地铁车站软土地基变形计算及处理方法*

李 智

(广州地铁设计研究院股份有限公司，510010，广州//工程师)

目前，对地铁车辆段软土地基(以下简为“软基”)加固[1-2]及地铁区间隧道软土地基加固[3-5]的相关研究已较多，亦有对车站主体结构基底加固的相关文献[6-11],但这些研究仅注重于施工技术[6，10-11]、数值分析[7]以及基坑控制[8-9]等方面，对基底承载力及变形的计算未见论述。实际设计时，车站基底加固一般根据经验，综合考虑基底承载、变形及基坑开挖因素，由相关权威专家拍定加固方案。

本文依托佛山地铁3号线大墩站一期工程，首先对软基加固必要性进行了深度分析；其次对目前常见的几种软基处理方案进行综合比选，提出了不考虑施工因素时的较优处理方案，并成功应用；最后根据目前行业状态、施工效果及软基车站位置，提出了地铁软基加固更加合理化的相关建议。

1 工程概况及水文地质条件

佛山地铁3号线大墩站位于现状荷岳路与规划文华南路交叉口，沿规划文华南路呈南北向布置。车站总长473.6 m，共设4个出入口及2组风亭，周边以鱼塘及空地为主。

本站分两期施工。一期基坑位于荷岳路路中以北区域，长86.75 m；二期基坑为荷岳路路中以南区域，长386.85 m。其中，一期基坑标准段宽19.7 m，深约16.6 m，采用800 mm厚地下连续墙+3道支撑。标准段第一、二道为混凝土支撑，第三道为双拼钢支撑，两端均采用3道混凝土支撑。基坑开挖范围内主要为鱼塘回填土、素填土、粉质黏土、淤泥质粉细砂、淤泥质土。基底主要位于淤泥质土层中，基底下软土厚度约6～11 m，如图1所示。软土层相关参数如表1所示[12]。

图1 大墩站基坑标准段横剖面图

表1 大墩站基底软土层主要物理力学参数

2 加固必要性分析

对地铁车站而言，普通两层站埋深均在15 m以上，软基以淤泥、淤泥质土及淤泥质粉细砂为主。地铁结构对地基承载力及变形控制要求较高，尤其是车站主体，沉降较大时将影响行车安全，需重点控制。

地铁车站修建完成后，地铁车站结构(空心)替换了同等体积的原状土，减轻了基底的压力，且水位恢复至地面后，地铁车站结构尚需采取抗浮措施，因此，许多业内人士认为不必计算基底承载力及变形。但地铁车站施工不是瞬时完成的，车站基坑开挖后，坑底竖向荷载变为零，相当于卸载，此时坑内土体会回弹，主体结构施工及覆土时，在基底上加载，基底被压缩。整个车站施工过程中，基底变形为先回弹，再压缩，其回弹再压缩变形不能忽略，尤其是软基车站更不能忽略。本文从地基承载力、变形及基坑计算等方面进行分析。

2.1 地基承载力

图1所示的是普通标准两层地铁车站，埋深3 m，顶、中、底板及侧墙厚度分别取0.8 m、0.4 m、0.9 m及0.7 m，顶、中、底板梁尺寸分别取1.2 m×1.8 m、0.8 m×1.0 m、1.2 m×2.0 m。覆土重度取20 kN/m3,混凝土重度取25 kN/m3。经计算，施工期间(覆土完成，水位未上升时)覆土荷载为60 kPa，顶板自重荷载为20 kPa，中板自重荷载为10 kPa，底板自重荷载为22.5 kPa，侧墙自重荷载为20 kPa，梁自重荷载为3.8 kPa,则覆土后基底压力pk=136.3 kPa。

基底淤泥质土经深度修正后的地基承载力特征值[13]为：

fa=fak+ηbr(b-3)+ηdrm(d-0.5)

(1)

式中：

fa——修正后的地基承载力特征值，kPa；

fak——地基承载力特征值，取勘察报告值(60 kPa)；

ηb,ηd——分别为底板宽度和深度地基承载力修正系数，对淤泥质土，ηb=0,ηd=1；

r——底板以下土的重度，取浮重度，对淤泥质土，r=7.4 kN/m3；

b——基础底面宽度，b=3～6 m；

rm——底板以上土的有效加权平均重度，考虑基坑开挖前降水,取rm=17.4 kN/m3；

d——车站底板埋深，d=16.38 m。

计算可得，fa= 336 kPa。修正后的地基承载力远大于基底压力，地基承载力满足要求。

上述计算仅考虑了结构本身所需的承载力，施工期间，施工机械所需的承载力与机械型号及施工方式有关，未加固时可能存在机械陷入基坑情况，此时，应做好开挖前的排水固结等相关措施。

2.2 基底变形

普通民建的上部结构变形主要由附加荷载引起，计算时一般忽略基础开挖期间土层的回弹再压缩变形。与地上结构不同，地铁车站全部埋置于地下，其变形主要为回弹再压缩变形。针对图1所示断面，对未采取软基处理时的变形进行分析。为简化计算，近似取基底以上土层平均重度为17 kN/m3，基底以下淤泥质土层厚度取11 m。

2.2.1 地基回弹变形计算

地基回弹变形量计算式为：

(2)

其中

pc=rcd

(3)

Eci=e0Es(0.003 2pc+1.5)

(4)

式中：

sc——地基的回弹变形量，mm；

ψc——回弹量计算的经验系数，取1.0；

αi、αi-1——分别为基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数，按《建筑地基基础设计规范》[13]附录K取值；

zi、zi-1——分别为基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离，本文中zi=11 m,zi-1=0；

pc——基底承受过的历史最大压力，按开挖前基底以上土层质量计算，kPa；

rc——基底以上土层平均重度，考虑基坑开挖前降水，取rc=17 kN/m3;

Eci——土的回弹模量，根据文献[14]计算，kPa；

e0——基底以下软弱土层孔隙比；

Es——基底以下软土层压缩模量，MPa。

将参数代入式(2)～(4)，计算可得：pc=278.46 kPa,Eci=9.213 MPa，sc=309 mm。

2.2.2 回弹再压缩变形量计算

文献[12]中无软土临界再压缩比例及临界再加载比例，本文近似按线性比例进行计算：

(5)

式中：

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[15]要求，地铁结构竖向位移控制值为20 mm,故上述软基需进行处理。

2.2.3 不考虑底板荷载的回弹再压缩变形量计算

当变形发生在中板施工之前时，可通过增加轨道高度及调整中板标高的方式处理。实际计算变形时，可在卸载及再加载中扣除底板自重荷载22.5 kPa,即:

pc=255.96 kPa

(6)

pk=113.8 kPa

(7)

将式(6)和式(7)代入式(5)，算得回弹再压缩变形量为137 mm，仍不满足要求。

2.2.4 基底不同软土厚度回弹再压缩变形量计算

大墩站一期基坑基底软土厚11 m，计算变形较大，需采取加固措施，但具体软土多厚时需进行加固，目前尚无相关理论。本文对普通地铁车站不同软基厚度变形量进行了计算(见表2)，结果表明，基底变形约为软土厚度的0.015倍，基底存在软土时均需处理。

表2 地铁车站不同软基厚度变形量

2.3 基坑开挖验算

利用里正深基坑软件对图1断面进行计算，计算结果如表3所示。

表3 大墩站基坑计算结果

由表3可知，加固后基坑能有效减小围护结构变形和连续墙内力，并能加大被动区的土压力。在基坑周边存在重要建(构)筑物时，加固作用明显。

3 软基处理方案

3.1 常用软基处理方案

目前，常用的地铁车站地基处理方案主要有钻孔桩、堆载预压排水固结法、强夯或强夯置换法、高压旋喷桩、三轴搅拌桩[1-11]等。各方案的优劣如下：

(1) 钻孔桩:是一项成熟的地基处理方案，近年来较多应用到地铁车站结构，其优点在于受力明确，工程造价相对较低，缺点是不能有效减小基坑开挖期间的变形，一般需与其余加固方案联合使用。

(2) 三轴搅拌桩：目前我国华东、华南地区较多采用三轴搅拌桩加固，其施工工艺已较成熟，但造价相对较高。

(3) 堆载预压排水固结法：该法造价较低、技术简单，但施工周期长，在地铁工程中一般用于需大面积软基处理的车辆段及停车场等。

(4) 强夯或强夯置换法：此法造价最低，但置换增加了基坑深度，增加了基坑开挖风险，一般应用于局部基底软土较薄区域。

3.2 方案比选

大墩站一期施工段基坑总长86.75 m，长度较小，不适宜采用堆载预压排水法;基底软土厚6～11 m，不适宜采用强夯或强夯置换法。参考广州、宁波、上海等地做法，通过设计总体组统筹分析，形成图2所示的4个软基处理方案并进行比选。

a) 方案一b) 方案二

c) 方案三d) 方案四

尺寸单位：m

图2 大墩站软基加固方案

3.2.1 方案一：桩基+牛腿+三轴搅拌桩抽条

三轴搅拌桩抽条：由于软土基坑开挖期间外侧土压力较大，内侧软土能提供的被动土压力有限，在不加固的情况下，变形不受控，因此，考虑在连续墙接头部位进行抽条加固。抽条加固宽度2.05 m，横向间距6 m(连续墙宽度)，加固至基底以下4 m，相当于一道支撑作用在连续墙上，减小连续墙竖向及横向跨度，减小基坑开挖期间变形。

桩基：承担柱子向下传递的竖向力。

牛腿：承担侧墙向下传递的竖向力。

本方案受力明确，造价较低(每延米约4.7万元),但对牛腿预埋件要求较高，受控于施工方。

3.2.2 方案二：桩基+三轴搅拌桩抽条

三轴搅拌桩抽条及中部桩基作用同方案一，两侧采用桩基替换方案一中的牛腿。其优点在于质量可控,缺点是承台施工周期长，不利于快速封底,且改变了两侧墙结构受力状态，使结构受力复杂。本方案对防水施工影响最大，造价约为每延米5.0万元。

3.2.3 方案三：三轴搅拌桩裙边+抽条

横向抽条除有类似方案一中的支撑作用外，与中部纵向抽条、两侧裙边共同形成复合地基。中部抽条、裙边与方案一中桩基、牛腿的作用相同。本方案仅采用一种加固手段，施工方便，且裙边对基坑开挖变形控制有利，基坑开挖风险更低,但其造价相对较高。按加固至基底以下11 m时计算，造价约为每延米9.2万元，接近方案一加固费用的2倍。

3.2.4 方案四：桩基+三轴搅拌桩裙边+抽条

桩、抽条与裙边的组合，中间一排桩替换方案三中的中部纵向抽条。此方案中桩、三轴搅拌桩优劣同上，造价高于方案一和方案二，略低于方案三。

3.2.5 综合比选

综合上述分析，各方案优缺点见表4。大墩站主要从造价和施工风险方面考虑。方案一与方案二造价相对较低，但方案一未改变主体结构受力状态，风险较方案二低。方案一比方案三、方案四风险稍大，但方案三、方案四造价接近方案一的2倍。综合考虑上述方案优劣及佛山地铁3号线相关情况，本站加固方案选择方案一。

表4 大墩站软基加固方案比选

4 施工情况

目前，大墩站一期已施工完毕，基底承载力及沉降经复核满足要求。施工期间，图1中断面基坑两侧连续墙实测位移与计算位移如表5所示。

由表5可知：① 计算与实测位移在开挖期间增长较快，回筑阶段变化较小,最大监测位移大于最大计算位移;② 开挖第二层土时，设计工况(加固及不加固)计算位移均大于监测位移，之后监测位移均大于计算位移(这是因为第三道钢支撑架设不及时，导致第二、三层土同时开挖，连续墙位移发生突变,同时牛腿钢筋接驳器预埋位置不准，导致大量植筋，延长了工期，加大了变形;③ 东、西两侧监测点扣除超挖变形影响后，最终变形分别为29.7 mm、28.8 mm，与设计变形最大值27.94 mm接近，说明加固效果与设计吻合。

表5 大墩站一期施工各工况连续墙位移对比 mm

5 结论与展望

5.1 结论

(1) 软基车站结构基底承载力满足要求，施工期间需做好排水固结或采取有效措施保证机械施工安全。

(2) 无上盖地铁车站基底变形可按回弹再压缩进行计算，基底存在软弱土层时，需采取加固措施，以满足竖向变形要求。

(3) 加固对基坑开挖变形及内力控制作用明显，周边存在重要建(构)筑物时，需按加固控制。

(4) 牛腿+桩基+三轴搅拌桩抽条加固方案费用最低，但需严控施工质量，否则将影响牛腿质量及加大基坑开挖风险。

(5) 不考虑费用时，三轴搅拌桩裙边+抽条方案最优，但目前无加固后回弹试验作为支撑，其具体加固效果尚有待研究。

5.2 展望

(1) 建议地铁软基勘察报告提供基底回弹、再压缩等相关参数，为相关设计提供依据。

(2) 针对城市建成区软土基坑，可对方案三进行局部加固研究，提出最小加固厚度比，并考虑人工费等，与其余方案进行比选。对处于未建成区的软土基坑，考虑周边基坑开挖进行主动保护设计，提出加固要求。

(3) 有条件时，可对不同加固方案的基底最终沉降量进行监测，并与理论计算进行对比分析，从控制变形角度评判加固方案的优劣性。