浅谈地铁工程在花岗岩残积土地层的围护结构选用与计算

摘 要：本文结合某城际轨道交通车站的基坑工程，对地铁工程在花岗岩残积土层的围护结构选用与计算作一个阐述，并提出几点建议。关键词：花岗岩残积土、基坑工程、水土合(分)算

随着城市轨道交通的快速发展，地铁工程的基坑所遇到的地质情况越来越多，基坑的围护结构型式也多种多样，考虑地铁工程的周边环境一般都比较复杂,有些甚至位于老城区，各种建构筑物、地下管线多，对施工变形控制要求高；不确定因素多，施工难度大，施工工期压力较大等，因此基坑的设计与施工具有一定的高风险性，是地铁工程的重点和难点。

本文通过结合广州地铁六号线天河客运站车站的实例，主要从设计的角度，对位于花岗岩残积土地层的地铁基坑工程围护结构选用与计算，谈一些心得和体会。

1、工程概况与工程地质特性

(一)工程概况

广州市轨道交通六号线天河客运站位于广州市天源路西北侧，天河汽车客运站东侧，沿天源路呈大致东西向布置，南面紧邻广州市轨道交通三号线天河客运站，北面紧靠元岗批发市场。周边多为多层建筑物及城市道路，交通较繁忙。车站为地下四层车站，采用明挖顺作法施工。全长85.8m，标准段宽19.9m，车站埋深为32.42m；

(二)工程地质特性

车站位于广从断裂以东，瘦狗岭断裂以北的构造区，属东西向增城凸起的西部，主体构造呈东西向，天河客运站穿越的地层有第四系和燕山期侵入岩，从区域地质角度出发，现由新至老简述如下：

第四系包括全新统（Q4）和上更新统（Q3），其下缺失中更新统和下更新统。由人工填土（Q4ml）、冲积～洪积砂层（Q3+4al+pl）、冲积～洪积土层（Q3+4al+pl）、河湖相沉积土层（Q3+4al）及残积土层（Qel）组成。下伏基岩为中生代燕山期侵入岩，属燕山晚期第二阶段的元岗岩体，呈近等半径的岩基，东邻为罗岗岩体，西界为变质岩，以细、中粒花岗岩为主体岩石结构。

车站主体主要位于花岗岩残积土层中，根据其塑性状态分二个亚层：〈5H-1〉和〈5H-2〉，平均厚度2.85m和14.28m，由花岗岩风化作用而形成风化残积土，组织结构已全部破坏，矿物成分除石英外大部分已风化成土状，可见较多细片状黑云母，以粉粘粒为主，含较多中粗砂、砾石。它具有孔隙比大、液性指数较小，压缩系数较高，扰动敏感性较强，级配差，含砂量高，并具有较高强度指标等物理力学特性；其岩土工程特征为低变形性，遇水软化崩解，具有较强的亲水性，土样在不同含水量及干密度条件下对结构性有显著影响，天然状态下有较高的承载力和自稳能力，残积土中标贯试验与深度的变化关系较明显，随着深度增加，N值逐渐变大，且这种趋势随着残积层厚度的加大，变化趋缓。为具有一定结构强度的粘性土。

2、车站围护结构的选用

根据广州地区地铁工程经验，地下车站基坑可采用的明挖围护结构型式主要有有地下连续墙、钻(冲)孔灌注桩、人工挖孔桩等，选用哪种围护结构型式应根据基坑深度、水文地质、周边环境、场地条件、施工工期和造价等多方面因素决定。

本车站基坑深度达32.4米，且上部有较厚的软弱砂层，不能满足人工挖孔桩施工的相关规定，因此不能采用人工挖孔桩。考虑周边环境工程较复杂(临近三号线支线)，对基坑要求比较严格，对围护结构止水要求较高；本场地覆盖有较厚砂层，花岗岩残积土层含砂量高，具有一定的透水性(渗透系数k=1.5m/d)，含水量丰富，若采用钻(冲)孔灌注桩作为围护结构，桩间需设置旋喷桩止水，但从以往地铁的施工经验来看，在此类地层中不能很好的保证止水质量，为了保证基坑安全，防止周边地表和建筑沉降，止水是关键，因此决定采用止水效果更好的地下连续墙作为车站基坑的围护结构，槽段间采用工字钢接头，连续墙厚度根据计算选取，支撑形式采用钢筋混凝土支撑的形式。

3、围护结构的计算

围护结构受力计算采用增量法模拟施工全过程，采用弹性支点法和极限平衡法，模拟开挖支撑的实际施工过程。基坑外侧土压力按朗金土压力计算，砂性土层水土完全分算，考虑花岗岩残积为砂质粘性土，既有砂层的透水性，也有粘性土的水土和易性，所以此类地层单纯的按土水土分算或者水土合算来作为计算输入条件，都会与实际情况产生偏差，因此计算中对花岗岩残积土层采用水土分算，但适当对其中水压力进行折减，水压力的折减系数建议可根据残积土层的含砂量结合渗透系数等按0.6~0.8选取，地层中的其它土层可按水土合算。开挖面以下用一组弹簧模拟地层水平抗力，土的水平抗力系数按k法确定，计算采用“理正深基坑支护结构设计软件”按弹性支点法进行计算。

下面结合本工程的例子，对花岗岩地层采用水土合算、水土分算、水土分算但对水压力进行折减等三种工况进行计算，根据结果来看它们之间围护结构的变形和内力的区别。

计算条件：连续墙厚度按1m，支撑系统由上至下设置五道砼支撑；

地面超载：按20KN/m2计；结构自重：按25KN/m3计；

可塑状花岗岩残积土层＜5H-1＞：γ=18.4kN/m3，φ=23.5°,C=20.5kPa.

硬塑～坚硬状花岗岩残积土层＜5H-2＞：γ=18.8kN/m3，φ=25.6°,C=26.4kPa.

(其余土层参数略)

围护结构计算模型

花岗岩残积土层围护结构计算汇总表

数值

项目 最大位移(mm) 最大弯矩

(kn.m) 最大剪力

(kn) 支撑最大轴力

(kn)

水土合算 15.58 1665 1190 4678

水土分算 31.10 3061 1949 8914

水土分算但对水压力进行折减 20.9 2144 1423 6122

由此可以看出，采用水土分算但对水压力进行折减的计算结果，位于其它两项之间，而采用水土合算与水土分算，结果相差很大，采用水土合算结果进行结构构件设计，偏于风险，而采用水土分算结果又偏于保守，造成不必要的工程浪费。经过分析，建议采用水土分算但对水压力进行折减的结果，因为比较符合其地层特性，不会与实际情况产生太大偏差，而根据基坑开挖后的工程监测数据，也较符合计算结果，整个基坑系统也基本处于稳定状态。

几点说明：①本工程主要地质条件为花岗岩残积土，且分布广泛。一般埋藏深度较小，厚度较大，基坑设计条件的内侧水位随开挖过程变化，边开挖边降水，施工降水要求距开挖面按至少0.5m控制，以便保持开挖面干燥。

②由于设计过程中,一般不会将花岗岩风化层遇水软化、崩解作为荷载验算工况。因此，当基底位于花岗岩风化层时，建议对基底采取加固措施，避免施工过程中发生崩解,威胁明挖施工的安全。当不作加固处理且无可靠的措施保证时，建议计算中对围护结构被动区土层的计算参数降低选取，以策安全。

③花岗岩地层的节理裂隙水的水力联系较强，要较好的解决基坑内外的水力联系，围护结构嵌固深度应进入不透水层，或在围护结构的嵌固深度满足稳定性的前提下，在基坑外侧增加止水帷幕伸至不透水层。

4、结论

通过对上面的工程实例的简单分析，希望可对地铁工程在花岗岩残积土层的围护结构选用与计算上起到一个参考作用。当然，工程条件千变万化，应当在充分认识地质条件的基础上，结合其他因素综合考虑。花岗岩残积土虽然属于不良地质，但亦不用视若洪水猛兽，当设计方充分理解工程设计理念，施工方严格控制好施工质量管理，监理监管到位，监测及时规范，做到信息化施工的时候，相信工程必然可以顺利开展。

主要参考文献：

1、《岩土工程勘察规范》 GB 50021 2001

2、《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99

3、《广州地区建筑基坑支护技术规定》 GJB02-98

4、《基坑工程》刘宗仁