西安地铁1、2号线车站基坑围护结构设计
2012-08-04 21:50
西安地铁1、2号线车站基坑围护结构设计
摘 要 西安地铁 1、2 号线的车站基坑围护结构多采用排桩加钢管内支撑的方式，施工快、效果好。土体参数、计算理论的选择是围护结构设计中的一个难点。通过分析西安地区的地质特点，充分考虑黄土的 " 结构性"、" 湿陷性 " 和 " 较强的竖向渗透性 ", 结合地铁施工的要求，得出几个自己的观点。
关键词 地铁车站；基坑；围护结构
1 西安地铁 1、2 号线站区黄土地层的地质特点
西安地铁1、2 号线分别从东西向和南北向横穿西安市主城区。西安市位于渭河冲积平原 - - 关中平原的中部。关中平原沉积了巨厚的第四系地层。主要地层为上更新统风积黄土、残积古土壤及中更新统风积黄土、冲积粉质黏土（夹砂）。西安市 100m 深度内地层主要由全新统、上更新统及中更新统地层构成。地层由上至下分别为：全新统人工填土、第四系上更新底层（新黄土层、古土壤层）、第四系中更新地层（老黄土层、粉质粘土、中砂层）。站区地下水属潜水类型,埋深大多在11～14.5m。
西安地铁1、2 号线车站基坑围护结构所处的土层主要为黄土。黄土具有较好的结构性，这是区别于软土的一个重要特点，对于基坑的稳定性是有利的。国内有很多专家学者对黄土基坑坑壁自立稳定高度的问题进行过研究。黄土的另一个特点是其湿陷性。发生湿陷后的黄土，其工程性质发生急剧的变化，可能对基坑结构的安全性造成不可估量的隐患。黄土的 " 结构性"与 " 湿陷性 " 同时存在，是西安地铁基坑设计计算中重点注意的两个特点。
2西安地铁 1、2 号线车站基坑的主要支护方式
西安地铁 1、2 号线横穿西安市主城区，不具备放坡开挖的条件。钻孔灌注桩作为一种经济、施工速度快、技术成熟的围护结构形式，是西安地铁1、2 号线车站围护结构的主要支护形式。
锚杆和内支撑作为围护结构水平受力体系的有两种基本形式，目前施工技术均已比较成熟，但考虑到锚杆施工对基坑周围的建筑物地下室或深基础有一定的限制，西安地铁1、2 号线车站基坑支护则主要采用钢管内支撑的方式（图 1）。
图 1 车站围护结构断面图
选择了已经完成主体施工的西安地铁1、2 号线中三个典型车站：钟楼站、城运村站、劳动路站。以这三个车站为例，对1、2 号线车站围护结构的特点进行总结。三站的设计参数总结如表一：
三个车站均采用了排桩加钢管内支撑的支护形式，排桩均采用了直径 1000mm 的钢筋混凝土灌注桩。但是排桩的间距和支撑的道数却各不相同。
3西安地铁 1、2 号线车站围护结构的参数化设计
3.1 土体力学参数的选取
在深基坑工程设计中，土体力学参数的选取会直接影响计算结果。而通常勘察报告所提供的抗剪强度参数有多组，包括直剪试验测得的快剪、固结快剪、慢剪参数以及三轴剪切试验测得的不不固结不排水抗剪强度（UU）、固结不排水抗剪强度（CU）、固结排水抗剪强度（CD）等参数。因此，要想准确地模拟出围护结构的实际受力，就必须选择合理的参数进行设计计算。针对西安地铁 1、2 号线车站基坑工程的 土体性质、排水条件和施工方法，笔者对土体参数做出选择进行了分析。
（1）深基坑开挖速率对参数选取的影响
西安地铁1、2 号线车站结构基坑一般采用机械开挖，施工速度较快，而黄土土层的透水性较差且排水条件不好，土体来不及固结就可能失去稳定。因此对于地下水位线以上的粘性土来说，宜采用快剪或 UU 试验结果；对于粉土或粉细砂土而言，可采用固结快剪或CU试验结果。
（2）深基坑降水情况及土的渗透性
根据地下水位的埋藏条件，以上三站均采取了坑外深井降水的降水方案。西安地区的土层特点多为粉质粘土，横向和竖向渗透性差别较大，尤其是横向渗透系数较小，当基坑降水时，土体受荷以后来不及排水固结就可能破坏，故宜采用UU试验结果。但是对于粉土或粉细砂土而言，因其渗透性相对较强，在开挖过程中，该土层既非完全不排水，又非完全排水，因而可采用CU或 CD试验方法。
当基坑不降水并采用止水措施时，由于基坑外侧地下水位线以下土体处于饱和状态，土体宜采用UU 试验结果。
（3）应力路径
基坑开挖属于卸荷问题，对于基坑内侧土体来说，土体中平均正应力下降，偏应力则增大。由图可以看出，对于卸荷问题采用 UU 试验结果偏于危险。特别是对西安地区常见的粘性土而言，受基坑开挖等因素的影响，将产生卸荷裂隙，再考虑到水渗入的影响，将会降低土的抗剪强度，因此采用CU偏于危险。
3.2 计算理论的选择
计算土压力时，理正深基坑软件提供了“水土合算”和“水土分算”两种方法。以劳动路站为例，该站的围护结构所在的土层基本为粉质粘土，当采用“水土合算”计算基坑土压力时，得到的桩体最大弯矩为 1246.66KN·m，而采用“水土分算”法的结果为 1342.08KN·m，两者相差了近8%。
这两种方法分别对应了土体抗剪强度的两种表示方法，即总应力法和有效应力法。它们的表达式分别为：
总应力法：τ=c+σtgφ
有效应力法：τ=c′+(σ-μ)tgφ′
也就是说，总应力包含了有效应力和孔隙水压力。
由于总应力法不需量测孔隙水压力，故分析方法简单。但是对于西安地区常见的粘性土，受排水条件影响较大，只能粗略的模拟地层在某特定固结状态下的抗剪强度，不能反映地层在开挖施工过程中要经历的不同固结状态，因此该方法有一定的局限性。
深基坑工程中，对于地下水位以上的非饱和土和地下水位以下的饱和粘土、粉质粘土而言，由于土层中的水为孔隙水，不易对土颗粒形成浮力，可以采用总应力表示法，即" 水土合算 "。对于地下水位以下的粉土、砂土而言，土层中的水可对其土颗粒形成浮力，宜采用有效应力法，即" 水土分算 "。
4 降水措施对围护结构安全性的影响
考虑西安地区地下水的埋藏特点，降水措施对基坑的稳定性影响很大。
一方面，地下水的存在，可导致土体抗剪强度指标值的降低，从而降低坑壁的自稳能力。仍以劳动路站为例，如果采用坑内外结合降水的方案，会对围护结构的受力比较有利，围护桩的纵向受力钢筋最大截面只需要22Ф22，而如果采用坑内降水、坑外止水的方案，则基坑外侧承受饱和土的侧压力，围护桩的纵向受力钢筋最大截面需要 23Ф25，钢筋面积增大了 35%左右。
另一方面，基坑开挖后，如果基坑外不允许降水，由于黄土的垂直渗透系数较大，在一定的水力梯度的渗流作用下，围护结构的薄弱部位极易发生管涌、流砂等现象（图3），严重影响围护结构安全。
同时，排水范围内可能引起的地面附加沉降或不均匀沉降对邻近建筑物的影响也不容忽视，施工过程中应加强监测。
4结论
（1）由于土体的排水固结对对其抗剪强度影响较大，在实际工程计算中，应该结合具体工程特点和实际情况，采用合理的参数。
（2）地铁基坑围护结构通常需要设置多道支撑。考虑到地铁结构的特点，支撑的架设必须与主体结构施工步骤密切的结合起来。
（3）黄土地区地下水对基坑安全影响较大，基坑开挖时应根据工程需要采取合理的降水措施。
参考文献：
[1] 刘建航，侯学渊《基坑工程手册[M]》北京：中国建筑工业出版社，1997
[2] 钱家欢，殷宗泽《土工原理与计算[M]》北京：中国水利水电出版社，1996
[3] 马宏建《深基坑工程管涌灾害的治理 [J]》都市快轨交通，2008，1
[4] 杨光霞《深基坑土参数试验方法与分析[J]》华北水利水电学院学报，1999，12
[5] 陈仲颐，周景星，王洪瑾《土力学[M]》北京：清华大学出版社，1997
