摘  要: 近年来，以地铁车站深基坑施工过程中产生不允许的土层变形位移和基坑围护结构失稳所引发的城市环境安全事故呈明显上升趋势，如何确保地铁车站深基坑工程的安全成为一个亟待解决的问题。地铁车站深基坑支护方案选型作为地铁深基坑研究的重点，是地铁车站深基坑设计与施工安全的重要保障，故选取适当的支护结构尤为重要。本文以武汉轨道交通二号线螃蟹甲车站为依托，对同一地铁车站不同支护结构选型下的结构及周边环境变形的监测数据进行对比分析，总结各支护形式对基坑变形的控制效果，并在此基础上，找出较为安全的车站支护选型类型，为类似工程提供有益参考。工程实例结果表明，明挖法( 排桩 + 混凝土撑 + 钢支撑) 这种支护形式相较其它支护形式更有利于基坑的稳定。

关键词: 地铁车站; 支护选型; 变形

 

      地铁快速建设引起的城市地下空间利用越来越多，随之带来的深基坑工程数量、难度及规模大幅增加。由于我国地铁交通发展时间较短，地铁车站深基坑建设经验不足，加上建设过程中由于地质条件、周边环境复杂多变、施工工艺复杂、工程庞大以及建设周期长等特点，决定了地铁车站深基坑的高风险性^［1，2］。近年来，我国地铁车站深基坑施工事故频发，造成严重的人员伤亡和财产损失。因此，如何确保地铁车站深基坑工程的安全成为一个亟待解决的问题。

      地铁车站深基坑支护方案选型作为地铁深基坑研究的重点，是地铁车站深基坑设计与施工安全的重要保障。鉴于此，本文以武汉地铁二号线螃蟹甲车站为例，从工程地质、水文条件等方面分析了影响该地铁车站深基坑支护选择的因素。在此基础上，从监控量测上来验证不同支护选型带来的变形效果，为后续地铁车站深基坑支护选型提供依据。

 

      螃蟹甲站位于武昌区友谊大道、公正路、中山路交汇地带。车站周边以新建、在建高层建筑物为主，西北角为武昌区政府八层办公楼，东北角为在建武昌地税局 19 层办公楼，东南角为新长江广场 26 层商住楼，有 2 层地下停车场。地理位置如图 1 所示。

      螃蟹甲站为地下双层车站，地下一层为站厅层; 地下二层为站台层。车站有效站台中心里程为 YCK16 + 518．0，外包长度为 189．9 m，标准段外包宽度为 18．7 m。车站总建筑面积为 11561．2m²，其中主体建筑面积为 9681 m²，附属建筑面积为 1880．2 m²，采用明挖法施工。

      螃蟹甲站地处长江右岸Ⅲ级阶地后缘，南距东南东向延伸的凤凰山 － 小龟山剥蚀残丘山间垭口约100 m，北距沙湖岸边约 500 m。场区经长期人工改造地形较平坦。根据地质调查和钻孔揭露，场区表层分布人工填土层( 包含杂填土、素填土、淤泥质土) ，其下依次为第四系全新统冲积层( 包含粉质粘土层) 、第四系上更新统冲积层( 粉质粘土层、砾质粘土层) 、下伏基岩主要为志留系统坟组( 泥岩、粉砂岩) 。车站基坑地质剖面图如图 2 所示。

      场区地下水按埋藏条件主要为上层滞水和基岩裂隙水两种类型。

      ( 1) 上层滞水主要赋存于人工填土层中，地下水位不连续，埋深 1． 8 ～ 4． 7 m，主要受大气降水补给，局部水位、水量受城市给排水管线影响明显。

      ( 2) 基岩裂隙水赋存于基岩裂隙中，水量不大，分布不均匀，局部微具承压性，上覆第四系粘性土层为相对隔水层。另外( 7-1) 、( 7-3a) 和( 7-3) 层中发育有裂隙，局部夹含砾粉土透镜体，含少量孔隙—裂隙水，水量不大。

      ( 3) 地下水侵蚀性: 场地上层滞水水化学类型为重碳酸钙型水，pH 值为 7． 52，为中性水，对混凝土结构不具腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋无论是在长期浸水情况下还是在干湿交替的条件下均不具腐蚀性，对钢结构具有弱腐蚀性。

 

      在螃蟹甲车站特定的工程条件下，该车站深基坑支护结构选型原则^{［3 ～5］}可分为四项。

      ( 1) 安全可靠

      地铁车站深基坑工程不仅综合性强，而且影响基坑安全的不确定性因素很多，风险性较大，稍有不慎就可能酿成巨大的安全事故。因此，确保基坑安全是基坑支护选型的首要目标。在选型中，应结合工程当地的施工经验与技术能力进行具体分析，充分研究和论证施工工艺、挖土、降水等各环节，选择成熟、可靠的支护方案^［6，7］。螃蟹甲车站所处位置地质条件较好，且承压水压力不大，故基坑选用排桩作为围护结构。而基坑最宽处达到 45 m，故该段需采用混凝土支撑。

      ( 2) 便于施工

      便于施工是地铁车站深基坑支护结构的重要选型原则之一。在采用先进技术及合理组织施工的条件下，不仅可以降低工程费用，还能节约工期，提高支护结构的安全性。因此，在地铁车站深基坑支护结构选型时，应结合当地的施工经验与技术能力，合理设计施工工艺、土方开挖、降水等各环节，并做好监控与测试。在条件允许下，还可以进行方案评价，从而选出最大限度满足便于施工和保障工期的支护方案。虽然混凝土支撑对于基坑的安全更有利，但螃蟹甲车站考虑到土方开挖的方便，基坑在安全允许的情况下也尽量采用钢支撑。

      ( 3) 环境保护

      地铁车站深基坑工程通常位于城市交通干线上，其场地周边一般都分布有各类建( 构) 筑物、地下管线、市政道路等环境保护对象，特别是临近历史保护建筑、共同管沟等敏感而重要的保护对象时，环境保护要求更为严格。当地铁车站基坑周边存在环境保护对象时，在充分了解保护对象的保护及控制要求基础上，使基坑的变形能满足环境保护对象的变形控制要求，必要时在基坑内、基坑外采取适当的加固措施，减小坑支护结构的变形，减弱车站深基坑施工对周边环境的影响。螃蟹甲车站考虑到基坑周边存在管线及建筑物，故在该区段设计采用混凝土撑、钢支撑混合支撑形式。

      ( 4) 因地制宜

       在不同的项目中，地铁车站深基坑施工面临的环境条件不尽相同，在深基坑支护选型中需要做到因地制宜，综合考虑水文地质条件、基坑开挖深度、场地大小、周围环境等因素，结合实际情况选择合理的支护方案^［4］。螃蟹甲车站横跨主干道，故为了减小基坑施工对交通的影响，该区段设计采用钢支撑 + 临时顶板的支护形式。

      综上所述，由于武汉地铁 2 号线螃蟹甲站位于交通繁忙的交通要到，有友谊大道、公正路、中山路等多条城市主干道交汇如此，地铁车站施工时要求不能中断交通，加上车站设有外挂设备区，基坑宽度不一样，最窄处20 m，最宽处达45 m，因此，在车站必须采用分区段施工的方式。根据现场的实际情况，充分考虑影响深基坑的支护形式的各种尺寸因素、地质因素、和周边环境因素，将基坑施工方法和支护形式也分成了三种。

      ( 1) 车站中部与友谊大道相交处围蔽后施工围护结构并架设简易钢便桥，完成后拆除围蔽，开通便桥，然后采用盖挖法施工，这一区段的支护体系为排桩 + 钢支撑，但顶面有刚便桥，相当于临时顶板，主体结构任和两端主体结构一样挖到基坑底部后，顺作上来，同时拆除钢支撑，待车站主体结构施工完毕后，拆除刚便桥恢复路面交通。

      ( 2) 车站北端小里程方向基坑宽度约为 20m，为标准车站宽度，该区段采用明挖法施工。这一区段深基坑的支护体系也为排桩 + 钢支撑的结构，但是少了上面的刚便桥。车站基坑开挖前先施工围护结构排桩，然后边开挖基坑边安装钢支撑，直到挖至开挖到基坑底部，再顺作车站主体结构，同时边拆除钢支撑，最后回填地面。

      ( 3) 车站南端大里程方向基坑宽度达 45 m，且临近有一栋 26 层楼高的建筑，因此该区段采用排桩 + 混凝土撑 + 钢支撑的形式，其中在支护体系中最上面两层支撑采用混凝土撑，并作成“井”框架结构，最下面的第三层支撑采用钢支撑。基坑开挖前先施工排桩和第一层混凝土撑，待混凝土撑达到设计强度后，开始开挖土方，当土方开挖到第二层混凝土撑的位置，再施工混凝土撑，带混凝土撑达到设计强度再开挖最下层土方，边挖边安装钢支撑，直到基坑底部，最后顺作车站主体结构，且边拆除钢支撑和混凝土撑，待车站主体结构施工完毕，回填恢复地面。

      虽然基坑的支护体系分为三种，但是车站整个基坑在开挖过程中是连在一起的，之间没有隔离，既相互独 立又相互联系。在基坑监测过程中我们可以十分直观地进行比较，搜集的监测数据就更有可比性和可参考性。螃蟹甲站车站深基坑支护体系的选型研究具有很强的特殊性又有很强代表性。

      地铁车站深基坑支护选型应根据工程规模，场地条件、环境保护等因素，经过综合分析，在实现安全目标的基础上，选择技术上可行、经济上合理的方案。在地铁车站深基坑支护选型中影响较大的四个因素分别为: 深基坑的形状和尺寸、工程地质、工程水文、周边环境，下文将结合四个因素进一步论述地铁车站深基坑支护选型方法。

 

      螃蟹甲站基坑监测数据的分析依据三个区分别进行，然后将不同区的同一监测类型放在一起比较，以此来对比不同支护结构的变形情况。基坑的监测内容主要包括: 围护结构顶部水平位移、基坑周边地表沉降、桩体变形( 测斜) 、支撑轴力、周边建筑物沉降及倾斜、地下管线沉降等。监测点布置图见图 3。

      基坑第一区段采用明挖法施工，支护体系为钻孔灌注桩 + 钢支撑。

      ( 1) 地表沉降分析

      第一区段地表沉降点有三个，分别为 DM3、DM5 和 DM6。三个监测点从 2009 年 7 月 8 日基坑开挖到 2009 年 9 月 2 日该段结构完成产生的最终累计沉降最大点为 DM6 号点，最大累计沉降为 －10． 45 mm。这三个点从基坑开挖到主体结构施工完成的沉降时序曲线见图 4。在基坑土方开挖过程中，地表沉降的速率较大，而在主体结构施工过程中，随着结构的进展，地表沉降的速率明显变小。

      ( 2) 桩体测斜分析

      第一区段共有测斜管 7 根，选取端头井处的一根 CX1 为代表进行研究。CX1 号测斜管长度13 m。其 2009 年 9 月 2 日达到的最终累计偏移量曲线见图 5。该测斜管向坑外最大累计偏移发生在 12 m 位置，累计偏移量为 2． 46 mm，累计偏移曲线符合普遍规律。

      ( 3) 钢支撑轴力分析

      第一区段钢支撑轴力计共布设两个，且均布设在第三道钢支撑上，点号分别为 CT4-3 和 CT5-3。两点从 2009 年 7 月 8 日基坑开挖到 2009 年 9月 2 日该段结构完成产生的最大轴力分别为513． 91 kN 和 513 kN。这两个点从钢支撑架设到拆除的轴力变化时序曲线见图 6。在基坑土方开挖到完成钢支撑架设的一段时间内，由于坑外土体的变形还未完成，导致土体继续挤压基坑围护桩，使得该段时间钢支撑轴力变化速率明显较大，而在此之后即坑外土体应力释放完毕，土体固结后，钢支撑轴力的变化速率明显变小。

      基坑第二区段采用盖挖顺作法施工，支护体系为钻孔灌注桩 + 钢支撑。

      ( 1) 地表沉降分析

      第二区段地表沉降点共 6 个，分别为 P1 ～P6。六个监测点最终累计沉降最大点为 P2 号点，从 2009 年8 月5 日基坑开挖到2009 年9 月5日该段结构完成最大累计沉降为 － 7． 7 mm。这六个点从基坑开挖到主体结构施工完成的沉降时序曲线见图 7。

      ( 2) 钢支撑轴力分析

      第二区段钢支撑轴力计共布设一个，布设在第三道钢支撑上，点号为 CT6-3，该点从 2009 年 8月 5 日基坑开挖到 2009 年 9 月 5 日该段结构完成产生的最大轴力为 195 kN。该点从钢支撑架设到拆除的轴力变化时序曲线见图 8。在基坑土方开挖完成钢支撑刚架设的一段时间内，由于坑外土体的变形还未完成，导致土体继续挤压基坑围护桩，使得该段时间钢支撑轴力变化速率明显较大，而在此之后即坑外土体应力释放完毕，土体固结后，钢支撑轴力的变化速率明显变小且呈上下波动状态。

      基坑第三区段采用明挖法施工，支护体系为钻孔灌注桩 + 混凝土支撑 + 钢支撑。

      ( 1) 地表沉降分析

      第三区段地表沉降点有三个，分别为 DB2、DB3 和 DB4。三个监测点最终累计沉降最大点为DB3 号点，最大累计沉降为 － 8． 8 mm。这三个点从 2009 年 7 月 2 日基坑开挖到 2009 年 9 月 17日土方开挖完成的沉降时序曲线见图 9。在基坑土方开挖过程中，地表沉降的沉降速率较大，而在主体结构施工过程中，随着结构的进展，地表沉降的沉降速率明显变小。

      ( 2) 桩体测斜

      第三区段共有 5 根测斜管选取端头井处的一根 CX14 为代表进行研究。CX14 号测斜管长度14 m。其最终累计偏移量曲线见图 10。该测斜管向坑外最大累计偏移发生在 9 m 位置，累计偏移量为 －0． 04 mm，累计偏移曲线符合普遍规律。

      ( 3) 钢支撑轴力

      第三区段钢支撑轴力计共布设两个，且均布设在第三道钢支撑上，点号分别为 ZL7-1 和 ZL8-1，从 2010 年 8 月 29 日支撑架设到 2010 年 11 月11 日该段结构完成最大轴力值在 100 kN 左右。这两个点从钢支撑架设到拆除的轴力变化时序曲线见图 11。在基坑土方开挖完成钢支撑刚架设的一段时间内，由于基坑的第一道撑为混凝土支撑，使得基坑整体成一个稳定的门架结构，具有很高的稳定性，且坑外土体对基坑的侧压力很大部分被混凝土撑所承受，故钢支撑轴力的变化无明显的变化规律，但总体来说，钢支撑轴力较小。

      总结上述三种支护体系下的监测数据，将不同区段的同一监测类型放在一起进行比较，如表1 所示。

      总结上述三种支护体系下的监测数据，可以判断，各支护体系的选型是正确的，并得出如下结论:

      ( 1) 明挖法( 排桩 + 钢支撑) 与明挖法( 排桩+ 混凝土撑 + 钢支撑) 对比，后者围护结构的变形明显小于前者，支撑轴力明显小于前者，表明在采用后面工法施工更加有利于基坑本体结构的稳定;

      ( 2) 盖挖顺作法与明挖法( 排桩 + 钢支撑) 对比，前者的支撑轴力明显小于后者，表明由于前者有顶面刚便桥作为支护，使得基坑的整体稳定性较后者好; 盖挖顺作法与明挖法( 排桩 + 混凝土撑 + 钢支撑) 对比，前者的支撑轴力略大于后者，而后者施工区域的基坑范围明显大于前者，表明在采用后面工法施工更加有利于基坑本体结构的稳定。

 

      地铁工程规模浩大，工程周边环境复杂，与此同时与地铁工程相结合的其它公用设施和沿线地铁的物业开发工程的施工，使城市市区环境恶化，所以地铁建设也往往得到市民和有关部门的高度重视，也使得人们越来越重视地铁施工的安全和质量问题，但是地铁施工质量和安全最重要的一环就是深基坑的施工质量和安全。本文通过对地铁车站深基坑不同支护体系选型下的监测数据进行了分析研究，总结全文主要结论如下:

      ( 1) 通过研究地铁车站深基坑特点、施工方法和支护类型，找到了决定地铁车站深基坑支护选型的基本原则，分析了影响地铁车站深基坑支护选型的影响因素，这些因素有基坑自身的，如基坑的形状、大小、深度等; 也有外部的，如地质水文因素和周边环境因素。

      ( 2) 通过分析螃蟹甲站这一工程实例的监测数据进行统计分析，找出同一车站不同支护体系的稳定性差异，最后得出了明挖法( 排桩 + 混凝土撑 + 钢支撑) 这种支护形式相较其它支护形式最有利于基坑的稳定的重要结论。

 

［1］ 杨 磊． 地铁深基坑支护方案优化探讨［D］． 武汉:武汉理工大学，2011．

［2］ Ali MF，Nahid M，Siddiqui S，et al． Study on the conversion of waste plastics / petroleum resin mixtures to transportation fuels［J］． Mater Cycles Waste Man- age，2004，6( 1) : 27-34．

［3］ 彭炎华，雷玉剑． 浅析广州地区基坑支护类型及设计选型要点［J］． 广东土木与建筑，2001，( 12) : 13-15．

［4］ Hashash Y M A，Whittle A J． Ground movement prediction for deep excavations in soft clay［J］． Geotech Eng，1996，122( 6) : 474-486．

［5］ 吴翔天，丁烈勇，周 诚． 武汉地铁车站深基坑支护结构选型研究［J］． 土木工程与管理学报，2011，28( 1) : 1-4．

［6］ 彭炎华，雷玉剑． 浅析广州地区基坑支护类型及设计选型要点［J］． 广东土木与建筑，2001，( 12) : 13-15．

［7］ JGJ 120-99，建筑基坑支护技术规程［S］