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摘要：以北京地铁某暗挖车站为例，介绍洞桩法“4导洞”方案，包括工程特点、设计原理、桩基承载力验算及施工步骤，分析和总结了“4导洞”方案在地铁设计中的优越性以及存在的问题，为类似工程提供借鉴和参考。
关键词：暗挖车站 洞桩法 “4导洞” 桩基础
中图分类号：U231文献标识码： A
1工程概况
1.1车站概况
车站位于十字路口，沿道路下方南北向布置，紧邻现状河道。车站东侧为高层住宅小区，距离住宅楼最近约20m；西侧临河，并侵入河道蓝线3.25m，车站边墙距离河道下口约6.3m，距离河底约6m。
车站为地下双层三跨岛式车站，地下一层为站厅层、地下二层为站台层。车站全长266m，主体结构宽22.3m，顶板覆土13m。
车站设置4座施工竖井，分别为：车站中部独立设置的L1临时施工豎井、车站中部结合C出入口设置的L2施工竖井、以及车站两端结合风道设置的1号和2号风道施工竖井。
图1 车站总平面图
1.2地质概况
车站范围内主要穿越的地层为杂填土层、粉土填土层、卵石圆砾层、卵石(5)层、卵石(7)层、中粗砂(7)1层、以及卵石(9)层。地下水位位于车站顶板以下7.2m左右。
2施工方法的选择
因本站范围内控制性因素主要有：沿车站纵向布置的Φ1050污水管、横跨车站的2000X2350电力管沟和1000X2600雨水管沟等管线，管线协调难度大，工程费用高，工期不可控。同时，受车站上方规划道路（下穿隧道）的影响，为后期实现规划路预留条件，以及受其邻近河道的制约，施工场地紧张。综上所述，本站主体结构推荐采用暗挖法施工。
为减小群洞效应所引起的地表沉降，确保车站周边建筑及地下管线的安全，以及尽可能减小对现状莲花河的影响，本站研究采用“4导洞”法施工。
3设计原理
“4导洞”洞桩法即是在传统洞桩法的基础上进行改进了的新型洞桩法。它用桩基础来代替传统洞桩法的条形基础，取消了下导洞，由桩基来承受上部顶拱、顶梁及柱子所传递下来的荷载，形成桩、柱、梁、拱支撑框架体系。然后在顶拱和边桩的保护下，逐层向下开挖土体，施工内部结构，最终形成由外层边桩及顶拱初期支护和内层二次衬砌组合而成的永久承载体系。
4车站结构设计
4.1结构尺寸及支护参数
（1）车站主体结构横剖面图，如图2。
图2 主体结构横剖面图
（2）结构主要尺寸及支护参数：
①超前支护
超前小导管：DN25X2.75，l=2m，每榀钢支撑打设一环；环间距：0.3m。
钢筋网：φ6,150X150mm，拱墙铺设。
喷射混凝土：C20网喷混凝土，导洞厚0.25m。
格栅钢支撑：HPB300/HRB400钢筋，纵间距0.5m。
②围护结构
边桩（φ1000灌注桩）：C30钢筋混凝土，桩间距1.5m（局部加密）。
扩底桩（直径φ1800~φ2800）：C30钢筋混凝土，每根中柱下设置。
冠梁：C30钢筋混凝土。
钢筋网：φ6,150X150mm。
桩间喷混凝土：C20喷混凝土，80mm厚。
③二衬：C40，P10混凝土，HPB300/HRB400钢筋。顶拱0.8m、地下一层中板0.4m、、底板1.3m，边墙0.8m。
4.2桩基承载力计算
本站若按洞桩法“4导洞”方案，桩基按大直径桩单桩计算。
根据《建筑桩基技术规范》：1、轴心竖向力作用下Nk≤R; 2、偏向竖向力作用下Nkmax≤1.2R； 3、Ra=Quk/K（K=2）。
Quk=Qsk+Qpk=μ∑ψsiqsikli+ψppskAp(经验参数法—大直径桩)
Quk=Qsk+Qgsk+Qgpk (后注浆灌注桩)—中柱桩基考虑
本站边桩按φ1000@1500、中柱桩基按φ1800～φ2800扩底桩考虑。桩基位于卵石（7）和卵石（9）层中进行计算，根据地质勘察报告可知：
卵石（7）层：qsk=150kPa; psk=2200kPa
卵石（9）层：qsk=160kPa（注浆系数取2.7）; psk=2400kPa（注浆系数取3.6）
车站顶板覆土13m，边跨宽7.75m，中跨宽6m，柱距7m。
4.2.1边桩承载力验算
取边桩直径为1m，间距1.5m，设计长度为15.95m，结构底板以下8m，边桩计算时考虑二衬施工对二衬范围内土体扰动，二衬范围内桩不计侧摩阻力。
（1）单桩承载力计算
Quk=Qsk+Qpk
=μ∑ψsiqsikli+ψppskAp
=3.14X1X0.9283X160X8+0.9283X2400X3.14X1X1/4=5480kN
式中ψs=(0.8/d) 1/3=0.9283;
ψp=(0.8/D) 1/3=0.9283。
（2）单桩竖向荷载
土荷载：N土=13X20X7.75/2X1.5=1511kN
地面超载：N超=20X7.75/2X1.5=116kN（超载取20kPa）
顶拱及冠梁自重：N结=187+94=281kN
中板及侧墙：
N侧=25X0.4X7.75/2X1.5+25X0.8X12.25X1.5
=426kN
桩自重：N桩=25X3.14/4X1X1X18.95=371kN
Nk=N土+N超+N结+ N侧+N桩=2705kN
（3）Ra= Quk/2 =5480/2=2740kN >Nk=2705kN，桩基承载力满足要求。
4.2.2扩底桩承载力验算
扩底桩采用上部直径1.8m，下部直径2.8m圆形截面扩底桩，如图3。
图3 扩底桩立面图
（1）单桩承载力计算
Quk=Qsk+Qgsk+Qgpk
=μ∑ψsjQsjklj+μ∑ψsiβsiQsiklgi+ψpβpQpkAp
=[(1.8X3.14)X0.7631X160X1+(2.3X3.14)X0.7033X160X2+(2.8X3.14)X0.6586X160X1]+[0.6586X3.6X2400X(2.8X2.8X3.14/4)]
=38262kN
式中ψs1=(0.8/d1) 1/3=0.7631;
ψs2=(0.8/d2) 1/3= 0.7033;
ψs3=(0.8/d3) 1/3= 0.6586;
ψp=(0.8/D) 1/3=0.6586；
βsi=1；βp=3.6（仅考虑扩底桩底部注浆）。
（2）单桩竖向荷载
土荷载：N土=12513 kN
地面超载：N超=963kN（超载取20kPa）
结构自重：N结=2325kN
扩底桩自重：N桩=425kN
Nk=N土+N超+N结+N桩=16226kN
（3）Ra= Quk/2 =19131kN>Nk=16226kN，桩基承载力满足要求。
5施工工序
车站施工前在主体结构两侧地表施做降水井，提前降水。利用施工竖井进行横通道的施工，在横通道内进行导洞施工。车站主体施工步序如图4。
图4 施工步序图
具体做法如下：
第一步：自横通道进洞，施工导洞拱部超前支护结构，并注浆加固地层，台阶法开挖导洞。
第二步：在两边上导洞内施工挖孔桩及桩顶冠梁，并在中间导洞内施工中柱扩底桩及钢管混凝土柱挖孔护筒。
第三步：施工钢管混凝土柱，然后在中导洞内施工顶纵梁防水层、顶纵梁及顶部回填，并在顶纵梁中预埋钢拉杆。同时在边导洞内施作部分主体初期支护，并对边导洞内进行素混凝土回填。
第四步：施工洞室Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ拱顶超支护结构，并注浆加固地层。台阶法开挖导洞Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ土体。
第五步：导洞Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ贯通后，沿车站纵向分段凿除小导洞部分初期支护结构，回退浇筑结构拱部二衬，设置中跨钢拉杆。
第六步：待拱顶混凝土达到设计强度后，分层开挖土体至中楼板及中纵梁底标高（边开挖边施工桩间网喷混凝土及切割掉挖孔护筒），施工中楼板梁及中楼板，并施工侧墙防水层、保护层及侧墙。
第七步：待中板混凝土达到设计强度后，分层开挖土体至底板及底纵梁底标高，快速施作钢格栅混凝土垫层，铺设防水层、浇筑底板结构及侧墙。
6优越性
（1）根据现场调研，在卵石层中，传统洞桩法下层小导洞开挖，一般沉降在25mm左右。与传统洞桩法相比，“4导洞”洞桩法取消了下导洞，减小了群洞效应所带来的地面沉降。
（2）車站底板位于卵石（9）层中，桩侧及桩端摩阻力值较高，桩基长度可控。
（3）与传统洞桩法相比，“4导洞”洞桩法造价低。
以4mx4m下导洞为例： 每延米造价1.3万元（直接工程费）。柱距7m，7X1.3X4=36.4万元。
桩基：边桩直径1m，底板以下桩基长度8m（导洞内钻进18.95m）；扩底桩直径1.8m～2.8m，高度4m。直接工程费18.4万元。
7存在的问题
（1）柱下桩基对结构底板防水损失较大，防水节点需做加强处理。
（2）本站所处底层卵石（9）层中，卵石粒径较大，300～500mm粒径的漂石较多，对于人工挖孔桩桩基施工难度较高。
（3）边桩的计算中，桩基础按1.5m间距，难以满足桩基规范最小间距的要求，实际桩侧摩阻力达不到计算值。
8结束语
对于三跨暗挖地铁车站，在施工场地条件复杂，且对地面沉降要求较严格时，根据底层情况，可考虑“4导洞”洞桩法施工。但桩基成桩不论是人工挖孔还是机械成孔，受地层和操作空间影响明显，在选择施工方法时，需慎重考虑施工的安全性和可行性。随着轨道交通线网的不断加密和优化，地铁车站施工受场地条件影响愈加严重，洞桩法施工已逐渐普及，新型洞桩法的研究将为地铁施工提供更合理、更安全、更经济的施工方法。
参考文献
[1]北京城建设计研究总院.GB 50157-2003 地铁设计规范[S].中国计划出版社.2003
[2]中国建筑工业出版社. JGJ 94-2008 建筑桩基技术规范.中国建筑工业出版社.2008
作者简介
邢韫，1987.1月出生，北京人，2009年毕业于西南交通大学结构工程专业，本科，助理工程师，现主要从事地铁隧道及车站的设计及研究工作。
关键词：暗挖车站 洞桩法 “4导洞” 桩基础
中图分类号：U231文献标识码： A
1工程概况
1.1车站概况
车站位于十字路口，沿道路下方南北向布置，紧邻现状河道。车站东侧为高层住宅小区，距离住宅楼最近约20m；西侧临河，并侵入河道蓝线3.25m，车站边墙距离河道下口约6.3m，距离河底约6m。
车站为地下双层三跨岛式车站，地下一层为站厅层、地下二层为站台层。车站全长266m，主体结构宽22.3m，顶板覆土13m。
车站设置4座施工竖井，分别为：车站中部独立设置的L1临时施工豎井、车站中部结合C出入口设置的L2施工竖井、以及车站两端结合风道设置的1号和2号风道施工竖井。
图1 车站总平面图
1.2地质概况
车站范围内主要穿越的地层为杂填土层、粉土填土层、卵石圆砾层、卵石(5)层、卵石(7)层、中粗砂(7)1层、以及卵石(9)层。地下水位位于车站顶板以下7.2m左右。
2施工方法的选择
因本站范围内控制性因素主要有：沿车站纵向布置的Φ1050污水管、横跨车站的2000X2350电力管沟和1000X2600雨水管沟等管线，管线协调难度大，工程费用高，工期不可控。同时，受车站上方规划道路（下穿隧道）的影响，为后期实现规划路预留条件，以及受其邻近河道的制约，施工场地紧张。综上所述，本站主体结构推荐采用暗挖法施工。
为减小群洞效应所引起的地表沉降，确保车站周边建筑及地下管线的安全，以及尽可能减小对现状莲花河的影响，本站研究采用“4导洞”法施工。
3设计原理
“4导洞”洞桩法即是在传统洞桩法的基础上进行改进了的新型洞桩法。它用桩基础来代替传统洞桩法的条形基础，取消了下导洞，由桩基来承受上部顶拱、顶梁及柱子所传递下来的荷载，形成桩、柱、梁、拱支撑框架体系。然后在顶拱和边桩的保护下，逐层向下开挖土体，施工内部结构，最终形成由外层边桩及顶拱初期支护和内层二次衬砌组合而成的永久承载体系。
4车站结构设计
4.1结构尺寸及支护参数
（1）车站主体结构横剖面图，如图2。
图2 主体结构横剖面图
（2）结构主要尺寸及支护参数：
①超前支护
超前小导管：DN25X2.75，l=2m，每榀钢支撑打设一环；环间距：0.3m。
钢筋网：φ6,150X150mm，拱墙铺设。
喷射混凝土：C20网喷混凝土，导洞厚0.25m。
格栅钢支撑：HPB300/HRB400钢筋，纵间距0.5m。
②围护结构
边桩（φ1000灌注桩）：C30钢筋混凝土，桩间距1.5m（局部加密）。
扩底桩（直径φ1800~φ2800）：C30钢筋混凝土，每根中柱下设置。
冠梁：C30钢筋混凝土。
钢筋网：φ6,150X150mm。
桩间喷混凝土：C20喷混凝土，80mm厚。
③二衬：C40，P10混凝土，HPB300/HRB400钢筋。顶拱0.8m、地下一层中板0.4m、、底板1.3m，边墙0.8m。
4.2桩基承载力计算
本站若按洞桩法“4导洞”方案，桩基按大直径桩单桩计算。
根据《建筑桩基技术规范》：1、轴心竖向力作用下Nk≤R; 2、偏向竖向力作用下Nkmax≤1.2R； 3、Ra=Quk/K（K=2）。
Quk=Qsk+Qpk=μ∑ψsiqsikli+ψppskAp(经验参数法—大直径桩)
Quk=Qsk+Qgsk+Qgpk (后注浆灌注桩)—中柱桩基考虑
本站边桩按φ1000@1500、中柱桩基按φ1800～φ2800扩底桩考虑。桩基位于卵石（7）和卵石（9）层中进行计算，根据地质勘察报告可知：
卵石（7）层：qsk=150kPa; psk=2200kPa
卵石（9）层：qsk=160kPa（注浆系数取2.7）; psk=2400kPa（注浆系数取3.6）
车站顶板覆土13m，边跨宽7.75m，中跨宽6m，柱距7m。
4.2.1边桩承载力验算
取边桩直径为1m，间距1.5m，设计长度为15.95m，结构底板以下8m，边桩计算时考虑二衬施工对二衬范围内土体扰动，二衬范围内桩不计侧摩阻力。
（1）单桩承载力计算
Quk=Qsk+Qpk
=μ∑ψsiqsikli+ψppskAp
=3.14X1X0.9283X160X8+0.9283X2400X3.14X1X1/4=5480kN
式中ψs=(0.8/d) 1/3=0.9283;
ψp=(0.8/D) 1/3=0.9283。
（2）单桩竖向荷载
土荷载：N土=13X20X7.75/2X1.5=1511kN
地面超载：N超=20X7.75/2X1.5=116kN（超载取20kPa）
顶拱及冠梁自重：N结=187+94=281kN
中板及侧墙：
N侧=25X0.4X7.75/2X1.5+25X0.8X12.25X1.5
=426kN
桩自重：N桩=25X3.14/4X1X1X18.95=371kN
Nk=N土+N超+N结+ N侧+N桩=2705kN
（3）Ra= Quk/2 =5480/2=2740kN >Nk=2705kN，桩基承载力满足要求。
4.2.2扩底桩承载力验算
扩底桩采用上部直径1.8m，下部直径2.8m圆形截面扩底桩，如图3。
图3 扩底桩立面图
（1）单桩承载力计算
Quk=Qsk+Qgsk+Qgpk
=μ∑ψsjQsjklj+μ∑ψsiβsiQsiklgi+ψpβpQpkAp
=[(1.8X3.14)X0.7631X160X1+(2.3X3.14)X0.7033X160X2+(2.8X3.14)X0.6586X160X1]+[0.6586X3.6X2400X(2.8X2.8X3.14/4)]
=38262kN
式中ψs1=(0.8/d1) 1/3=0.7631;
ψs2=(0.8/d2) 1/3= 0.7033;
ψs3=(0.8/d3) 1/3= 0.6586;
ψp=(0.8/D) 1/3=0.6586；
βsi=1；βp=3.6（仅考虑扩底桩底部注浆）。
（2）单桩竖向荷载
土荷载：N土=12513 kN
地面超载：N超=963kN（超载取20kPa）
结构自重：N结=2325kN
扩底桩自重：N桩=425kN
Nk=N土+N超+N结+N桩=16226kN
（3）Ra= Quk/2 =19131kN>Nk=16226kN，桩基承载力满足要求。
5施工工序
车站施工前在主体结构两侧地表施做降水井，提前降水。利用施工竖井进行横通道的施工，在横通道内进行导洞施工。车站主体施工步序如图4。
图4 施工步序图
具体做法如下：
第一步：自横通道进洞，施工导洞拱部超前支护结构，并注浆加固地层，台阶法开挖导洞。
第二步：在两边上导洞内施工挖孔桩及桩顶冠梁，并在中间导洞内施工中柱扩底桩及钢管混凝土柱挖孔护筒。
第三步：施工钢管混凝土柱，然后在中导洞内施工顶纵梁防水层、顶纵梁及顶部回填，并在顶纵梁中预埋钢拉杆。同时在边导洞内施作部分主体初期支护，并对边导洞内进行素混凝土回填。
第四步：施工洞室Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ拱顶超支护结构，并注浆加固地层。台阶法开挖导洞Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ土体。
第五步：导洞Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ贯通后，沿车站纵向分段凿除小导洞部分初期支护结构，回退浇筑结构拱部二衬，设置中跨钢拉杆。
第六步：待拱顶混凝土达到设计强度后，分层开挖土体至中楼板及中纵梁底标高（边开挖边施工桩间网喷混凝土及切割掉挖孔护筒），施工中楼板梁及中楼板，并施工侧墙防水层、保护层及侧墙。
第七步：待中板混凝土达到设计强度后，分层开挖土体至底板及底纵梁底标高，快速施作钢格栅混凝土垫层，铺设防水层、浇筑底板结构及侧墙。
6优越性
（1）根据现场调研，在卵石层中，传统洞桩法下层小导洞开挖，一般沉降在25mm左右。与传统洞桩法相比，“4导洞”洞桩法取消了下导洞，减小了群洞效应所带来的地面沉降。
（2）車站底板位于卵石（9）层中，桩侧及桩端摩阻力值较高，桩基长度可控。
（3）与传统洞桩法相比，“4导洞”洞桩法造价低。
以4mx4m下导洞为例： 每延米造价1.3万元（直接工程费）。柱距7m，7X1.3X4=36.4万元。
桩基：边桩直径1m，底板以下桩基长度8m（导洞内钻进18.95m）；扩底桩直径1.8m～2.8m，高度4m。直接工程费18.4万元。
7存在的问题
（1）柱下桩基对结构底板防水损失较大，防水节点需做加强处理。
（2）本站所处底层卵石（9）层中，卵石粒径较大，300～500mm粒径的漂石较多，对于人工挖孔桩桩基施工难度较高。
（3）边桩的计算中，桩基础按1.5m间距，难以满足桩基规范最小间距的要求，实际桩侧摩阻力达不到计算值。
8结束语
对于三跨暗挖地铁车站，在施工场地条件复杂，且对地面沉降要求较严格时，根据底层情况，可考虑“4导洞”洞桩法施工。但桩基成桩不论是人工挖孔还是机械成孔，受地层和操作空间影响明显，在选择施工方法时，需慎重考虑施工的安全性和可行性。随着轨道交通线网的不断加密和优化，地铁车站施工受场地条件影响愈加严重，洞桩法施工已逐渐普及，新型洞桩法的研究将为地铁施工提供更合理、更安全、更经济的施工方法。
参考文献
[1]北京城建设计研究总院.GB 50157-2003 地铁设计规范[S].中国计划出版社.2003
[2]中国建筑工业出版社. JGJ 94-2008 建筑桩基技术规范.中国建筑工业出版社.2008
作者简介
邢韫，1987.1月出生，北京人，2009年毕业于西南交通大学结构工程专业，本科，助理工程师，现主要从事地铁隧道及车站的设计及研究工作。