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摘要：换乘枢纽是地铁提供乘客转乘其它线路或其它交通工具的车站，换乘枢纽范围大，结构复杂，不可避免要面临两线甚至多线换乘站深基坑的情况。换乘车站基坑比起一般地铁基坑更是开挖深度大，换乘段结构受力体系复杂，如何合理的设计其基坑支护和施工方案，做到既安全可靠又经济合理，已成为目前岩土工程界的重要研究课题之一。本文针对城市地铁换乘枢纽工程地质条件、周边建筑环境和工艺特点，通过比较分析，选取合适的围护方案和水平支撑体系,采用现场测试方法，分析了基坑围护桩水平位移和钢支撑轴力测试结果，得出了城市地铁换乘枢纽基坑支护有意结论，为相类似工程提供借鉴。
关键词：换乘枢纽; 围护结构; 钢支撑; 现场测试
Abstract: the subway hub is to provide passengers transfer to other lines or other traffic tools of station, hubs range, the structure is complex, inevitably face two lines and even more line transfer station of the deep foundation pit. Transfer station foundation pit excavation is more general than the large depth excavation, the transfer period of structural system complex, how to design the reasonable foundation pit supporting and construction plan, it will not only safe and reliable and reasonable in economy, and has become the geotechnical engineering is one of the important research subject. This article in view of the city metro transfer project engineering geological conditions, the buildings around the environment and process characteristics, through the comparative analysis, to select the suitable palisade scheme and support system level, the in-situ test method, this paper analyzes the retaining piles of foundation pit horizontal displacement and steel strut axial forces test results, it is concluded that the city subway hub to conclusion of foundation excavation, for similar projects for reference.
Keywords: hub; Palisade structure; Steel support; Field testing
中图分类号： TV551.4文献标识码：A文章编号：
1工程概况
某换乘车站场地地势平坦，地面高程介于411.04~411.69m，区域地貌形态属黄土藻洼区的洼槽。站区岩土层自上而下依次为：（1）杂填土、素填土—地表为路基层，绿化带内为耕植土，均为粘性土组成，含白灰渣及少量砖瓦碎块，疏密不均。坚硬~可塑状态，站内地表大量分布，属中压缩性土，整体具湿陷性，厚度为0.40~3.20m。（2）新黄土—褐黄色，虫孔发育，见少量蜗牛壳碎片，可塑~软塑状态，以可塑状态为主，属饱和黄土，站内连续分布，属中压缩性土，厚度为1.90~6.50m。（3）粉质粘土—褐黄色，含少量铁质条纹及结核，可塑状态，具微层理，夹<3-6>粉细砂及<3-7>中砂薄层或透镜体。属中压缩性土，厚度为15.70~16.10m。（4）中砂、细砂—灰黄色，长石-石英质，可塑状态，级配不良，混少量粉土，局部表层为薄层粉土，见少量云母片，具微层理，饱和，中密-密实状态。厚度0.30~3.30m。（5）粉质粘土—灰黄色、灰绿色，含少量铁质条纹及结核，可塑状态，具微层理，中压缩性土，厚度11.90~15.20m。车站周围建筑物较多、管线丰富，主体基坑施工可能对建筑物的影响较大。
2基坑施工方案
根据车站地段的工程地质和水文地质及城市规划要求，结合周围环境并考虑工期等因素，通过对技术、经济、环境影响及施工功能等方面的综合比较，合理选择基坑围护形式和水平支撑体系。（1）基坑围护方案.车站基坑深度两层车站约为16.6～17m，三层车站约为22.8~23m。施工场地局促，岩层稳定性较差，周边建筑物、构筑物及地下管线较多，基坑侧壁安全等级二号线两层车站为一级，三号线三层车站及节点为特级。按照类似地下工程施工经验，一级基坑的支护形式不宜采用重力式挡土墙、喷锚支护等方案，一般宜采用挖孔桩、钻孔桩、连续墙形式。各种支护形式的适用性及经济性有较大差异，因此支护形式的选用应综合考虑，因地制宜。三种支护形式及其优缺点和经济技术比较见表1。经过分析，鉴于地层中存在流塑状新黄土、砂层，且砂层位于地下水位以下，人工挖孔桩存在一定的施工风险，故不予考虑。鉴于连续墙造价比钻孔桩高且本站地下水富水程度一般，无需采用连续墙，故选择钻孔桩加桩间高压旋喷止水为围护结构推荐方案。围护结构嵌固深度二号线暂取7米，三号线暂取11米。(2)基坑水平受力结构方案。围护结构的水平受力体系有两种形式，分别为锚杆和内支撑。两种方案的比较见表2。基坑周边建筑物较密集,如果采用预应力锚杆,则锚杆施工时可能会遇到建筑物的基础,而且将来车站周边新建建筑物的基础也会受到锚杆的影响，采用内支撑则可以避免这种不利影响，钢管内支撑安装简单，施工速度快，能够根据设计的要求施加所需的预应力，对围护桩迅速地起到支撑作用，并可以根据需要在钢支撑上安装测力仪器，监测其应力变化，实现信息化施工；钢支撑可以租用，从而节省支撑的费用。因此支撑拟采用钢管内支撑的方案,腰梁采用组合型钢腰梁，钢支撑沿基坑竖向二号线设置三道，三号线设置四道，支撑采用φ600的钢管支撑。三号线基坑支撑平面布置见图1。（3）现场测试方案。根据基坑开挖的深度、支护结构的特点、所处的周边环境条件及设计、招标文件的要求，监测项目项主要内容为：现场观察（包括裂缝观测）；围护桩水平位移监测（测斜）；钢支撑轴力的监测；道路路面(地下管线)沉降监测；相邻建筑物沉降、倾斜及裂缝的监测；坑外地下水位监测，限于篇幅，本文只重点分析围护桩水平位移监测和钢支撑轴力监测。监测周期：从基坑土方开挖到地下室侧壁回填的全过程。依据设计和招标文件的要求，监测频率设置原则上做到一日一测，具體监测频率可视监测信息反馈结果进行适当调整。为了利用监测值来判断支护结构以及周围建筑物的安全，必须设置监测管理基准值即施工安全警戒值。一般以设计值或设计者提出的允许值为基准，然后建立绝对值或变化速率的安全系数，并根据安全系数的大小设置不同的等级的警戒水平。本工程各监测项目的报警值与警戒值见表3。
表1 围护结构方案比较
方案内容 人工挖孔桩 钻孔桩 连续墙
地层的适用性 主要适用于地质条件较好的地层,在饱和软黄土和饱和砂层易发生流砂和成孔困难。 适用于厚的饱和软黄土和砂层等软弱地层；也可用于粘性土层。 适用于厚的饱和软黄土和砂层等软弱地层；也可用于粘性土层。
防水效果 圓形挖孔桩间不连续时，防水性能差，需要在桩间增设防水帷幕等措施；圆桩、矩形桩间采用凸凹槽时能提高防水性能，矩形桩水力路径长；防水性能好，刚度大，桩配筋合理。 本身防水性能差，桩间需要旋喷桩或搅拌桩止水，可保证防水性能。 防水效果取决于墙接头的质量，其中工字形接头防水效果好，但用钢量多。
对环境的影响 不生产泥浆和噪音，符合环保要求。 泥浆和噪音对环境造成一定污染。 泥浆和噪音对环境造成一定污染。
对设备的要求、施工进度及造价 不需要大型设备，但受地层条件制约大，在饱和软黄土、砂层中慎用。造价较低。 机具设备的投入和速度与地质条件关系较大。在土层地质中进度快。 需要一定数量的钻机，在软弱地层进度快。
表2 结构的水平受力体系比选
项目 对地层的适用性 施工技术难度 施工速度 对环境的影响 对机械要求程度 工程造价
锚杆 主要适用粘性土层 一般 慢 受基坑外建筑物、地下室或桩基限制 需采用合适的钻机成孔 一般
内支撑 不受地层的限制 容易 快 无影响 钢支撑只需吊机吊装 钢支撑可重复,造价较低
表3 监测项目要求
3基坑支护体系测试
（1）围护桩水平位移监测(测斜)。沿支护结构每隔20m或30m左右布设一个测点，3倍开挖深度范围内存在建筑物的区段每隔20m左右设一观测点，其余区段每隔30m左右设一观测点。共布置14个监测孔。测斜管埋深与支护结构体深度一致，在孔深范围内每隔1.0m为一测点，见图2。桩体的水平位移是工程监测的一个主要内容，基坑共埋设了14个测斜孔。选取其中具有代表性和监测数据较完整的2个测斜孔（二号线：CX7；三号线： CX8）进行测斜数据分析，监测结果见图3、图4。结果表明：二号线、三号线基坑的水平位移最大的两桩体CX7、CX8的累计最大位移为5.0mm和6.4mm，远小于设计规定的0.1%H或30mm的最小值；当基坑土体被开挖后，基坑围护结构由于桩后土体的作用，产生了相应的变形，且支护桩的变形随着开挖深度的增加而增大。开挖深度大的三号线两桩体的位移均大于二号线桩体的位移；由于桩顶设置了冠梁，限制了桩顶的水平位移，所有桩在开挖过程中桩顶不产生向基坑内的位移；在整个开挖过程中围护桩的位移曲线为“弓形”，最大值出现在开挖深度的中下部，随着开挖深度的增加，最大位移值位置下移，当开挖到设计深度时，二号线基坑CX7桩最大值出现在18.5m，三号线基坑CX8桩最大值出现在12.5m。
图1 三号线基坑支撑平面布置图(单位：mm） 图2 测斜管
图3 CX7桩深度—位移关系曲线 图4 CX8桩深度—位移关系曲线
（2）钢支撑轴力监测。为了及时掌握支撑轴力随施工工况变化的情况，确保支撑系统安全可靠，在支撑体系上选择布设7个支撑轴力监测断面进行25个支撑轴力的监测。钢支撑在每个监测点上安装一只钢支撑反力计。设计中三号线基坑支撑采用四道钢支撑、二号线基坑采用三道钢支撑，在7个断面中选取25个支撑轴力进行监测。各支撑轴力变化图见图5～图8，在基坑的施工过程中，第一道支撑轴力最大，但最大也仅为452.3kN，而当第二道支撑加上后，两道支撑的增加速度明显减慢，曲线变得平缓，趋向稳定。支撑轴力的最大、最小值比值在1.2～2.6范围内，变化不大；施工进程中各支撑轴力最大值见表4，施工过程中各道支撑的设计轴力与实测轴力之比在1.55～14.41之间，即Fs=R设/Rmax＞1.2；实测轴力与设计轴力的百分比为6.85%～64.61%之间，均<70%，未达到警戒值，基坑工程处于安全。
图5D钢支撑轴力—时间变化曲线 图6E钢支撑轴力—时间变化曲线
图7 F钢支撑轴力—时间变化曲线图8G钢支撑轴力—时间变化曲线
表4 设计轴力与监测最大轴力对比分析
4结语
（1）基坑开挖过程中，实测到的围护桩的最大水平位移为6.4mm，远小于设计规定的0.1%H或30mm的最小值，说明设计方案偏于保守，但本工程的基坑开挖及支护完全满足要求。（2）基坑开挖过程中，围护桩的最大位移与开挖深度、时间以及钢支撑的施做有着密切的联系。围护桩的变形随着开挖深度的增加而增大。由于桩顶设置有冠梁，整个开挖过程中围护桩的位移曲线为“弓形”，最大值出现在开挖深度的中下部，随着开挖深度的增加，最大位移值的位置也随之下移。（3）各支撑轴力值在开始时增加量很大，随着基坑的开挖和下一道支撑的安装，变化幅度不大；开挖施工过程中各道支撑的实测轴力与设计轴力的百分比在6.85%～64.61%之间，均小于70%，未达到警戒值。
参考文献:
[1] 黄强.深基坑支护工程设计技术[M].北京:中国建材工业出版社,1995.
[2] 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.
[3] 姜洪伟.软土深基坑变形与安全度分析[J].建筑结构,1998(5):28~31.
[4] 刘钊.双排围护桩结构分析及试验研究[J].岩土工程学报,1992,14(5):76~80.
[5] 陈军.基坑围护工程的设计、施工与监测[J].湖南大学学报,2002,29 (3):117~121.
作者简介：刘亚东 (1971.11--)，男，汉族，四川巴中人，工程师，主要从事铁路和市政工程项目管理工作。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：换乘枢纽; 围护结构; 钢支撑; 现场测试
Abstract: the subway hub is to provide passengers transfer to other lines or other traffic tools of station, hubs range, the structure is complex, inevitably face two lines and even more line transfer station of the deep foundation pit. Transfer station foundation pit excavation is more general than the large depth excavation, the transfer period of structural system complex, how to design the reasonable foundation pit supporting and construction plan, it will not only safe and reliable and reasonable in economy, and has become the geotechnical engineering is one of the important research subject. This article in view of the city metro transfer project engineering geological conditions, the buildings around the environment and process characteristics, through the comparative analysis, to select the suitable palisade scheme and support system level, the in-situ test method, this paper analyzes the retaining piles of foundation pit horizontal displacement and steel strut axial forces test results, it is concluded that the city subway hub to conclusion of foundation excavation, for similar projects for reference.
Keywords: hub; Palisade structure; Steel support; Field testing
中图分类号： TV551.4文献标识码：A文章编号：
1工程概况
某换乘车站场地地势平坦，地面高程介于411.04~411.69m，区域地貌形态属黄土藻洼区的洼槽。站区岩土层自上而下依次为：（1）杂填土、素填土—地表为路基层，绿化带内为耕植土，均为粘性土组成，含白灰渣及少量砖瓦碎块，疏密不均。坚硬~可塑状态，站内地表大量分布，属中压缩性土，整体具湿陷性，厚度为0.40~3.20m。（2）新黄土—褐黄色，虫孔发育，见少量蜗牛壳碎片，可塑~软塑状态，以可塑状态为主，属饱和黄土，站内连续分布，属中压缩性土，厚度为1.90~6.50m。（3）粉质粘土—褐黄色，含少量铁质条纹及结核，可塑状态，具微层理，夹<3-6>粉细砂及<3-7>中砂薄层或透镜体。属中压缩性土，厚度为15.70~16.10m。（4）中砂、细砂—灰黄色，长石-石英质，可塑状态，级配不良，混少量粉土，局部表层为薄层粉土，见少量云母片，具微层理，饱和，中密-密实状态。厚度0.30~3.30m。（5）粉质粘土—灰黄色、灰绿色，含少量铁质条纹及结核，可塑状态，具微层理，中压缩性土，厚度11.90~15.20m。车站周围建筑物较多、管线丰富，主体基坑施工可能对建筑物的影响较大。
2基坑施工方案
根据车站地段的工程地质和水文地质及城市规划要求，结合周围环境并考虑工期等因素，通过对技术、经济、环境影响及施工功能等方面的综合比较，合理选择基坑围护形式和水平支撑体系。（1）基坑围护方案.车站基坑深度两层车站约为16.6～17m，三层车站约为22.8~23m。施工场地局促，岩层稳定性较差，周边建筑物、构筑物及地下管线较多，基坑侧壁安全等级二号线两层车站为一级，三号线三层车站及节点为特级。按照类似地下工程施工经验，一级基坑的支护形式不宜采用重力式挡土墙、喷锚支护等方案，一般宜采用挖孔桩、钻孔桩、连续墙形式。各种支护形式的适用性及经济性有较大差异，因此支护形式的选用应综合考虑，因地制宜。三种支护形式及其优缺点和经济技术比较见表1。经过分析，鉴于地层中存在流塑状新黄土、砂层，且砂层位于地下水位以下，人工挖孔桩存在一定的施工风险，故不予考虑。鉴于连续墙造价比钻孔桩高且本站地下水富水程度一般，无需采用连续墙，故选择钻孔桩加桩间高压旋喷止水为围护结构推荐方案。围护结构嵌固深度二号线暂取7米，三号线暂取11米。(2)基坑水平受力结构方案。围护结构的水平受力体系有两种形式，分别为锚杆和内支撑。两种方案的比较见表2。基坑周边建筑物较密集,如果采用预应力锚杆,则锚杆施工时可能会遇到建筑物的基础,而且将来车站周边新建建筑物的基础也会受到锚杆的影响，采用内支撑则可以避免这种不利影响，钢管内支撑安装简单，施工速度快，能够根据设计的要求施加所需的预应力，对围护桩迅速地起到支撑作用，并可以根据需要在钢支撑上安装测力仪器，监测其应力变化，实现信息化施工；钢支撑可以租用，从而节省支撑的费用。因此支撑拟采用钢管内支撑的方案,腰梁采用组合型钢腰梁，钢支撑沿基坑竖向二号线设置三道，三号线设置四道，支撑采用φ600的钢管支撑。三号线基坑支撑平面布置见图1。（3）现场测试方案。根据基坑开挖的深度、支护结构的特点、所处的周边环境条件及设计、招标文件的要求，监测项目项主要内容为：现场观察（包括裂缝观测）；围护桩水平位移监测（测斜）；钢支撑轴力的监测；道路路面(地下管线)沉降监测；相邻建筑物沉降、倾斜及裂缝的监测；坑外地下水位监测，限于篇幅，本文只重点分析围护桩水平位移监测和钢支撑轴力监测。监测周期：从基坑土方开挖到地下室侧壁回填的全过程。依据设计和招标文件的要求，监测频率设置原则上做到一日一测，具體监测频率可视监测信息反馈结果进行适当调整。为了利用监测值来判断支护结构以及周围建筑物的安全，必须设置监测管理基准值即施工安全警戒值。一般以设计值或设计者提出的允许值为基准，然后建立绝对值或变化速率的安全系数，并根据安全系数的大小设置不同的等级的警戒水平。本工程各监测项目的报警值与警戒值见表3。
表1 围护结构方案比较
方案内容 人工挖孔桩 钻孔桩 连续墙
地层的适用性 主要适用于地质条件较好的地层,在饱和软黄土和饱和砂层易发生流砂和成孔困难。 适用于厚的饱和软黄土和砂层等软弱地层；也可用于粘性土层。 适用于厚的饱和软黄土和砂层等软弱地层；也可用于粘性土层。
防水效果 圓形挖孔桩间不连续时，防水性能差，需要在桩间增设防水帷幕等措施；圆桩、矩形桩间采用凸凹槽时能提高防水性能，矩形桩水力路径长；防水性能好，刚度大，桩配筋合理。 本身防水性能差，桩间需要旋喷桩或搅拌桩止水，可保证防水性能。 防水效果取决于墙接头的质量，其中工字形接头防水效果好，但用钢量多。
对环境的影响 不生产泥浆和噪音，符合环保要求。 泥浆和噪音对环境造成一定污染。 泥浆和噪音对环境造成一定污染。
对设备的要求、施工进度及造价 不需要大型设备，但受地层条件制约大，在饱和软黄土、砂层中慎用。造价较低。 机具设备的投入和速度与地质条件关系较大。在土层地质中进度快。 需要一定数量的钻机，在软弱地层进度快。
表2 结构的水平受力体系比选
项目 对地层的适用性 施工技术难度 施工速度 对环境的影响 对机械要求程度 工程造价
锚杆 主要适用粘性土层 一般 慢 受基坑外建筑物、地下室或桩基限制 需采用合适的钻机成孔 一般
内支撑 不受地层的限制 容易 快 无影响 钢支撑只需吊机吊装 钢支撑可重复,造价较低
表3 监测项目要求
3基坑支护体系测试
（1）围护桩水平位移监测(测斜)。沿支护结构每隔20m或30m左右布设一个测点，3倍开挖深度范围内存在建筑物的区段每隔20m左右设一观测点，其余区段每隔30m左右设一观测点。共布置14个监测孔。测斜管埋深与支护结构体深度一致，在孔深范围内每隔1.0m为一测点，见图2。桩体的水平位移是工程监测的一个主要内容，基坑共埋设了14个测斜孔。选取其中具有代表性和监测数据较完整的2个测斜孔（二号线：CX7；三号线： CX8）进行测斜数据分析，监测结果见图3、图4。结果表明：二号线、三号线基坑的水平位移最大的两桩体CX7、CX8的累计最大位移为5.0mm和6.4mm，远小于设计规定的0.1%H或30mm的最小值；当基坑土体被开挖后，基坑围护结构由于桩后土体的作用，产生了相应的变形，且支护桩的变形随着开挖深度的增加而增大。开挖深度大的三号线两桩体的位移均大于二号线桩体的位移；由于桩顶设置了冠梁，限制了桩顶的水平位移，所有桩在开挖过程中桩顶不产生向基坑内的位移；在整个开挖过程中围护桩的位移曲线为“弓形”，最大值出现在开挖深度的中下部，随着开挖深度的增加，最大位移值位置下移，当开挖到设计深度时，二号线基坑CX7桩最大值出现在18.5m，三号线基坑CX8桩最大值出现在12.5m。
图1 三号线基坑支撑平面布置图(单位：mm） 图2 测斜管
图3 CX7桩深度—位移关系曲线 图4 CX8桩深度—位移关系曲线
（2）钢支撑轴力监测。为了及时掌握支撑轴力随施工工况变化的情况，确保支撑系统安全可靠，在支撑体系上选择布设7个支撑轴力监测断面进行25个支撑轴力的监测。钢支撑在每个监测点上安装一只钢支撑反力计。设计中三号线基坑支撑采用四道钢支撑、二号线基坑采用三道钢支撑，在7个断面中选取25个支撑轴力进行监测。各支撑轴力变化图见图5～图8，在基坑的施工过程中，第一道支撑轴力最大，但最大也仅为452.3kN，而当第二道支撑加上后，两道支撑的增加速度明显减慢，曲线变得平缓，趋向稳定。支撑轴力的最大、最小值比值在1.2～2.6范围内，变化不大；施工进程中各支撑轴力最大值见表4，施工过程中各道支撑的设计轴力与实测轴力之比在1.55～14.41之间，即Fs=R设/Rmax＞1.2；实测轴力与设计轴力的百分比为6.85%～64.61%之间，均<70%，未达到警戒值，基坑工程处于安全。
图5D钢支撑轴力—时间变化曲线 图6E钢支撑轴力—时间变化曲线
图7 F钢支撑轴力—时间变化曲线图8G钢支撑轴力—时间变化曲线
表4 设计轴力与监测最大轴力对比分析
4结语
（1）基坑开挖过程中，实测到的围护桩的最大水平位移为6.4mm，远小于设计规定的0.1%H或30mm的最小值，说明设计方案偏于保守，但本工程的基坑开挖及支护完全满足要求。（2）基坑开挖过程中，围护桩的最大位移与开挖深度、时间以及钢支撑的施做有着密切的联系。围护桩的变形随着开挖深度的增加而增大。由于桩顶设置有冠梁，整个开挖过程中围护桩的位移曲线为“弓形”，最大值出现在开挖深度的中下部，随着开挖深度的增加，最大位移值的位置也随之下移。（3）各支撑轴力值在开始时增加量很大，随着基坑的开挖和下一道支撑的安装，变化幅度不大；开挖施工过程中各道支撑的实测轴力与设计轴力的百分比在6.85%～64.61%之间，均小于70%，未达到警戒值。
参考文献:
[1] 黄强.深基坑支护工程设计技术[M].北京:中国建材工业出版社,1995.
[2] 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.
[3] 姜洪伟.软土深基坑变形与安全度分析[J].建筑结构,1998(5):28~31.
[4] 刘钊.双排围护桩结构分析及试验研究[J].岩土工程学报,1992,14(5):76~80.
[5] 陈军.基坑围护工程的设计、施工与监测[J].湖南大学学报,2002,29 (3):117~121.
作者简介：刘亚东 (1971.11--)，男，汉族，四川巴中人，工程师，主要从事铁路和市政工程项目管理工作。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。