架设第 4 道支撑，继续开挖土体至坑底，凿除隧道侧壁和底板，然后浇注垫层和 车站底板，开始回筑工序施工( 见图9) 。本方法并未造成土体坍塌或者围护侧移明显增大的情况，有效保证了基坑和环境安全。

 

      1) 在冻土地区，基坑采用明挖法施工是可行的，但是冻胀力对支护体系的影响较大，需复核其强度。要根据当地工程的经验，在施工时采取措施，以确保基坑安全和工程实施，并达到加快工程进度的目的。

      2) 本工程基坑东北段于 2009 年 9 月初开始开挖施工，到 2010 年 4 月，部分底板已经浇注完成，根据已经稳定的监测数据，围护桩最大侧移约 25 mm，与设计计算较为吻合; 地面沉降除个别异常点外，其余都在 19 mm 以内; 地面建筑基础最大沉降约为7 mm; 地下管线沉降基本都在 6 mm 以内。表明该基坑的支护方案合理，达到了保护环境安全的目的。

      3) 对于基坑内既有地下构筑物的处理措施，可结合工程地质条件、既有结构型式和基坑支护型式，通过理论计算分析和现场小范围试验结合，积极探索更加符合工程特点的处理方案。