新建站房临近既有铁路线基坑围护体系选型方案探讨

储天月 上海铁路局建设管理处

1 工程概况

1.1 工程基本情况

新建杭州东站站房工程位于杭州市江干区，周边有沪杭甬高速、德胜快速路等城市道路。站房建筑共六层，地下一层为出站层，地下二、三层为杭州地铁东站站，地上为站台层和高架层。站房总建筑面积为155569m2（地下67438 m2，地上88131 m）2，站房主体建筑东西向长463.45m，南北面宽143.60m。工程等级为特级，耐久年限为100年，结构安全等级为一级。

沪昆铁路线的存在将新建站房工程分为东西中三个施工区域。基坑工程在沪昆铁路线（位于待建站房中部区域）东西两侧(一期和二期)，基坑基本同时支护开挖，西侧基坑距离既有线约26m，东侧基坑距离既有线约49m，基坑开挖深度为8.55 m，围护体系长度为217m，基坑重要性等级为一级。

1.2 工程地质和水文条件

工程地基土有10个工程地质层及若干亚层，以砂质粉土为主。

工程浅层地下水属孔隙性潜水，主要赋存于表层填土及2～6层粉土、粉砂中，由大气降水和地表水径流补给，地下水位随季节变化。浅层地下水水位年变幅为1.0～2.0 m，多年最高地下水位约埋深0.5～1.0 m，抗浮水位取高程5.0 m。

1.3 施工现场调查

基坑周边施工条件复杂。上部有既有线以及附属构筑物，紧邻基坑支护存在大小不等的承台基坑；在东西通道基坑下部有地铁1号线和4号线分别采用盾构穿越和盖挖逆作通过；在基坑东侧有在建的地铁杭州东站站，其施工范围与本工程交错进行。

该既有线是沪昆正线，它与多条铁路干支线相连，是我国长江以南东西向最重要的繁忙干线，在沟通华东与华南、中南、西南及华东地区内部之间起着积极作用，不能停运，必须保证东站施工全过程的畅通和运营安全。这就对基坑围护的安全提出了更高的要求。

2 围护方案选型依据

基坑围护体系选型需考虑以下因素：

(1)站房外围总体围护体系已经确定，并进行施工。

(2)由于铁路线的沉降要求较高，全过程需控制在20 mm以内，应避免采用坑外降水的形式。

(3)依据铁路相关规范，基坑变形需控制在2 cm以内，绝对不能突破该警戒值，否则将视为危及铁路运营线安全，需立即启动铁路抢险应急预案，后果影响较严重。

(4)在自然地面以下15 m左右（相对标高-20.25 m）有地铁盾构线路穿越，所选围护形式必须保证日后不成为地铁盾构穿越的障碍物。

(5)该围护为临时支护，待铁路线转线以后，该范围日后还需开挖和施工后续结构，特别是地铁4#线区间段地连墙围护与其垂直相交，因此围护体系还需考虑拆除的方便性，减少对站房后续施工的影响。

(6)由于需保留站台和雨棚，使得该段既有线围护在西侧空间受限，不能采用大放坡的形式。

3 施工方案比选

3.1 施工方案一：工法桩加锚杆对拉

采用三轴SMW工法水泥搅拌桩，搅拌桩直径850mm，间距600mm，桩体采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，内插HN750×300×13×24mm型钢，对拉锚杆采用30mφ32锚杆(见图1)。

图1 工法桩加锚杆对拉围护形式剖面图

该方案采用对拉的形式，支护效果应较好，从设计方案自身而言，费用相对较低。但该方案的实施难度极大，其中方案设计的核心即φ32对拉锚杆施工十分难以控制：(1)直接推送锚杆或采用顶管穿越后管内再放入锚杆。由于锚杆推送和顶管均较难控制精度，无法做到穿过27.4 m的土层后恰好从另一端工法桩空隙穿出，施工不具备可操作性；(2)采用钻机钻孔法。钻机钻杆刚度相对较大，比顶进的方式定位具备一定的可靠性，但也无法保证定位精度，易造成废孔，并且由于穿越铁路线，列车振动可能造成塌孔，施工效果无法保证，可操作性同样较差。

同时，若采用对拉形式，两侧基坑均需同步开挖至基坑底，而地铁地连墙在西端头井局部顶标高-4.75m处有一道0号支撑，作为地铁基坑开挖过程中对既有铁路线的保护，该区域地铁尚未开挖，一旦台后土方移除，将导致地铁基坑失稳。

根据以上情况，该方案无法实施。

3.2 施工方案二：工法桩加预应力锚索

方案一对拉的支护形式无法实施，而内支撑或斜撑的方式又受到结构形式、场地条件、基坑尺寸和工期要求的影响也无法实施，综合考虑围护选型因素，最终本基坑工程采用了西侧工法桩密插并加预应力锚索，东侧高压旋喷桩止水结合大放坡的围护方案并现场予以实施(见图2)。

图2 既有铁路线围护平面示意图

3.2.1 既有线东侧基坑开挖围护

既有线东侧基坑开挖边界距离既有线约49 m，自然地坪相对标高约-4.75 m（绝对标高5.50），底板垫层标高-13.00（绝对标高-2.75 m），基坑深度约8.25 m。支护方式采用上部2 m按1：1放坡，挂网喷混，预留1 m操作平台；下部实施三轴Φ850@600 mm水泥土搅拌桩(见图3)。

图3 既有线东侧支护剖面图

3.2.2 既有线西侧基坑围护

既有线西侧基坑开挖边界距离既有线约26 m，自然地坪相对标高约-1.35 m(绝对标高8.90)，底板垫层标高-13.00（绝对标高-2.75 m），基坑深度约11.65 m。支护方式采用上部3 m按1：1.5放坡，挂网喷混，预留3 m操作平台；下部实施三轴Φ850@600 mm水泥土搅拌桩，并间隔1.2 m内插HN750×300×13×24 mm 型钢，在-4.85 m，-7.35 m，-9.85 m 处分别放置三道预应力锚索，每排锚索与水平面夹角按15°和20°交错布置。桩顶采用C30钢筋混凝土压顶冠梁，第二、三道锚索处采用钢腰梁(见图4)。

图4 既有线西侧支护剖面图

为了确保明挖结构基坑稳定，便于土方开挖及结构的施工，减少对周边环境的不利影响，还须认真做好降水及施工用水的排放工作。

止水措施：将三轴水泥土搅拌桩深入淤泥粉质粘土层至少3.0 m作为止水帷幕。

降水措施：本基坑外侧紧邻既有运营铁路，为防止沉降，不单独作降水处理，基坑内的降水与出租车通道基坑施工时一并考虑。

排水措施：基坑坡顶、坡脚设置深300 mm排水沟，采用C20混凝土砌筑，及时排出地表及坑内集水，并要求对基坑坡顶的地面进行硬化处理，以防止地表水渗入到加固土体中。

3.2.3 工法桩加预应力锚索施工方案的补充完善与加强

该方案在经过上海铁路局组织的施工方案审查会等相关论证后又做了进一步完善与加强：

(1)基坑围护采用的SMW工法桩H型钢加长，插入比不得小于 1：1。

(2)围护桩与既有4号站台主动加固区加强形式采用高压旋喷桩格构形式进一步加强，高压旋喷桩直径为600 mm，搭接100 mm，格构桩的基底标高与SMW工法桩的基底标高一致。横线方向格构间距为7.5 m，顺线路方向为5～6排的桩距。

(3)预应力锚索要安排应力检测，确保达到设计预定的效果。

综上所述，SMW工法桩插入基坑底以下15 m，主动区采用Φ600@500高压旋喷桩搭接形成格构加强体，高压旋喷桩采用水泥标号为P.O42.5，水灰比1：1，每米水泥用量200 kg，预应力锚索进行应力检测试验得到的锚索极限抗拔力不得低于设计值。

高压旋喷桩加固平面图如图5。

图5 高压旋喷桩主动区加固平面图

4 基坑监测与分析

4.1 基坑各监测项目的报警值

(1)沉降：铁路路基垂直沉降量不大于20 mm，沉降变形速率达到3.0 mm/d；基坑边坡坡顶垂直沉降量不大于50 mm，沉降变形速率达到3.0 mm/d。

(2)水位：基坑开挖引起坑外水位下降不得超过1 000 mm，每天发展不得超过100 mm，基坑开挖引起坑内水位下降要保证地下水位低于基槽500 mm；监测数据绘制成曲线形式，综合分析地下水位的变化，在必要的位置增设监测点。

(3)水平位移：基坑坡顶水平位移量不大于0.006H（H为基坑开挖深度），累计位移不超过4 cm，水平位移变形速率达到3.0 mm/d。

(4)土体深部位移量：土体深部位移变化曲线出现明显的拐点变化。

(5)锚索内力检测：锚索内力不得超过设计值的80%（允许最大内力325.5 kN）。

4.2 监测结果分析

(1)铁路沉降经铁路专业单位每日巡查满足要求，基坑边坡沉降36.3 mm。

(2)水位变化最大累计量910 mm。

(3)水平位移8.98 mm。

(4)土体深部位移曲线无明显拐点变化。

(5)锚索内力61.44 kN。

从土体位移、水位变化、预应力锚索内力检测成果来看，基坑处于安全受控状态。

5 结束语

既有铁路线边基坑围护的安全风险巨大，一旦出现问题，将导致极为严重的后果。尤其是涉及转线安排中的围护设计，还受制于站房总体围护形式的选择及后续结构施工。杭州东站站房工程中最终选择的SMW工法桩加预应力锚索的支护形式应用效果良好，安全可靠，施工效率较高，费用较低，并且对后续结构施工影响较小，特别是工法桩拔除后不影响日后地铁盾构穿越，是符合各方施工要求的合理选择。