（岩土工程专业论文）广州地铁二号线车站基坑围护结构研究.pdf

广州地铁二号线车站基坑围护结构研究 r e s e a r c h o n s u p p o r t me t h o d s o f s t a t i o n e x c a v a t i o n i n g u a n g z h o u me t r o i i ab s t r a c t wi t h t h e i n c r e a s i n g o f p o p u l a t i o n n u m b e r i n c it y , m o r e a n d m o r e c i t i e s h a v e c o n s t r u c t e d m e t r o t o s o l v e t h e t r a n s p o rt a t i o n p r o b l e m s , g u a n g z h o u i s o n e o f t h e m . t h e s u p p o r t i n g m e t h o d s o f s t a t i o n e x c a v a t i o n i n g u a n g z h o u me t r o 1 1 a r e v a r i o u s , t h e p a p e r i n t r o d u c e e a c h s t a t i o n s s u p p o r t i n g s t r u c t u r e b r i e fl y s u c h a s g e o l o g i c c o n d i t i o n , b r a c i n g m e t h o d s a n d p a r a m e t e r s， a n d t h e n d o t h e i n t e g r a t i v e e v a l u a t i o n w i t h t h e m u t i l a y e r e v a l u a t i o n t h e o ry i n f u z z y m a t h e m a t i c s t e c h n o l o g i c l y a n d e c o n o m i c a l l y in o r d e r t o g i v e t h e b e s t f i t s u p p o rt i n g m e t h o d s a f t e r t h e f u z z y e v a l u a t i o n b a s e d o n c o n c r e t e s u p p o rt i n g s t r u c t u r e s i n g u a n g z h o u m e t r o 1 1 a n d t h e s p e c i a l i s t s s u g g e s t i o n s ,t h e p a p e r g e t t h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s : t h e m a n - d i g p i l e s a n d l x k h a v e g r e a t e r p r i v i l e g e u n d e r s u c h g e o l o g i c c o n d i t i o n s i n g u a n g z h o u . t h e a u t h o r r a i s e a n e w m e t h o d - t h e s i n g l e w a l l s t r u c t u r e w i t h m a n - d i g r e c t a n g l e p i l e s u n d e r t h e c o n s t r u c t i o n o f c o v e r - d i g - t o p - d o w n . t h e a b o v e me n t i o n e d v i e w i s b a s e d o n t h e f i n i t e e l e me n t c a l c u l a t i o n a n d t h e i n - s i t u m o n i t o r i n g d a t a o f e x c a v a t i o n s u p p o rt in g s t r u c t u r e i n s h i e r g o n g s t a t i o n . a f t e r t h e c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e c a l c u l a t i o n a n d t h e m o n it o r i n g , t h e a u t h o r g o t t h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n : t h e n e w r a i s e d m e t h o d c a n b e tt e r c o n t r o l t h e p i l e s d e f o r m a t i o n a n d t h e g r o u n d m o v e m e n t t h a n o p e n d i g g i n g . t h e e n g i n e e r i n g e x p e r i e n c e s s h o w t h e w a t e r p r o o f r e s u l t i s n o t b a d a l s o . a t t h e s a m e t i m e , t h e a u t h o r g i v e t h e s o l u t i o n s o f s o m e p r o b l e m s w h i c h m a y e n c o u n t e r d u r i n g t h e c o n s t r u c t i o n . e x c e p t t h a t , t h e n e w d e v e l o p e d l x k m e t h o d w a s a p p l i e d t o e n g i n e e r i n g 中南大学硕士学位论文 w i d e l y , i n o r d e r t o k n o w t h e m e t h o d b e tt e r , t h e w o r k i n g m e c h a n i s m o f i t w a s a n a l y z e d . a n i n - s it u t e s t a b o u t t h e l x k b o l t s w a s a l s o d o n e in x i n g a n g d o n g s t a t i o n . t h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e b o l t i n g f o r c e s a r e d i ff e r e n t w i t h d i ff e r e n t b o l t s , w h i c h g i v e a w i d e c h o i c e f o r t h e d e s i g n . k e y w o r d s s t a t i o n e x c a v a t i o n f u z z y a n a l y s i s wa l l s t r u c t u r e l xk me t h o d 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 地铁车站基坑围护结构发展 从广义上讲地铁车站围护结构涉及施工方法、围护结构、计算理论及 围护结构与周边地层变形四个部分，各个国家都对这几个方面进行系统的 研究。围护结构研究的最终目 的是在安全经济的条件下，使围护结构与其 周围地层的变形尽可能的小。 1 . 1 . 1 国 外研究概况 自 从 1 8 6 3年在英国伦敦建成世界上第一条地下铁道以来，国外地下 铁道不论在数量上还是在技术上都有很大的发展，目 前已 有 3 9个国家的 9 0 多个城市中 建有地铁。 在地铁初期发展阶段，由于埋深不大，大部分采用施工速度快、造价 低的浅埋明挖法，但随着城市地面建筑的发展，环境要求的提高，目前在 市区有采用暗挖法取代明挖法的趋势，但地铁车站相对于地铁区间来说采 用盖挖逆作的越来越多，自 5 0年代末意大利米兰地铁首次使用盖挖逆作 以 来，欧洲、日 本等许多地铁车站采用这种方法建造，如工 9 6 5 年到 工 9 8 9 年德国慕尼黑共建站5 7 座，其中盖挖逆作有2 0 座。 地铁车站在施工时会遇到不同的土层及岩层，美国的mc g i n n 认为在 土锚支护海相土的基坑底，当基坑侧向变形、未排水压力减小时，随着孔 隙 压力的 消 散， 基 坑出 现卸 载19 1 ; k o u ts o f t a : 通 过三 个工 程 实例 来说明 在 软粘土基坑支护中，围护结构的变形与围护结构刚度及地基的稳定性关系 密切，对墙体的刚度和支护垂直方向的距离的控制可以使围护结构的变形 控制在一定的范围 之内i20;支撑的预加力的大小对于内 支撑的实际刚度 有很大的影响，o ,r u r k e 曾报导美国华盛顿特区地铁施工对支撑的实测结 果， 设支撑的 理想刚度为k , = e a / t ， 其中e , a, 1 分别为支撑的弹性模 广州地铁二号线车站基坑围护结构研究 量、 截面积与 长度， 而实 测刚度为k t . ， 则k , / 凡随 着预加力的增加而增 加。见图 1 - 1 0 0 . 7 5 尸 而. 5 3 目划卜 门户卜日 崔兰 0 . 4.0 : - 4 2 0 . 2 实测刚度与理想 刚度比 一 线性 ( 实测刚度 与理想刚度比) 41 5 ( k n) 图1 一1 实测刚度及理想刚度比 通过对意大利那不勒斯市的一个地下停车场与购物中心的监测分析， 意大利的g i o v a n n i b .f e n e l l i 认为在围护墙的顶部施加冠梁，可以提供一 定的抗扭与抗弯刚度，冠梁作为弹性约束可以限制墙体的位移和转动，但 是，冠梁的三维性质与传统的平面应变假设不一致，冠梁的作用通常没有 考虑，结果围护结构的设计安全度过高，造成较大的浪费。f e n e l l i 利用 水平弹簧与转动弹簧来模拟墙体与冠梁的作用，估计出水平荷载和转动荷 载在冠梁上的分布，相应的弯矩和扭矩可以确定，这样可以设计出墙体的 合 理 尺 寸。 59 英国 是世界上地铁建设对地表影响研究最多的国 家，o , r e i ly 等针对 不同的地层，采用不同的施工方法所引起的地表沉降问题，在大量实测资 料的基础上，提出了实际沉降槽宽度，地层损失及地表沉降的预计公式; 在旧金山的 v u n 工站建设中，设计就对地表变形量及对附近建筑物的影响 作出估算，施工过程中加强监测，针对监测的 信息进行不断的调整(2 i , h a m z a , m. 针对开罗地铁二号线一个盖挖逆作车站基坑的施工，对常常用 于 对地铁车站施工时确定地表沉降预测的方法进行评价2 2 1 为了评价土钉支护基坑在强烈地震作用下的变形及稳定性，美国的 ma r k 对四个土钉支护基坑的离心模型进行研究。在循环加载的情况下， 中南大学硕士学位论文 对其运动及失稳机理进行分析，实验结果表明:每个试验都具有相似的失 稳机理，在试验的过程中出现两个非常明显的阶段，在第一阶段，土钉墙 体和面层以底排锚杆与面层的交点为旋转点进行旋转。接下来由于强烈的 水平震动，土钉受力超过其设计抗拔力后，土钉锚固体和面层进行水平滑 动，土钉墙出 现双线性破坏面。如果震动持续的时间足够长，整体墙体将 会出现较大的位移，最后模型整体破坏。试验同时证明土钉长度加大将使 模型的稳定性得到显著的提高。6 0 随着有限元理论的发展及其在工程中的应用，围护结构的计算从传统 基坑围护结构的内力变形计算向多种计算方法发展:如等值梁法、连续介 质有限元法以 及弹性地基杆系有限元法等，其中以有限元法应用最广。美 国的b r ia n d利用三维非线性有限元对锚拉墙的影响因素进行分析，数值 模型的模拟情况如下;用梁单元对锚杆锚固段模拟，用弹簧单元对自由段 模拟， 用板壳单元对木挡板进行模拟， 土体的模拟则采用三维非线性单元， 模拟过程包括基坑的开挖锚杆的安装及预应力的施加。b r i a n d 认为1611: 在模拟中网格划分的底部边界最好处于硬质土体，从基底到硬土层距离 d b ， 在对线弹性土体 对行 模拟时， 挡墙顶部地表垂直沉降与d b 具有线性 关系，但对墙体的水平位移影响较小。模拟分析得出如下结论:第一排锚 杆的最佳位置为墙顶向下1 .2 一 1 . 5 m，在设计时第一排锚杆尽可能深一些， 以下各排锚杆的最佳排距为3 m，第一排的自由段越长，墙体的变形越小， 最佳自由 段长度为墙体到破坏面的距离再加上墙高的五分之一。同时分析 表明在所有的变量中，锚杆的锚固力是最主要的影响因素，对桩的变形和 弯矩有着直接的影响。 基坑边坡稳定性分析中，极限平衡分析法是最常用的计算方法，但是 从极限平衡分析所得的解是不精确的，因为极限平衡的静态与运动容许条 件都没有得到满足。极限分析由于其塑性上限定理与下限定理的优越性可 以给出相对简单的精确解。 澳大利亚的j .k i m采用三节点线性三角形有限 单元来构造静态许用应力场以进行下限分析，运动许用应力场以进行上限 分析。在有限元计算中考虑孔隙水压力，这样可以进行饱和边坡的有效应 力分析，在规模不同的边坡的极限数值上下限解同极限平衡分析解进行对 广州地铁二号线车站基坑围 护结构研究 比可得:此法与毕肖 普法的极限平衡解具有较好的一致性，但当水平面较 高或土体摩擦角较小时，简化毕肖 普解大于极限分析法的上限解。15 8 综合以上可以看出，有限元理论逐步发展成熟，基坑围护结构的计算 理论是以有限元、边界元为主，应用中要考虑地下水、地震影响及其它因 素的影响，进行祸合分析。在实际计算中，应用有限元理论尽可能地对地 质条件、围护结构、开挖过程及开挖过程中地质参数变化进行模拟，使得 设计中预测的变形与实际变形相接近。由于实验室里模拟试验的局限性， 研究人员更多地对实际工程进行观测分析，从工程中对基坑围护中所遇到 的问题进行总结。 1 . 1 . 2 国内 研究概况 到目前为止北京、上海、天津、广州四个城市已经兴建地铁并投入运 营，深圳、沈阳、南京、青岛、重庆正在建设，还有一些城市积极进行这 方面的准备工作。为了把国内地铁建设好，国内学者及建筑单位在借鉴国 外经验的同时也在开展具有针对性的研究， 在国内 地铁车站基坑围护结构 的研究主要以 地铁公司与从事此方面的高校联合为主。无论在计算理论还 是在施工工艺上都有一定的发展: 弹性地基梁是近年来用得较多的一种基坑计算方法，但计算中的水平 基床系数k 随着基坑开挖的工况不同而变化，以弹性地基梁为基础，利用 上一施工工况中的实测墙体侧向位移值反算出k 值，并认为下一施工工况 中的k 值不变，利用反算的k 值预报下一施工工况的墙体位移值，以此形 成不断量测、不断反算、不断预报的施工反馈预报方法。q 8 盖挖逆作施 工时，连续墙与内衬共同组成挡土结构，其刚度随施工过程变化， 增量 法的应用可以 较好地反映基坑开挖和回筑过程中各种因素对连续墙的受力 影响。 而且，能 反映施工过程及使用阶段墙体受力变化的连续性。9 9 浙江大学从事基坑方面研究较多:将新兴的交叉学科遗传算法应用于 基坑土钉支护的 优化设计，实例证明优化效果明显;3 3 1 将b i o t 固结有限 元用于基坑性状的研究，分析表明，坑壁土体位移和支撑轴力的计算与实 测值基本吻和;针对基坑开挖对临近地下管线的影响 ，利用w i n k l e r 弹性 中南大学硕士学位论文 地基梁理论，建立了受基坑开挖影响的地下管线竖向与水平位移方程; 北京作为国家的经济、政治、文化的中心，如果依然采用明挖敞口、 切断交通的围 护方案显然不可能，为此北京加强对浅埋暗挖汉 的研究， 这 是一种基于 “ 新奥法”原理兴起和发展起来的技术，在此基础上北京天安 门东站把传统的 “ 盖挖逆作法”和 “ 浅埋暗挖法”结合起来形成 “ 条形基 础盖挖逆作法”;3 s 7 。另外，在天安门西站、王府井站及东单站也采用此 种方法。 上海地铁基坑大多处于 地下流塑及软塑粘土层2 5 7 ，为了 节约地铁基坑 围护成本，同济大学与上海地铁公司联合探索一条安全而又经济的软土深 基坑控制变形的技术途径， 依据时空效应3 4 认为:在基坑施工中， 适量 地减少每步开挖空间和时间并缩短每步开挖所暴露的挡墙的自由暴露时 间，可以明显地减少基坑位移，通过对控制变形难度较大的基坑工程施工 过程中各施工工序和施工参数及相应的基坑变形、坑壁荷载、支撑轴力和 地基土参数进行了大量的有计划的配套观测和量测，通过对相关数据的统 计、 分析和推导， 建立了考虑时空效应的基坑控制变形设计的理论和方法。 将此理论应用于上海地铁一号线徐家汇站深基坑，在满足了 保护周围环境 的要求下，节省了地基加固费用约 1 7 0 0 万;在上海地铁二号线深基坑中， 东方路、人民公园等 4个车站在施工过程，依据上理论节省费用约 1 3 0 0 万元。 2 0世纪 9 0年代以来， 在矿山工程中研究开采矿石对地面影响的随机 介质理论和方法 2 a : ，开始被应用于北京和深圳地铁中，初步解决了地铁 各种开挖方法地面各点变形的计算方法，获得了全套公式，并编制了相应 的程序。此方法经国内外数十个工程实资料的对比，己经证实了其准确性 和实用性，但这种理论和方法尚不完善，岩土体内部各点的位移和变形尚 无法计算，三维问题不能解决。由于各种原因导致地下水水位下降，形成 下降漏斗，疏水地面沉降可以用两个方法来预计:固液两相介质有限单元 法和随机介质方法与固结理论相藕合的方法，后一种方法在深圳和北京地 铁建设中已经得到逐步的应用。 广州地下铁道总公司与清华大学联合对广州地铁一号线车站的基坑围 广州地铁二号线车站基坑围护结构研究 护作了比 较详细的总结f i l l ， 对各种基坑围护型式提出相应的建议，提出 在设计挖孔桩的深度时要考虑基底风化岩层的抗力，同时提出解决的办 法，根据广州地层特点提出 土钉墙19 1 这种新兴的基坑围护方式。并对土钉 墙围护的机理作出深入的分析。 各个地区针对各自的特点不断地进行地铁车站基坑围护结构、施工方 法、计算理论进行探讨，这些经验的积累将极大地推动我国地铁事业的发 展。 1 . 2广州地铁车站基坑围护现状 1 . 2 . 1围护结构 广州地区地质条件多变，地铁车站多要跨过不同城区，每个区段的地 质条件都有所不同，更有甚者由于车站的规模较大，即使同一车站可能在 不同的部位会遇到不同的土层和岩层。广州地铁二号线从南到北地质条件 逐渐有所改善，但同样也会遇一些含水丰富的地层，断裂等。 在广州地铁二号线的车站中，有的位于江边的、有的位于公园附近、 有的位于火车站广场等，这些特殊的地理位置为车站基坑的设计带来重重 困难，也为车站基坑的施工提出了更高的要求。 在地铁一号线最长的车站一 芳村站，全长 6 8 7 . 8米，作为广州市地铁 一号线与二号线的交汇站公园前站是亚洲最大的地铁车站。 针对车站的地质条件、地理位置及车站规模，广州地铁采取了多种多 样的基坑围护型式，主要有连续墙、柱列式灌注桩挡墙、土钉支护和复合 土钉支护、内支撑等。 1 . 2 . 2围护结构与主体结构关系 地铁车站的围护结构和主体结构是在不同时段施工的，所以如何处理 两者的关系就变得很重要，广州地铁车站基坑的围护结构与主体结构可分 为四种类型; ” : 中南大学硕士学位论文 一、叠合墙结构 围护结构与内衬通过全面凿毛并设置足够的钢筋形成一个整体的叠合 墙结构，共同承受水土压力，变形完全协调一致。由于叠合结构刚度足够 大故内衬较小，一般内衬厚度为0 .4 一0 . 5 m。但这种结构内衬受外墙的约 束大， 后浇的混凝土容易产生开裂。 在外墙与内衬之间配置一定的连接筋， 使之在水平位移上相互协调，不仅增大了外墙对内衬的约束，而且由于凿 毛破坏了钢筋混凝土的保护层，使钢筋易锈蚀，工程实例证实，凡用该原 理设计的地下工程1 0 0 % 渗漏。 二、重合墙结构 围护结构与内衬靠紧贴在一起但中间夹防水隔离层，两者之间能传递 压力而不能传递拉力、剪力和弯矩，变形相互不协调，由于防水隔离层的 设置，各层板一般不与外墙相连接。使用期间板上竖向荷载通过节点只能 传递给内衬，当内 衬厚度小于板的厚度时，致使板的跨中弯矩及中间支座 弯矩增加，内衬厚度和配筋也相应增大。而且内衬须单独承受全水头压力 作用，内衬刚度及厚度需根据水头压力增大和增厚，这样加大地铁车站基 坑的宽度，增加了投资，但采用这种结构内衬开裂较少对防水抗裂非常有 、刚性结构 外墙与内衬之间采取一定的构造措施，使结构顶、中底板与外墙内衬 利三 节点刚性连接，同时外墙与内衬之间配置构造拉筋。这种结构两者之间能 传递拉力和压力和一定的剪力，节点处同时可传递弯矩确保外墙与板的节 点为刚接， 其余部分亦能协调变形， 使相对刚度较大的外墙充分发挥作用， 承受较多的外部荷载。因而内衬内力较小，配筋较少，一般厚度为 0 .2 一 。 .4 m。由 于可利用桩的侧摩阻力， 抗浮易于满足。 但这种结构在防 水及混凝土开裂方面与叠合墙结构性质一致，做到内衬混凝土不开裂和完 全不渗水，而且较薄的内衬，使内衬钢筋绑扎和混凝土浇筑都较困难。 四、分离式结构 围护结构与内衬墙完全分离，如放坡开挖、土钉墙支护，围护结构与 主体结构相隔一定的距离，内 衬墙独立承担使用阶段的水土压力，故内衬 广州地铁二号线车站基坑围护结构研究 墙一般较厚，基坑较宽，但是这种结构的防水抗裂能力非常好。 综 上 所述，不管哪种结构在施工时都要涉及到两个不同的工序及工 艺，拉大地铁车站的施工工期，增加地铁的建设成本。 1 . 2 . 3急待解决的问题 水土压力是进行围护结构计算的重要参数，在进行土压力的计算时存 在两种计算方式:水土合算与水土分算，针对这两种计算方式的争论一直 未得到统一，造成计算较为保守。对于桩式围护结构，在基坑开挖前的静 水压力不一定是原来的水压，因为桩的施工从上到下沟通了场内各层土的 连接， 使得原来的不透水层也出现了静水头压力， 但是随着开挖造成渗水， 如果水的补给不丰富， 水压就会随着施工开挖而降低或消失，当开挖完成 时，地下水又随着时间增长面逐渐积聚，这样在主体结构施工中，水压又 逐渐回升。如何在计算时考虑水压的变化将对设计的合理性起到致关重要 的作用。 与沪津的软粘土不同，广州地铁车站底板几乎都已深入到风化岩层。 一号线各站的挖孔桩插深对强风化层一般为4 m，微风化或中风化岩层为 3 . 5 m，而对于粉粘土则一般为5 一 6 m。微风化岩的强度高于桩身混凝土， 中风化岩的饱和抗压强度可达4 m p a ，强风化也可达0 a m p a，在多道支 撑情况下，如以水平地基系数计算，挖孔桩的深度将远远小于经验上的深 度。其插入深度的确定一直未得到解决。 围护结构与主体结构的分别施工有许多不利的因素，在地铁一号线中 也尝试当两者施工结合起，但还是未得到彻底的解决。 另外，如何解决在富含水地层中应用锚杆，如何确定支撑的道数及位 置也值得进一步深入的研究。 1 . 3 论文研究的主要内 容和目的 地铁车站的基坑工程在整个地铁建设过程中占有较大的比重，土建工 程的施工关系到其它工程能否顺利开展，可以说土建工程是其它工程得以 进行的前提，如何将这一关键环节做好显然有着重大的意义。 中南大学硕士学位论文 在以往的研究中，习惯于从理论到实践、从试验室到实际工程，这样 一条研究方法，往往把实际工程作为验证理论推导成果、试验室试验成果 的辅证。 在地铁车站基坑工程中， 这并不是理论与实践相结合的最佳形式。 目 前，基坑工程的计算理论几乎穷尽了所有能利用的数学、力学方法，但 由于岩土工程的复杂性以及其工程性质研究的滞后性，并不能较切合实际 地解决设计与施工问题，还得从大量的原始积累开始。多年的基坑工程实 践表明:实际工程是最好的原形试验，在试验室中无法考虑的诸多可变因 素在实际工程得到充分的反映，所以应该用实际工程中积累得到的实测资 料来建立新的设计施工理论或修正改进现有的基坑工程的设计理论进一步 提高设计参数的精度。 本论文对广州地铁二号线车站基坑的研究内容如下: 1 、阐述地铁车站基坑的围护型式 2 、对广州地铁二号线车站的地质条件及车站围护进行总结; 3 、应用模糊数学的综合评判模型评价各种车站基坑围护型式; 4 、对评价最优的人工挖孔桩进行改进，提出人工挖孔桩的单一结构， 采用新工艺，同时应用2 d一 ，对围护过程模拟，把所得模拟数据 与相关监测结果进行比较。 5 、对新型支护型式一 l x k工法，分析其原理，并对各种不同的l x k 锚进行试验总结。 广州市地铁建设正处于其高峰期，目前已规划到地铁八号线，如此巨 大的建设规模为基坑围 护技术提出更高的要求，如何在现有基础上更好地 控制成本、提高基坑围护水平，文中给出较好的基坑围护型式，对提高基 坑的支护效果，节约城市占 地空间，对今后的地铁设计与施工具有一定的 指导性意义。 广州地铁二号线车站基坑围护结构研究 第二章二号线车站围护实践 2 . 1 广州地铁二号线概况 2 . 1 . 1 地铁二号线及车站规模 广州地铁二号线从南边的琵洲站起至白云区的江夏止，线路全长 2 3 .2 6 5 k m。形成由南到北跨海珠区、越秀区、白云区的一条交通干线， 共设琵洲站、新港东、磨碟沙、赤岗、客村、鹭江、中大、晓港、江南西、 市二宫、海珠广场、公园前、中山纪念堂、越秀公园、火车站、三元里、 远景、体育馆、 新市、江夏， 地下线路长1 8 .6 5 k m， 其中 地下站1 6 座，地 面车站4 座。 地铁二号线1 6 个地下车站采用的基坑支护体系概括起来包括人工挖孔 桩、钻孔灌注桩、地下连续墙、土钉墙、l x k工法、水泥搅拌桩，其中 人工挖孔桩分为园桩和矩形桩，相对的地铁一号线来比较，地铁二号线车 站基坑在围护型式向多样化发展。 在明挖顺作的工程施工中，桩、墙挡土结构的支承大都采用多道内支 撑，也有个别车站采用背拉锚杆方式。根据不同的地质情况和不同的周围 环境安全要求，在同一车站中还往往采用了不同的类型的支护。下面将对 各车站的具体支护型式作一个概括总结。 2 . 1 . 2 工程地质及水文地质 地铁二号线自 琵洲站起依次经过海珠区、越秀区、白云区，整个地势 大致为两边低，中间高。但广州地区的地质条件复杂多变，主要表现为有 的地区岩层分布浅，在广州火车站岩石强风化带最浅埋深只有0 .2 m，最 大埋深有1 7 .2 m;在江南西站岩石强风化带最浅埋深有1 9 . 1 m，而最深处 埋深3 7 .4 m;不同的车站地质条件差别极大，而在同一个车站地质条件也 有很大的不同，有的地区淤泥层较厚，而有的地区淤泥层缺失。从总的方 中南大学硕士学位论文 面 来 看， 广 州 地区 的 地 表 层 为 第四 系 ( q ) ， 下 伏 基岩为白 m系 上 统( k _ ) 中间缺失第三系。从上到下依次为人工填土、淤泥层、冲一 洪积层、残积 层及风化层，各层土的具体表述如下: 1 ) 人 工 填 土 ( q , ) 在二号线中人工填土主要为素填土和杂填土。素填土的组成物为人工 堆积的碎石，砂土及粘性土，杂填土则在其中混杂砖块、混凝土碎块及生 活垃圾等。大部分地段此层欠压实，局部压实。 淤 泥 质 土 层( q a ) 淤泥质土层主要组成物为粘粒及有机质，具粘性。深灰色，灰黑色 流塑状，饱和。 淤泥质砂层 主要为淤泥质粉砂及淤泥质细砂，灰黑色，松散，饱和，海陆交互相 沉积。 冲 积 一 洪 积 砂 层( q s a ri p l ) 由 冲积、洪积作用而形成，主要为砾砂， 其次为粗砂，灰白 色、灰色， 稍密一密实，饱和，含砾石，含粘粒。 冲 积 一 洪 积 砂 层( s o r* 心 以细砂和中砂为主，次为粉砂，灰色， 灰黄色，含粘粒及砾砂，饱和， 呈松散状。 冲 积 一 洪 积 土 层( 9 a l+ p l ) 由冲积、洪积作用而形成的粘性土( 包括粉质粘土、粘土) 及粉土组成。 颜色一般为棕红色、 灰黄色、 深红色、 灰褐色， 杂白色等， 粘性土呈可塑一 硬塑状，粉土呈稍密中密状，具粘性。冲积一 洪积土层中在不同地段含 有砾砂及中粗砂等。 残积土层( q e l ) 广州地铁二号线车站基坑围护结构研究 由残积作用而形成的粉质粘土、粉土组成:粉质粘土以粘粒为主，粘 j性较强;粉土以粉粒为主，棕红色、紫红色等，粉质粘土及粉土呈可塑状 态。 残积土 层( q i ) 由残积作用而形成的粉质粘土、粉土组成，含有细砂、中砂、粗砂， 局部含砾石，粉质粘土呈硬塑坚硬状态。 6 ) 岩石全风化带 岩石已风化成土柱状或土块状，较密实、坚硬;岩石组织结构已基本 破坏，但尚可辨认;局部夹强风化岩块。岩石全风化带在可挖性方面属于 土层。 岩石强风化带 矿物成分已显著变化，风化裂隙较发育。岩芯较破碎，多呈碎块状， 岩质较软，遇水易软化。 岩石中风化带 岩石组织结构部分破坏，矿物成分基本未变化，风化裂隙较发育，岩 芯 较完整， 呈柱状或碎块状， 岩质较硬，岩石质量指标r q d值一般为 1 0 %一4 0 %，个别达8 0 %。 岩石微风化带 主要由粉砂岩、粗砂岩组成，局部夹泥灰岩、砾岩，中厚层状构造， 岩石组成结构基本未变化， 有少量风化裂隙。 泥质、钙质胶结， 岩质较硬， 岩芯较完整，一般以呈柱状为主，岩石质量指标r q d值一般为在 3 0 %一1 0 0 %之间。 各个站场的地下水按赋存方式分为第四系孔隙和基岩裂隙水两种。地 下水在各个车站的埋深不相同， 最深处达到6 m深， 而最浅处只有0 . l m深， 接近出露于地表，各个车站的地下水埋深情况见表 3 - 1 。冲积一 洪积土层、 残积土层，含水贫乏，透水性差，属相对不透水层。 表3 - 1二号线各个车站地下水及场地液化情况表 中南大学硕士学位论文 车站 地下水埋深单位:m 范 围平 均 渗透系数 单位:m / d 液化等级 琵州站 0 . 1 0 - 2 . 4 01 . 0 12 0 中等一严重 新港东站 0 . 3 0 - 2 . 9 01 . 4 55 . 0 1 0 中等一严重 磨碟沙站l . 1 5 . 3 . 7 0 2 . 9 41 1 . 3 3 轻微一中等 赤岗站 0 . 4 0 - 2 . 5 51 . 4 10 . 0 7 9 4 会产生液化 客村站1 . 3 5 -3 . 4 01 . 9 70 . 0 0 0 3 不会产生液化 鹭江站1 . 3 4 - 4 . 6 6 3 . 1 8 0 . 0 1 2 6不考虑液化 中大站0 . 8 9 -2 . 9 91 . 6 70 . 0 1 5 5不会产生液化 晓港站 1 . 0 0 - 3 . 6 72 . 1 20 . 0 1 7 2 不会产生液化 江南西站 5 . 0 3 - 6 . 0 05 . 5 10 . 0 0 5 8 市二宫站1 . 2 0 -3 . 7 0 0 . 0 4 5 中等一严重 海珠广场站0 . 2 2 7会产生液化 公园前站中等一严重 纪念堂站0 . 7 0 -4 . 1 0 1 . 8 6 中等严重 越秀公园站 1 . 6 0 -5 . 2 03 . 0 80 . 5 7 不会产生液化 广州火车站 0 . 3 8 - 1 . 4 00 . 8 34 . 2 0 不会产生液化 三元里站 1 . 3 0 -4 . 0 52 . 8 31 . 4 8 轻微 在姗级地震作用下，二号线最东边的三个车站由于砂层较厚，容易产 生液化，具体液化情况见表 3 - 1 ，而在其它车站如果不含有砂层就可以不 考虑液化，有些车站的砂层较薄，基本上不会产生液化。 尽管二号线车站所处地层的岩土类别复杂多变，但车站底部均已处于 或迫近风化岩层，在基坑开挖中不易发生深层软土中那种基坑隆起、踢脚 失稳等困难问 题，在地层变形控制上也要容易一些。在二号线东部地区地 下水位较高，水量补给丰富，且有较厚的淤泥层，在施工过程中也容易造 成涌砂或支护受力过大，并对环境安全造成威胁。 2 . 2 围护型式 2 . 2 . 1 人工挖孔桩 人工挖孔桩是广州地区深基坑施工中最习用的方法，即使在发达国家 这一方法依然有着很大的市场。当现场地下管线复杂且其准确位置又不清 广州地铁二号线车站摹坑围护结构研究 楚时，采用人工挖孔桩对这些设施有一定的保护作用。在地铁一号 线中有 1 0个车站使用人工挖孔桩，其中全部采用挖孔桩做为挡土结构的有 7个 地铁车站。而在地铁二号中也有 1 1个车站采用人工挖孔桩，其中全部采 用挖孔桩做为挡土结构的有8个。人工挖孔桩在地铁基坑中占 有如此高的 比率是由 人工挖孔桩的优点决定的。 1 、客村站 客村站底板埋深约 1 7 . 2 - 2 0 . o m ，相对较深。车站施工场地地质条件 为表层填土厚度为 0 . 3 0 m 了 . 2 0 m ;下有淤泥层 1 . o o m -5 . 3 0 m ;砂层及风 人二挖孔桩 五使火 莽二 三三 三 宕 三三铸三 二 二 一-、别， r， r勺 r 军下 气 分. 卜 we 第二次开挖面 、 万 沈巾 图3 一 1 鹭江站围护结构布置及地质图 化岩层，地下水位埋深 1 . 3 5 - 3 . 4 0 m ，平均埋深为 1 . 9 7 m 。车站采用矩形 人工挖孔桩， 支撑采用锚索及钢支撑。人工挖孔桩成孔尺寸为 1 0 0 0 x 1 5 0 0 m m ，车站主体围护结构在换乘节点段里程y d k 5 月8 0 至y d k 5 斗 2 5 2 采用 的人工挖孔矩形桩成孔规格为 1 2 0 0 x 1 5 0 0 m m ,矩形人工挖孔桩墙幅之间 接头采用 “ 凹” “ 凸”型接头，桩身混凝土 c 2 5 。根据车站基坑宽度的不 同分别采用钢支撑及锚索支撑，钢支撑采用( 6 0 0 m m ，厚度 1 4 m m ，及小 8 0 。 二，厚度 1 4 m m两种， 按平均水平间距不大于 3 . o m布置; 锚索支撑段 采用4 束 ( 7 4 ) 5 )钢绞线，水平向间距不大于 1 . 5 m . 2 , 鹭江站 中南大学硕士学位论文 此站的工程质条件较好，上部地层以杂填土、冲洪积土层为主，淤泥 及砂层在此车站几乎没有，下部为风化岩层，稳定水位埋深为 1 . 3 4 m - 4 . 6 6 m 。围护结构采用园形人工挖孔桩钢支撑的支护形式。人工挖孔桩的 直径均为 1 2 0 0 m m( 含护壁 1 5 0 0 m m ) ，桩心间距 1 1 5 0 m m ，沿车站外侧墙桩 心相割密排布置，桩身采用 c 2 5混凝土。分四层开挖，设三道支撑支撑为 ( 6 0 0 m m ，厚度 1 2 m m的钢管支撑，钢支撑控制轴力为 2 0 0 0 k n ，支撑需顶 紧冠梁 ( 或围凛) 。为减少开挖阶段桩体及桩外土体过大变形，对支撑预 加力，第一道支撑 2 0 0 k n ，第二道支撑 6 0 0 k n ，第三道支撑 3 5 0 k n ，具体 见图3 - 1 ( y d k 6 + 4 8 7 . 6 处的围 护结构剖面图) 。 3 、 中大站 中大站地质情况从上到下依次为杂填土 ( 0 . 2 0 m -2 . 8 5 m ) ，中砂 ( 厚 度为 2 . 2 0 m -3 . 2 0 m ) ，粉质粘土 ( 厚度为 1 . 1 0 m -7 . 6 0 m ) 、残积层、风化 层。稳定地下水埋深为 0 . 8 9 -2 . 9 9 m ，平均埋深为 1 . 6 7 m 。采用盖挖法、 明挖法相结合的施工方案，支护结构采用人工挖孔桩钢支撑，人工挖孔桩 的直径均为 1 2 0 0 m m( 含护壁 1 5 0 0 m m ) ，桩心间距 1 1 5 0 m m ,沿车站外侧墙 桩心相割密排布置。围护桩采用c 2 5 混凝土。 本站基坑开挖分四步， 设三道支撑， 第一次开挖面位于顶板以上0 . 5 m , 第一道支撑轴线高出 顶板面 1 . 3 m ，第二次开挖面位于中板面以上 0 . 2 m , 第二道支撑轴线高出中 板面1 . o m ，第三次开挖面位于底板在以上 1 . 2 5 m , 第三道支撑轴线高出底板面 2 . 0 5 m ，第四次开挖至底面后及时铺设垫层封 闭。上、中、下三道撑位于同一竖直平面上，第一道撑支顶于圈梁上，第 二、三道支撑支顶在钢围擦上。根据不同的位置设不同的支撑型式，车站 中部设钢管对撑，车站端部设钢管斜撑，钢支撑预加力见表3 - 2 a 表3 - 2钢支撑预加力表 ( 单位:k n ) 项目i 区对撑i 区斜撑i i 区对撑n l 区对撑i i i 区斜撑 第一道支撑 2 0 01 0 03 0 02 0 01 0 0 第二道支撑5 0 0 2 0 04 0 05 0 02 0 0 第三道支撑 3 0 01 5 02 0 03 0 01 5 0 注:表中 支顶力均为 垂直于围 擦方向的力，当 为斜撑时， 此力为斜撑支顶力在垂 直于围凛方 向的分力。 广州地铁二号线车站基坑围护结构研究 4 、 晓港站 晓港站的地质情况从上到下依次为:素填土和杂填土、海陆交互相淤 泥质土、 中砂及细砂、 粉质粘土、 岩石风化带， 本站稳定水位埋深为 1 . 00一 3 . 67m ，平均埋深为 2 . 1 2 m 。围护结构采用园形人工挖孔桩钢支撑的支护 形式。 人工挖孔桩的直径均为1 2 0 0 二 ( 含护壁1 5 0 0 mm) ， 桩心间距 1 2 0 0 mm， 沿车站外侧墙桩心相割密排布置 ( 图 3 一 2 ) 。人工挖孔桩入基底深度:当 吕马一日0司 生 犷 迢 路 毖 亘1 7 . 3 0 、 厂 一 诱 厂切 ( 1 )2 . 5 口 . 毕二皿些 四 抢 土 久 受 刀 纵 芯9 必 2 云 口目的万曰9州 一叫刀1 笼每哟侧赛召月 图3 一 2 围 护桩结构及配筋图3 一 3 地质及钢支撑布置 基底为全风化岩时不小于5 . 0 ; 中风化及微风化岩时为 2 . o m 。桩身采用 c 2 5混 凝土。基坑分四步开挖， 设三道钢支撑，钢支撑 为中 600 二 的a 3 钢，第 一层钢管厚度 1 2 mm，第 二道及第三道钢管厚度 为 1 4 咖 ( 图3 一 3 ) 。 当基底为强风化岩层时为 3 . sm;当基底为 了 e 厚 厄 这 塑 和 欲二 _ ，琠_ _二 工 5 、 江南西站 图3 一 4 江南西站人 e 挖孔桩相切图 中南大学硕士学位论文 北站厅的围护结构采用人工挖孔灌注桩加钢支撑，挖孔桩共有 1 0 6 根，桩径为 1 4 0 0 m m ，护壁厚为 2 0 0 m m ，桩间距 1 4 0 0 m m ，挖孔桩相切的大 样见图3 - 4 。人工挖孔桩采用跳挖法施工，施工净距不得小于4 . 5 m ，每节 进尺 0 . 5 -1 . o m ，第一节孔圈护壁应比下面的护壁厚 1 0 0- 1 5 0 m m ，并应高 出地面 1 5 0 -2 0 0 m m 。 上下护壁的搭接长度不得少于 5 0 m m 。挖孔桩插入深 度:基坑底面为全风化岩时，桩插入深度 5 . o m ;基坑底面为可强风化岩 时桩插入深度为 3 . 5 m ;基坑底面为中风化岩时，桩插入深度为 2 . 5 m 。北 站厅西侧距南丰商场较近， 在施工人工挖孔桩之前，在桩外侧从地面打入 小导管进行注浆加固地层，加固深度为 5 m ，间距 0 . 5 m 。南站厅围护结构 采用排桩与锚喷支护组合结构 ( 图 3 - 5 ) ，上覆土层围护结构采用人工挖 孔灌注桩， 共有1 0 0 根。 桩径为1 2 0 0 m m ，护壁厚1 5 0 m m ，桩间 距 1 5 0 0 m m , 桩身插入中风化岩 2 . o m 。内 支撑采用(p 6 0 0钢管支撑， 钢管壁厚 1 4 m m o 中风化岩层采用锚喷支护人工挖孔桩竖向钢筋保护层厚度 7 0 m m ，桩身采 一创创臼斗 用 c 2 5混凝 土， i 、i i 级 钢筋现浇。冠 梁也采用 c 2 5 混 凝 土 。 以 w z - 7型桩为 例来说明桩的 配筋，南、北 站厅内支撑采 用4 ) 6 0 0的钢 管支撑，钢管 壁厚 1 4 m m , 在基坑的中部 钢支撑采用间 人 工 挖 孔 班 l 图3 一 5 江南西站挖孔桩与摆喷桩位置 距 2 2 0 0 - 3 0 0 0 m m不等的对撑，在两端则采用 4 5 。的斜撑。在北站厅共设 五道支撑，每道支撑预加轴力为设计轴力的 0 . 3 -0 . 4倍，每道支撑每延 广州地铁二号线车站基坑围护结构研究 米设计轴力见表3 - 3 0 表 3 - 3支撑每延米轴力设计值 ( k n / m ) 支撑及轴力a -b 轴 角撑 b -h 轴 对撑 h -l 轴 对撑 l - n 轴 角撑 第一道支撑 4 6 03 2 52 9 46 8 3 第二道支撑9 6 7 6 8 46 4 41 2 4 3 第三道支撑 1 6 2 51 1 4 91 0 1 91 8 5 1 第四道支撑 1 6 2 01 1 4 69 9 21 6 0 8 第五道支撑 7 9 35 6 16 5 29 2 2 南站厅基坑开挖过程中共设有四道支撑，每道支撑预加轴力为设计轴 力的0 . 3 -0 . 4 倍，每延米支撑轴力设计值见表3 - 4 a 表 3 - 4支撑每