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（广州市地下铁道设计研究院 广州市环市西路204号 510010）
摘 要：文章对广州地铁二号线调整工程万胜围站的围护结构设计进行总结，分别对所采用的几种围护结构形式进行分析论述，以在满足工程工期的前提下，降低工程总造价。
关键词：地铁车站围护结构 设计
1 工程概况
万胜围站位于广州市海珠区东部的会展中心区域，距离广州国际会展中心约1公里，车站上部地块是预留博览中心备用地。万胜围站是广州地铁二号线和四号线的换乘车站，是广州地铁第一个一次设计一次施工完成的换乘车站。为了乘客换乘方便，万胜围站建筑布局采用十字型方案，东西方向为单层的二号线车站，南北方向为双层的四号线车站，中间交叉节点是乘客换乘的站厅。二号线车站长度174m，四号线车站包含了站前折返线，长度304m。整个车站规模较大，总建筑面积为22000m2。
2 车站施工分期步骤
万胜围站二号线方向顶板上方是东西向的市政交通主干道新港东路，车站施工期间不能中断道路交通。为此施工策划考虑将整个车站分成A、B、C三个区，施工分两期进行，第一期施工A区和B区，在C区铺设交通便道，新港东路的车流疏解到C区通过。第二期在A、B区施工完成后，新港东路的交通恢复到A区，然后施工C区车站结构。三个施工区的围护结构根据各自的外部条件分别选取适用的方案。
图1：车站总平面图
3 A区围护结构型式
拟采用土钉、预应力锚杆加搅拌桩联合支护结构的围护结构型式，这种围护结构型式在广州地铁的基坑工程中是第一次采用。
该种围护结构型式实质上是一种复合型土钉墙结构。上部局部放坡以减小地面荷载，在基坑边设计两排Ф600深层搅拌桩作为止水帷幕, 搅拌桩桩体互相咬合150mm，进入相对不透水层0.5m。在深层搅拌桩施工完后用地质钻机成孔插入Ф114厚4mm的钢管，嵌入强、中风化岩层1m，钢管内注入水泥浆，形成超前微型桩，它的作用是在早期开挖过程中，在土钉施工之前，控制土体的侧向变形以提高基坑稳定性。土钉体内的受拉构件为Ф48x3.5或Ф60x4钢管，管壁上钻孔作为注浆孔，并焊接角钢倒刺以保护注浆孔，用机械方法将钢管打入土层内，在打入的过程中管壁上的角钢倒刺将土体挤开形成Ф120的空间，然后向钢管内注浆形成Ф120的土钉体，土钉平均长度约14 m ~20m，水平和竖向间距平均为1m。在强、中风化岩层内，土钉筋体改用粗钢筋。预应力锚杆直径为150mm, 杆内放置3x7Ф5钢绞线, 注浆后施加预应力300kN, 要求预应力锚杆的锚固段进入中、微风化岩层中。锚杆的锚头处设置钢筋混凝土腰梁，基坑面层挂钢筋网并喷射混凝土。
土钉、预应力锚杆加搅拌桩联合支护结构的设计计算主要分三部分，第一部分为整体稳定性计算；第二部分为预应力锚杆的计算；第三部分为土钉配筋面积计算。
图2：整体稳定性计算简图
整体稳定性计算根据施工过程中每一步开挖过程以及基坑底面以下的最危险滑动面采用圆弧滑动简单条分法进行计算，见图2。计算公式如下：
∑cili+∑(wi+qobi)cosθitgφi+∑Tj[cos(αj+θj)+ sin(αj+θj) tgφj]/sxj-1.3γo[∑(wi+qobi)sinθi]≥0
式中：n─滑动体分条数；
m─滑动体内土钉数；
γo─基坑侧壁重要性系数；
wi─第i分条土重；
bi─第i分条宽度；
ci─第i分条滑裂面处土体固结快剪粘聚力标准值；
φi─第i分条滑裂面处土体固结快剪内摩擦角标准值；
φj─第j根土钉与滑裂面处土体固结快剪内摩擦角标准值；
θj─第j根土钉滑裂面中点切线与水平面夹角；
αj─土钉与水平面夹角；
li─第i分条滑裂面弧长；
sxj─第j排土钉的水平间距；
Tj─第j根土钉及锚杆在圆弧滑裂面外锚固体与土体的极限抗拔力；
qo─地面荷载。
预应力锚杆在联合支护结构中起重要的作用。一般的土钉墙结构的变形模式近似于重力式挡墙，其水平位移随着基坑开挖深度的加深而不断发展变大，水平位移数值的特点是基坑上部较大而下部较小，坑底处的位移值为0，整个土钉墙体有向基坑内前倾的趋势。在一般的土钉墙结构的基础上增加2道~3道预应力锚杆，解决了水平位移过大的问题。
土钉配筋面积计算是根据单个土钉承受土体自重及地面附加荷载所产生的水平力计算土钉配筋面积，其计算公式如下：
1.25γoTk=fyAs
式中：Tk─土钉受拉荷载标准值；
As─土钉配筋面积；
fy─土钉筋体受拉强度设计值。
4 B区围护结构型式
B区处于较密集的建筑区内，车站结构周边距离10多米外有多幢3~4层框架结构的厂房、住宅楼，其基础为柱下独立浅基础，对地基持力层的沉降较敏感，要求围护结构的水平位移以及漏水量要小。B区结构建成后将作为南向盾构区间的始发井使用，因此不能使用土钉、锚杆等占用地下空间的构件。根据这些外部因素我们选用钻孔灌注桩加钢管内支撑的围护结构型式。这种围护结构型式的优点是水平位移小，一般小于20mm，桩间用旋喷桩止水以控制地下水的渗漏，能够满足较严格的地面水平变形及竖向沉降的要求。该种围护结构型式在广州地铁的基坑工程中普遍使用。
钻孔灌注桩桩径为1000mm，桩中心距为1100mm，钢支撑采用直径D=600mm，t=16mm的钢管, 钢材型号采用Q235。
围护结构的计算模型采用侧向地基上的杆系有限元法，钻孔桩背面作用有水土压力，内侧的钢支撑和开挖面以下的地层以弹簧模拟。沿车站纵向取一延米作为计算单元。模拟施工过程中每个阶段的荷载和支撑条件的变化对钻孔桩产生的内力增量和位移增量，采用增量法进行计算，以得出与实际受力情况较接近的计算结果。在每一施工步骤中施加相对于前一施工步骤的增量荷载，得出本步骤的钻孔桩内力和位移的增量。将本步骤及以前步骤的内力增量和位移增量叠加就得出了实际的内力和位移。
5 C区围护结构型式
车站施工的第二期工程是C区，此时A、B区施工已完成，新港东路的交通恢复到A区。C区施工场地开阔，周边无建筑物也无地下市政管线，具备良好的放坡开挖条件。C区的工期要求比较紧，如果采用土钉、预应力锚杆加搅拌桩联合支护结构则不能按期完工。较厚的淤泥质粉土和淤泥质粉细砂层不适宜直接放坡，考虑将软弱土层加固后再进行放坡。加固土层有搅拌桩、旋喷桩、钻孔注浆等方法。场地下的软弱土层标准贯入击数在15击以下，适宜采用造价低廉的搅拌桩，桩底到达软弱土层下部的为强风化砂岩层面即可。搅拌桩平面布置为桩体互相咬合150mm的格栅型,搅拌桩加固后的固结水泥土与原状软弱土的置换比例约为70%。
搅拌桩加固后放坡的支护结构型式其计算模型仍是圆弧滑动简单条分法，分别选取几个危险滑裂面进行计算。而土体固结快剪粘聚力标准值和土体固结快剪内摩擦角标准值采用加固土体后的综合值，计算公式如下：
c= c1θ+ c2(1-θ)
φ=φ1θ+ φ2(1-θ)
式中：c─综合土体固结快剪粘聚力标准值；
c1─搅拌桩桩体固结快剪粘聚力标准值；
c2─原状土体固结快剪粘聚力标准值；
θ─搅拌桩加固后的固结水泥土与原状土的置换比例；
φ─综合土体固结快剪内摩擦角标准值；
φ1─搅拌桩桩体固结快剪内摩擦角标准值；
φ2─原状土体固结快剪内摩擦角标准值；
6 三种围护结构型式的比较
三种围护结构型式分别适用于不同的地层并各有其优缺点，其特点归纳见表1：
表1：围护结构特点比较
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型式
项目 |
土钉、预应力锚杆加搅拌桩 |
钻孔灌注桩加钢管内支撑 |
搅拌桩加固后放坡 |
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适用土层 |
淤泥质土层、淤泥质细砂层 |
所有土层 |
淤泥质土层、淤泥质细砂层 |
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工期 |
工续较多，土钉、预应力锚杆需分层施工，工期较长。 |
工期较短 |
工期较短 |
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周边的限制因素 |
地面两倍基坑深度范围内无建筑物，土钉、预应力锚杆长度范围内无地下建筑物和市政管线。 |
无限制 |
地面一倍基坑深度范围内无建筑物 |
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造价 |
12m厚淤泥质土层，15m深基坑每延米围护结构综合造价2.3万元，造价最低。 |
3万元，造价较高。 |
2.4万元，造价较低。 |
7 结束语
万胜围站已于2005年12月随广州地铁二号线调整工程的开通而投入使用，施工期间的观测结果表明三种围护结构型式均是安全可靠的。地铁车站围护结构设计属于深基坑工程支护设计，在保证工程安全和满足工期要求的前提下，综合考虑地面空间和地下空间的施工条件，不必局限于一种型式，可灵活采用多种适用的型式以降低工程总造价。
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