南京地铁张府园站结构设计与周边建筑物保护万芳

南京地铁张府园站结构设计与周边建筑物保护

摘 要 南京地铁一号线张府园站基坑开挖紧靠周边7层居民楼、14层办公大楼及6层住宅楼，土质状况复杂，施工条件差，周边环境保护要求高，采取多种方案，确保车站设计质量，配合施工单位综合采用了多种技术措施，并利用“时空效应”理论和信息化施工手段，安全、合理地完成了车站的施工。 关键词 车站 基坑 周边建筑 变形 沉降 监测

1 工程概况 南京地铁一号线张府园站位于市中心的中山南路与建邺路交汇处西北侧。车站沿南北向路侧布置，为地下二层岛式车站，顶板覆土2．21～2．64m，底板埋深约15．40～17．06m，主体结构外包尺寸为216．0m×21．4m，设三个出入口及若干风井。车站主体围护结构为地下连续墙，内衬为现浇钢筋混凝土框架结构，车站施工采用明挖顾筑法。由于本车站地处市中心区域，且车站沿路侧布置，在车站的西侧有多幢不同类型的地面建筑物距离车站基坑边约2．1～6．8m，为确保车站在施工期间周边地面建筑物的安全可靠，设计针对不同的地面建筑物的保护要求，采取相应的技术措施。严格控制基坑的变形和地表的沉降，保证了车站周边居民建筑、办公大楼及道路交通的安全，同时结合设计对施工也提出了具体的施工步骤要求和监测控制要求。

2 场地工程地质、水文条件 根据工程勘察资料分析，本车站范围属于秦淮河古河道地区，分布的土层主要是第四系，地势较为平坦，土体埋藏条件相对较为稳定。地下水以孔隙潜水为主，水位变化受大气降水渗入影响显著，一般水位埋深在地表下2．2～2．8m之间。车站埋深范围内的土层主要是以②-1-1d2-3粉砂、② -1-2c2-3粉土和② -3-1d3-2粉砂为主，其含水量较高、渗透性大、局部较松、欠均质、中低强度，其中在车站中板深度范网内厚度约2．5～4．5m的② -1-1d2-3粉砂土的水平渗透系数达到1．81×10—3 cm／s、在车站底板范围内厚度约5．0m的② -3-1d3-2粉砂土的水平渗透系数达到2．12×10—3 cm／s，另外在13．0～19．0m埋深范围内的土层还有轻微液化。针对这些土层特征，在车站基坑开挖施工中，通过合理地布置井点降水、适当地进行地基加固等措施是控制和防止这类土层出现流砂、坍塌和渗水管涌现象的有效方法。

3 周边环境 由于本车站沿中山南路的西侧南北向布置，就整个车站站位来讲，东侧为地面道路，西侧的南半部分靠近车站基坑没有地面建筑，而北半部分则有跑马巷7层居民住宅楼(其基础距基坑最近处仅有1．7m)和江苏省交通规划设计院14层办公大楼(距离基坑5m左右)，在车站的南北端还有张府园小区6层居民住宅楼(见图1)。根据车站基坑变形控制保护等级标准及本车站周边环境保护要求，本车站基坑保护等级为一级，车站设计(特别是围护结构设计)根据保护对象的不同采取了相应的技术措施，并对施工提出了具体的技术要求。

图1 张府园站平面（北端）

4 车站结构型式的选择 首先从本车站地质纵剖面上分析，整个车站基本上处于砂性土层之中，该土层含水量高、渗透系数大，且其水位变化受大气降水渗入的影响明显，通常状态下该土层土质稍密～中密、中等压缩、中等强度，然而一旦通过降水，土体强度提高很大。根据南京地区的这一地质特征条件，结合地铁车站本身的功能要求，设计进行了不同型式的结构方案的比选，如针对地下车站侧墙结构方案就进行了单、双层衬砌的方案比较。若采用单层衬砌、地下墙围护结构的接缝防水措施处理难度大、费用也高；从车站受力状况分析，本车站顶极覆土约2．5m，底板埋深相对较大，且根据车站建筑布置，车站中部主体部分为单柱双跨结构，车站两端的备用房部分为双柱三跨结构；另外，根据业主要求，在车站南端约100m范围内，车站顶部规划建造5～6层的地面建筑，经结构受力分析，本车站结构顶板、底板及侧墙均受到不均匀荷载的影响。对车站基坑开挖的稳定和车站使用阶段整体纵向沉降控制的设计都带来了一定的难度。基于上述原因，本车站侧墙结构设计最终选用了双层衬砌，此外，根据国外经验，在粉细砂土层中采用双层衬砌还可以减少发生流砂的机率。车站结构型式根据车站使用功能的不同，在有效站台范围采用了单柱双跨和在车站两端设备区采用了双柱三跨的箱形钢筋混凝土框架结构，基坑围护结构根据周边地面超载的大小及控制沉降、变形要求分别选用厚度为600rnrn和800mm的地下连续墙，基坑开挖阶段地下连续墙作为围护结构的受力体系，承受侧向水土压力。内衬结构回筑后，地下墙与内衬结构组成共同的受力体系。

5 邻近构筑物的保护 从前面的叙述中可以知道，在本车站基坑施工过程中需要重点保护的地面建筑物主要是车站基坑西侧的一幢7层居民住宅楼、一幢重4层的省交通规划设计院办公大楼和车站北端的“┐”型6层居民住宅楼。其中7层居民楼距离车站基坑边仅2．1～2．8m、14层的省交通规划设计院办公大楼距离车站基坑边仅5．3～6．8m、车站北端的6层居民住宅楼距离车站基坑边约5．0m，这三幢建筑在车站整个施工过程中都必须确保其正常使用。为确保这三幢建筑物的安全、可靠，设计根据这些地面建筑的不同基础型式、体量大小及距离基坑边缘的距离，分别采取了加大地下墙厚度、加深地下墙深度和采用钢筋混凝土支撑等不同的技术措施，进行有针对性的基坑设计。 5．1 针对7层居民楼和14层办公楼处的基坑设计 从平面布置图中可知，由于7层居民楼和14层办公大楼与车站基相邻，且距离基坑边缘仅2．1～6．8m(建筑外边线)，由于两幢建筑结构型式完全不同，7层居民楼为浅埋条形基础，基础埋深仅为0．9m，上部结构为砖混型式；而14层办公大楼为桩基础(有地下室)，上部结构为框架型式(具体情况见表1)。

表1 地面建筑基本资料表

针对以上数据，根据设计要求，对这些地面建筑物的保护等级为一级保护，设计将交点放在可能对该两幢建筑产生影响的基坑围护结构上。首先考虑影响范围，经过现场实地测量及基坑开挖可能对地面建筑影响范围计算，确定重点加强围护结构设计的范围约为70m(即（15）轴～（23）轴)。 5．1．1 基坑受力分析 由于两幢地面建筑均在基坑西侧，从基坑围护结构受力分析可以明显发现，该范围内的基坑横向受力处于严重的不对称状态。若不采取有效措施，基坑将发生严重的侧移，而侧移量的大小还将威胁到两幢地面建筑物的安全。为此，设计首先从控制基坑侧移入手，分别按两幢地面建筑不同高度计算出基坑一侧的地面超载，对于7层居民楼，其基础为一般条形基础，超载的作用面一般可按基础底面算起，也就是可近似地考虑作用在车站基坑的顶面；而对于14层办公大楼，其基础型式为桩基，超载的作用面应考虑桩基的影响，一般超载的作用范围应根据桩长分布，按实际情况进行计算。同时根据车站周边环境保护要求，按一级基坑保护的标准，控制基坑侧移大小，进行围护结构的设计。经反复计算，通过提高结构刚度，能够有效控制结构变形。为此，在该范围内，双侧围护结构采用了厚度800mm的地下连续墙，地下连续墙的深度达30．6m，超过了14层办公大楼桩基深度的16．0m，且地下连续墙进入到②-3-3b3粉质粘土达6m(见图2)。

图2 张府园车站横断面

5．1．2 基坑变形控制 基坑周边建筑物保护的关键实质上就是对基坑变形的控制。针对本工程的特殊情况，为了确保该两幢建筑物的绝对安全可靠，设计首先从加大围护结构的刚度，提高围护结构自身的抗变形能力角度分析；通过对600mm和800mm两种厚度的地下墙计算比较，选用了800mm的地下墙。其次根据该范围内围护结构单侧地面超载特大的现状，并结合基坑稳定计算和地下墙插人深度范围内的土层条件，合理地确定地下墙的人土深度：本范围内地下墙入土深度接近1．0H，地下墙全长约30．6m。根据地基基础设计规范计算基坑的抗隆起和抗倾覆的安全系数分别为Ks＝3．4 2．5和Ks=1．26 1．1，均满足基坑的要求。另外，根据以往的设计经验，围护结构体系中的支撑设计至关重要，特别是首道支撑的及时架设和基坑开挖过程中的支撑保护。为了确保本范围基坑施工的绝对安全，有效地控制基坑变形，设计在基坑表面、结合地下墙围护结构预圈粱设置了一道刚度相对较大的钢筋混凝土支撑，钢筋混凝土支撑断面尺寸800×1200，支撑间距约9m，端部采用八字撑与地下墙连接(详见图1)。由于第一道钢筋混凝土支撑是在基坑尚未开挖的状态下施工，所以对控制基坑开挖后的初始变形起到了极其重要作用。而对于第2道～第4道支撑，为便于施工，缩短基坑无支撑暴露时间加快施工进度，设计仍然选用了钢管支撑，但支撑水平间距则根据地下墙幅宽4m的特征，采用2m一根，而实际布置时将支撑设置在地下墙接缝的两侧，采用双拚形式，以达到加大钢支撑间距、方便基坑施工挖土的目的。 从前面的分析中可以知道，该范围内的围护结构两侧地面超载相差较大，从理论上讲，车站两侧的围护结构可以分别考虑，但是通过计算发现，基坑西侧的围护结构由于承受较大的地面超载，产生的内力也相对较人，而基坑东侧围护结构承受的侧向压力相对较小，产生的内力也小。但两者之间通过支撑有机地结合在一起。如果两侧围护结构刚度不同，而支撑轴力较大时，则容易造成基坑发生侧移，所以通过试算发现，只有增加基坑东侧的结构刚度，使两者的刚度匹配，才能达到平衡整个基坑的抗侧移能力。为此，采用了对称设计的思路，从设计计算上确保了整个基坑的安全。 最后，设计还对该范围内的基坑内侧土体进行了加固，以增强基坑内侧被动区土体的抗侧压能力。这样，从整个基坑的各个方面都进行了有针对性的加强，以确保基坑的整体稳定和绝对安全。 5．1．3 其他保护措施 由于该范围内西侧地下墙围护结构距离二幢地面建筑物很近，特别是7层居民楼为浅埋条形基础，基础外边距离地下墙导墙仅0．2～1．1m，为防止在地下墙成槽阶段就出现对二幢地面建筑基础的影响，设计将地下墙幅宽由通常的6m调整为4m，同时要求提高地下墙成槽阶段的泥浆比重，以确保地下墙成槽阶段土壁的稳定。然而在具体实施该方案的过程中，施工单位又根据设计方案进一步采取措施，加强了对这二幢建筑物的保护。具体措施如下： 首先选用隔断墙，所谓隔断墙法就是在已有建筑物与施工的地下墙之间设置隔断墙(详见图2)，以减少和避免土体位移与沉降对建筑物的影响，特别是14层办公大楼的桩基础距离地下墙也只有5～6m，桩长约16m左右，为摩擦桩。如果不设置隔断墙，则地下墙在成槽阶段就有可能因坍孔而造成桩基周边土体的松动，引起桩承载力降低或使桩基在土体中的应力传递发生重分布，引起土体和地面建筑物的不均匀沉降。从而对办公大楼的安全带来影响。为了保护7层居民楼和14层省交通规划设计院的办公大楼，施工采用了密捧钻孔灌注桩作为隔断墙，钻孔桩直径φ700，长度32．6m，比地下连续墙底深2m： 其次，采用了跟踪充填注浆方法来保护地面建筑物。即在地下墙完成后，随着基坑开挖、架设支撑施工的进行，逐步对各组注浆孔进行跟踪充填注浆，及时填充墙体背后出现的空洞，严格控制地面的沉降。 最后，施工单位根据设计对基坑开挖提出的参数，及时调整施工步骤，运用“时空效应”理论、控制基坑变形。特别在临近建筑物的开挖过程中，采用分段、分层、平衡、对称的开挖方式，快挖快撑，一般分层高度控制在4m之内，分段长度不超过6m，开挖时间控制在12～16小时，支撑时间控制在5小时之内。在限定的时间内和限定的空间内完成开挖及支撑，做到不超时、不超挖，有效地控制了基坑的变形。 5．2 针对车站北端“┐”型6层居民楼的保护设计在本车站的北端有一幢6层的居民楼距离北端头井较近(距基坑边约5．0m)。该居民楼上部为砖混结构，下部为条形基础亡在车站主体结构的基坑设计中，设计根据该建筑物的基础资料及基坑开挖的影响范围，采用加大地下墙插入深度范围和调整支撑布置，来控制基坑开挖变形。同时对北端头井基坑内侧坑底土体进行加固，以提高基坑被动区土体的抗剪强度，从而进一步保护基坑的安全稳定。而在车站西北侧风道围护结构设计时，由于缺乏对该范围内地下水来源的深入了解，围护结构选用了钻孔灌注桩加水泥土搅拌桩止水，中间采用注浆处理。在实际施工过程中，当基坑开挖至地下5．0m时，坑内就出现了不明方向的地下水从侧面和坑底不断涌入的现象，严重的影响了基坑的正常开挖，并影响到旁边的6层居民楼的安全。为此，施工单件被迫停止基坑的开挖，一边进行堵漏处理，一边调查寻找地下水的来源，由于钻孔桩与搅拌桩之间的空隙未能完全注浆处理，加上砂性土层在流动水源的作用下，导致了钻孔桩桩间出现渗水现象。通过及时的注浆处理，有效地解决了渗水问题，同时，针对基坑外侧存在的被截断的地下管道和已废弃的人防设施，施工单位及时采取了截流、堵漏和填埋等方式，有效地控制了地下水对基坑的侵蚀，使风道基坑得以顺利开挖。为此，施工单位不但在措施上增加了投入，而且还影响了工期。通过这次基坑施工，给设计也带来了考验，值得认真总结。对于砂性土层较厚、地下水复杂的区域，基坑围护结构的选择一定要根据这类土层的特性，采取具有较好抗渗、防漏的围护结构以确保基坑的开挖和周边建筑的安全。

6 加强监测，做到信息化施工 信息化施工是检验和保证设计与施工的重要手段，为了确保本车站范围内地面建筑物的安全、及时跟踪和掌握地面建筑物的状态是必不可少的。为此，本车站在施工过程中，针对三幢地面建筑物的不同要求，设置了多种不同的观量、测量仪器，做到每时每刻、全方位地掌握、了解这些建筑物的状态和基坑变形情况。主要设置的测量项目有：地下水位观察孔、地下墙侧斜仪、钢支撑轴力仪、钢筋混凝土支撑轴力仪、三幢地面建筑物距离基坑边不同点的沉降观察等。通过收集到的实测数据分析，基本反映了基坑施工过程中的受力变化状态。 如从图3中可以反映出车站主体地下墙围护结构在车站不同部位所产生的不同变形消况，在标准段、基坑围护结构为600m的地下墙设四道钢支撑，实测的最大水平位移达43．2mm，基本符合设计计算结果(设计计算最大水平位移为38.0mm)；而在特殊处理的有地面建筑物区域，由了地下墙选用800mm厚，且第一道为钢筋混疑土支撑和采取了坑内地基加固等措施。尽管地面超载很大，但实测的地下墙最大水平位移也只有30．1mnl(在7层居民楼附近)；?4层办公大楼处地下墙水平位移只有26．0mm，其最大位移速率为2．8mm／d。完全在设计所控制的范围之内；在车站的端部、实测的地下墙水平位移达到23．7mm，比标准段要小，说明坑内的地基加固起到了作用。另外，车站端部的转角幅地下墙也增加了基坑本身的刚度，对基坑的稳定带来的有利因素。从图3中还可以发现一个现象，即所有部件的水平位移都是西侧大于东侧，这也再次说明超载不同产生的结果。从整个基坑横向变形分析，并没有因为超载的不平衡而产生侧移，这同样说明了本车站基坑结构对称设计的合理性。

图3 地下墙水平位移

从图4中还可以反映出加固段钢筋混凝土支撑的轴力大小。从三组实测数据分析，基本反映了该支撑的轴力变化情况。整个监测期间，支撑轴力基本维持在2 100～2 600kN之间，而在80m范围两端的边跨支撑轴力在1 000kN左右。从受力角度分析，由于该支撑设置在地面(第一道支撑位置)，受力相对较小，设计最大值为3 600kN(9m范围)，而实测最大值达到3 400kN，符合设计要求。随着基坑开挖深度的变化，该支撑的轴力也随之变化，并出现受拉状态，完全符合墙体随基坑开挖深度的变化而变化所产生的不同变形的实际情况。

图4 钢筋混凝土应力

从图5中又可以反映出车站基坑开挖对三幢地面建筑物带来的沉降影响。其中7层居民楼影响最大，其距离基坑最近的边缘墙角两点最大沉降量分别为66．2mm和65．8mm。而随着距离的加大(即远离基坑边缘)，其沉降值也相应变小，一般也就在12mm左右；14层办公大楼由于是桩基础，通过设计与施工多道措施保护，实际车站基坑施工基本上未对其产生影响。实测大楼主体沉降值在6．2mm，日均沉降速率0．02mm／d，差异沉降斜率为1／8000，远远小于1／500的安全标准。但办公大楼南侧的裙楼沉降量相对较大，累计的最大沉降值达到47．6mm，并出现了办公大楼地下室与外界的污水管断裂现象(大楼外侧的污水管沉降相对大楼内部的污水管沉降较大)。而车站北端的6层楼居民住宅，在车站主体基坑开挖施工过程中基本上没有太大的影响，实测沉降值在14.9mm之内，日均沉降速率0．06mm，最大差异沉降斜率为1／1000，小于1／500的安全标准。但在随后的风道结构的基坑施工中，由于围护结构外侧的止水围帷没有做好，造成基坑开挖后出现大量拥水流砂现象，实际对该建筑产生一定的影响，但通过及时的堵漏、加固处理，并对该建筑物基础进行注浆加固，确保了其安全。综合整个测量数据分析发现，多数实测数据小于设计计算值，分析其中原因，主要是设计在考虑计算边界条件时都是按最不利状态进行分析，并考虑一定的安全度，而实际施工不一定都是最不利状态。

图5 地面建筑沉降值

从图6中就可以反映出部分情况，如设计计算时，水压力计算是按地面以下0．5—1．0m来考虑水头的。而实测地下水位一般都在2．0～3．0m之间，比设计值小，所以实测值小于设计值也就不难解释了。

图6 地下水位观测值

7 设计体会 通过对南京地铁张府园站的设计，特别是对车站周边地面建筑物采取的保护措施，起到了很好的效果。目前该年站主体结构已全部完成，经过对施工期间及施工之后的各类量测监控数据的分析，车站施工基本上没有对其边缘的三幢建筑物产生大的影响。整个施工期间，虽然三幢地面建筑都有不同程度的沉降，但都未出现影响住宅楼内居民日常生活和办公大楼正常工作的情况，也未发现类似门窗开裂或无法关闭的现象，这说明整个设计思路正确，所采用的保护方案合理，施工措施及时到位。通过设计总结，进一步认识到针对类似地下车站基坑边缘的地面建筑物的保护，重点是确保基坑结构的绝对稳定和严格控制基坑的侧向变形，而根据现场实际情况，有针对性的选用大刚度的钢筋混凝土支撑是控制基坑稳定和减少基坑变形的有效措施。从施工角度分析，确保地下墙施工期间的地面沉降，同样非常重要。施工单位为确保地下墙的施工质量，采取了许多合理的技术措施，特别是在地下墙开挖成槽之前，在受保护建筑物基础与地下墙导墙之间所采取的隔断墙保护措施，行之有效，确保了地下墙施工的顺利进行。在基坑开挖过程中，包站地下墙接缝在内的整个地下墙表面基本上没有出现太大的渗水点，这点非常重要。特别是本车站基坑大部分范围都处于粉砂土层之中，如果一旦出现渗水流砂，将会直接导致基坑周边地表的沉降，从而影响周边建筑的安全，后果不堪设想。对此，在其后施工的该车站西北角地下一层的风道基坑中就出现过这种情况。由于风道基坑较浅，设计采用了钻孔灌注桩挡土加水泥土搅拌桩止水，然而由于搅拌桩止水效果做不到位，就出现了大量渗漏的流砂现象，对基坑开挖带来困难。另外，这次在南京地区车站基坑施工过程中还出现在基坑底部大量冒水现象(特别是风道基坑的开挖)。针对这一问题，设计与施工密切配合，采取了多种技术措施，包括基坑加固、地面跟踪注浆、加厚坑底素混凝土垫层、减少基坑开挖面积、分段浇筑内衬结构等等，最终完成了整个风道、出入口的结构施工。这也给今后的设计提供了经验，即针对类似土层的基坑设计与施工，一定要做好围护结构的防渗漏工作，加强坑底超前降水，在基坑开挖之前一定要通过预先设置的井点提前降水，对于砂性土层，井点降水非常重要，它是加固土体、防止流砂的重要措施之一。一般井点降水效果很好，如果坑内水位降不下去，则说明坑挖水源在不断的补充，这时就应该及时进行查找，采取措施，进行补救，只有控制了地下水位就能确保基坑开挖的安全稳定。总之，通过这次南京地铁车站的设计及全过程施工现场的跟踪配合，从中积累了许多宝贵的经验，相信在今后的设计中一定会做得更好，同时，也能使自己的设计水平得到更大的提高。

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