随着上海轨道交通的发展,常规车站布孔方式已很难满足目前地铁车站的设计施工需要。采用勘探孔有效控制范围的方法,对勘探孔平面布置形式进行探讨。收集并分析目前地铁车站在桩基设计方面的实例,以探讨地铁车站勘探孔孔深确定的原则。

1 引言

上海市地铁工程勘察工作量布置的主要依据是上海市《岩土工程勘察规范》(DGJ08-37-2002)[1]及上海市《城市轨道交通设计规范》(DGJ08-109-2004)[2]。两本规范对线路区间勘探孔平面位置及孔深的规定较为具体,故在工作中分歧小。而在地铁车站工作量布置时,两本规范对孔距要求未完全统一,孔深确定又受地质条件、设计方案的影响,故工作量布置时有较大的分歧。本文拟对地铁车站勘察工作量布置进行探讨。

2 地铁车站勘探工作量常规布置方式

地铁车站呈长条形,常规布孔方式是在车站两端各布置2个孔,车站中部采用“V”字型交叉布孔,孔距(或投影距)≤35m。已建的地铁车站宽度一般在20m以内,常规布孔方式基本上是合理的。

地铁车站埋藏深度大,涉及深基坑开挖,常规按2.5倍开挖深度确定孔深。车站抗浮措施一般有:增加覆土厚度、底板下设置反滤层或设抗拔桩。如已运行的一号线及二号线大部分车站采用增加覆土厚度和设置反滤层解决抗浮问题,即使采用抗拔桩抗浮的车站,由于车站埋深不大,桩入土深度有限,如新闸路车站抗拔桩的桩长约为基坑深度的1.4倍。因此对于先期建设的地铁线路,按2.5倍基坑开挖深度确定孔深已基本满足设计要求。

逆作法施工车站,宜设中间支承桩以支承顶板和路面荷载。由于荷载很大,且大多为一柱一桩,需要的单桩承载力高,一般在立柱下设置大直径长桩(钻孔灌注桩)。故逆作施工车站除按基坑开挖深度确定孔深外,在车站两端各布置1个深孔,常进入第⑨层。

3 目前地铁车站规划、设计方面的特点

3.1 目前地铁车站特点

上海最早建设的地铁一号线、二号线地铁车站一般为地下二层,基坑开挖深度一般在15m以内,非真正意义上的换乘车站(一、二号线换乘距离长)。随着轨道交通的不断建设,目前地铁车站具有如下特点:

宽度大:部分车站宽度增大到20m以上,结构形式由原来的单柱双跨变为双柱三跨。

换乘车站多:交汇线路不断增多,多条线路换乘的车站越来越多,如地铁2、4、6及9号线在世纪大道站形成"丰"字形;地铁宜山路站有3、4及9号线三条线路换乘;规划建设的地铁10号线在同一车站与8、11、12、13、14号等两条或多条地铁线路交汇。

开挖深度大:9号线世纪大道站地下三层,最大深度22m;地铁9号线宜山路站最大深度为29.7m,围护墙深度为62.9m。换乘车站的开挖深度一般都超过20m。

3.2 地铁车站基础方案

由于目前地铁车站规模、开挖深度等均较以前有很大增加,在建地铁车站设置桩的比例越来越高, 如某线路23个车站中仅有2个车站不设桩。该轨道线地铁车站基础设计有以下特点:

(1)施工工艺:23个车站中有1个采用全逆筑法施工,3个部分采用逆筑法,其余19个均为明挖顺筑法施工。由于造价、施工难度等因素的影响,仅在市中心环境特别复杂的区域采用逆筑法或部分逆筑法,一般情况下大多采用顺筑法施工。

(2)布桩形式:一般沿地铁车站中轴线布置,既作为施工期围护体系立柱下的桩,又可作为运行期车站抗浮桩。

(3)桩基埋置层的选择:按桩端埋置层⑤2砂质粉土、⑤3粉质粘土、⑦砂质粉土及粉砂、⑧1粉质粘土、⑧2粉质粘土夹砂分别统计,绘制直方图(图1)。从统计结果看,桩端置于第⑦层中的最多,占35.7%;桩端置于第⑤2、⑤3、⑧1、⑧2层的比例相当,约占14%~18%。这说明如第⑦层埋藏适当,厚度较大,设计人员还是首选第⑦层作为桩端埋置层。地铁车站布桩主要起抗浮及施工期围护结构的立柱桩之用,沉降问题不突出,因此采用第⑤2粉土层或第⑤3、⑧层粘性土层均是可行的。

(4)桩长的确定:按桩长20m~25m、25m~30m、30m~35m、35m~40m,>40m五种类型分别统计,绘制直方图(见图2)。结果桩长20m~25m最多,约占35%;其次为桩长26m~30m和桩长36m~40m,各占26%(桩长36m~40m范围段共有6个车站,其中3个车站采用逆作法施工);桩长>40m的车站占4.3%,为逆筑法施工且有换乘站车站。

经对各车站桩长分析,地下两层车站桩长20m~30m居多,约占60%,开挖深度较大的换乘车站桩长一般为30m~40m。

(5)逆作法施工车站的桩基方案:逆作法施工车站,由于施工期荷载很大,需要的单桩承载力高,一般使用大直径长桩,以第⑧2粉质粘土与粉砂互层或第⑨层粉砂层作为桩端埋置层,桩长一般在35m以上。

4 地铁车站勘探孔工作量布置的探讨

4.1 地铁车站勘探点平面布置

地铁车站常规布孔方式是四个角点各布置1个勘探孔,内部采用‘V’字型布孔,勘探孔孔距≤35m。对于勘探孔孔距,上海轨道交通规范[2]指的是投影距,而上海岩土勘察规范[1]指的是实际勘探孔间距,这就有两种布孔形式,方式(A)———投影距法或方式(B)———实际孔距法。为探究这两种布孔形式的有效性,将孔间距的L/2作为勘探孔的有效控制半径[3],由于最大孔距为35m,故每个勘探孔有效控制范围为半径24.7m的圆形区域(图3)。按目前常规的车站宽度18m为例,方式(A-1)和方式(B-1)均能有效控制整个车站范围。这就是说,当车站宽度不大于20m时,按现行上海轨道规范和上海岩土勘察规范布孔均能有效控制地铁车站的范围。

随着轨道交通交汇线路的增加,地铁车站规模越来越大。当车站宽度大于22.5m时,如继续采用投影距法布孔,就会出现未受控区(即图4,A-2中阴影部分),无法有效控制车站勘察范围。按实际孔距,“V”字型或沿车站两侧对对布孔(如图4,B-2和C所示),均能有效控制整个车站。

对于长度200m左右的车站,沿车站两侧对对布孔(图4,C所示)虽比按“V”字型布孔(图4,B-2所示)多布1个孔,但布置的勘探孔较均匀,剖面较简洁。当车站宽度进一步增大,继续采用“V”字型布孔,勘探孔投影距很近,勘探孔数量反而会多于沿车站两侧对对布孔。经综合比较,宽度大于20m的车站,应按实际孔距法布孔,采用图4中(B-2)和(C)方式布孔均可行。当车站宽度大于25m时,沿车站两侧对对布孔最为合理。

4.2 地铁车站勘探孔孔深确定的讨论

地铁车站涉及深基坑开挖,孔深首先需满足基坑围护设计需要。目前大部分车站设置桩,因此孔深还需满足桩基设计需要。2002年修编的上海岩土规范[1]规定,地铁车站孔深需同时满足基坑和桩基两方面的要求,而上海轨道交通规范仅对逆作法施工车站要求孔深满足桩基设计需要,对明挖顺作施工的车站未作相应要求。

从以上收集的二十多个地铁车站工程实例看,如按2.5倍车站深度确定孔深,约有30%~40%的车站不能满足车站桩基设计的要求。笔者认为,勘察方案布置时考虑得周全一些,可以避免日后由于不能满足设计要求而补勘之麻烦,姑且不论多次进场补勘费用问题,地铁车站一般位于市政道路下,勘察施工需要协调路政、各管线单位,占用人行或机动车道,施工难度及风险较大。

地铁车站孔深应满足基坑围护设计及桩基设计的双重需要。按基坑考虑,孔深按2.5倍基坑开挖深度确定;按桩基考虑,则孔深为桩端入土深度 3m~5m(逆作法施工车站一般为大直径桩,可取5m~7m),两者取其大值。按基坑深度的2.5倍确定孔深比较直接明了,但按桩基确定孔深,由于桩端埋置层以及桩端入土深度的不确定性,岩土工程师确定孔深时有一定的难度。这就要求岩土工程师充分收集周边地质资料,掌握拟建车站地层分布特征,了解目前地铁车站设计动态,多向设计人员沟通讨论,必要时适当留有余地。

5 结论

(1)目前轨道交通地铁车站具有宽度大、规模大、深度大的特点,因此原来的地铁车站勘察工作量布置方式已不适应目前轨道交通发展趋势,应根据具体情况加以调整。

(2)地铁车站桩端埋置以第⑦层居多,但以第⑤3、⑧层等粘性土层作为桩端埋置层的比例也不少。明挖顺筑基坑桩长以20m~30m居多;开挖深度大的换乘车站,则桩长一般在30m~40m左右。逆作法施工车站一般以第⑧2或⑨层作为桩端埋置层。

(3)对于宽度小于20m的基坑,按实际孔距或投影距布孔均能有效控制整个车站的勘察范围。对于宽度大于20m的基坑,应按实际孔距布孔,尤其当车站宽度达到25m以上时,沿车站两侧对对布孔最为合理。

(4)深基坑车站孔深应同时满足基坑及可能设置桩的可能,桩端入土深度可根据基坑深度、施工工艺(顺筑还是逆筑)、地层组合情况、可能的桩基设计方案综合确定。