緊鄰地鐵車站深基坑支護設計分析

薛九天

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

近年來，隨著我國經濟的高速發展和城市化進程的加快，城市軌道交通和城市地下軌道交通的建設深入推進，深基坑緊鄰地鐵車站建設的情況日益增多[1-3]。緊臨既有地鐵車站的基坑施工必定會對地鐵結構產生影響，如何將影響控制在安全范圍內，保證地鐵的正常運營，成為基坑支護設計的重中之重。

目前國內對緊臨地鐵結構的基坑設計案例多集中在地鐵單側。任亞亮針對相鄰深基坑開挖存在交叉工況問題，采用有限元數值模擬,得出受影響車站基坑圍護立柱樁差異變形，驗證了設計附加措施的有效性[4]。李陽在基坑設計中采用剛度較大的支護體系和遵循時空效應原理的開挖工況，運用有限元計算軟件模擬基坑開挖各個階段，分析了各工況下結構和區間的變形[5]。學者們采用土體加固、分坑開挖和不同土體卸載方式等手段，減小基坑開挖對既有地鐵結構的影響。但對地鐵車站雙側基坑同時施工的設計案例較為少見。因此，本文以杭州某地下空間開發工程為依托，對地鐵車站雙側基坑進行設計和分析，為今后類似工程提供一定的參考。

1 概述

1.1 工程概況

本工程分為兩獨立地下空間H地塊和E地塊，均為地下2層停車庫并兼顧人防。整平地面標高5.0 m，H地塊總建筑面積為21 040.76 m2，基坑坑底標高為-6.3 m，挖深11.3 m，呈不規則梯形，周長為321.7 m，面積約6 240 m2。E地塊總建筑面積為11 407.42 m2，基坑坑底標高-6.4 m，挖深11.4 m，呈不規則梯形，周長334.3 m，面積約7 051 m2。兩地塊周邊整體處于待開發狀態，地下市政管線均已遷改。H地塊東側和E地塊西側緊鄰已建地鐵車站，車站圍護形式采用800 mm地連墻(墻頂標高為4.500 m，墻底標高為-25.000 m)，內襯墻厚度為700 mm，已施工完成但未運營。周邊環境總平面圖如圖1所示。

1.2 工程水文地質概況

場地屬于第四紀濱海湖沼相沉積平原地貌，場地東側、東南側表部傾倒有大面積泥漿，場地中部回填有素填土，地面起伏相對較大，地面高程位于2.07 m～6.75 m。場區地層可分10個工程地質層、22個亞層。各層巖土工程特性及分布特征自上而下分別描述如下：

①2層雜填土：灰黃色，稍濕，松散。主要由碎塊石組成，含少量黏性土，層厚為0.30 m～6.30 m。

④1層粉質黏土：青灰色，可塑～硬塑。層厚為0.40 m～7.80 m，全場分布。

④2層粉質黏土夾黏質粉土：灰褐色，軟塑。層厚為0.60 m～10.40 m。

⑤1層淤泥質粉質黏土：灰色，飽和，流塑，層頂標高-14.51 m～-3.45 m。

⑥層粉質黏土：青灰色，可塑～硬塑，層頂標高-19.58 m～-6.27 m。

⑦粉質黏土:灰色，飽和，軟塑。層頂標高-25.71 m～-14.82 m。

⑧1粉質黏土夾粉砂：灰色，飽和，可塑。層頂標高-29.28 m～-18.42 m。

⑧3層圓礫：灰色，很濕，中密，以圓礫為主，成分以石英砂巖、凝灰巖為主。

場地淺部土層中分布有潛水，水位埋藏較淺，水位距地表為0.00 m～3.600 m，相當于85國家高程的-0.39 m～5.85 m之間，該層潛水補給來源主要有大氣降水入滲及地表水側向補給，其排泄方式以蒸發消耗為主。淺部土層中的潛水位埋深，一般離地表面0.3 m～1.5 m，年平均地下水位離地表面0.5 m～0.7 m。

場地下部⑧2層粉砂、⑧3層圓礫層為承壓含水層，分布較廣泛而連續，其上覆黏性土層構成了承壓含水層頂板。承壓含水層頂板距離地表按25 m、地下室基坑開挖按15 m計算,承壓水不會對基坑產生突涌、底板隆起等影響。

場區土層主要物理力學指標如表1所示。

表1 土層主要物理力學指標

2 設計方案

2.1 工程特點

H，E地塊基坑開挖面積大，深度深。存在軟弱淤泥質粉質黏土層，地質情況復雜，地下水位較高。周邊場地環境較差，北側和東側均存在深度15 m左右的已建地下室。

綜合考慮基坑及周邊環境情況，結合規范要求，本項目基坑等級定為一級。

2.2 基坑支護設計

本工程緊鄰地鐵車站結構兩側，總體方案采用兩側基坑同時開挖施工，車站兩側基坑同步卸載，淺部約5 m深度采用放坡開挖，在車站兩側同步開挖。淺坑下約6 m深坑采用φ600@800 mm鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水，結合一道混凝土水平支撐和斜拋撐。為保證車站的穩定性，深度5 m處結合地鐵地下連續墻設置混凝土圍檁，增設水平支撐及斜拋撐，車站兩側地塊坑內留土，間隔調挖施工底板。

基坑支撐平面布置見圖2。

車站位置橫剖面設計圖見圖3。

3 計算分析

采用同濟啟明星FRWS8.2進行斜拋撐與水平撐計算分析。基坑深度11 m，上部5 m深度采用放坡開挖卸土，下部采用樁撐體系[6]。

水平撐計算簡圖如圖4所示。

水平撐計算結果包絡如圖5所示。

斜拋撐計算簡圖如圖6所示。

斜拋撐計算結果包絡如圖7所示。

水平撐剖面最大水平位移為7.8 mm，最大彎矩為126.6 kN·m，最大剪力為55.6 kN。

斜拋撐剖面最大水平位移為7.9 mm，最大彎矩為243.9 kN·m，最大剪力為83.2 kN。

采用Plaxis有限元模擬軟件，土體采用自帶的土體硬化(HS)模型，土體HS模型相關參數[7]：Eoed=(1.0～1.2)ES；E50=(1.0～2.0)Eoed；Eur= (7.0～10.0)E50；圍護及車站結構剛度根據截面尺寸計算。二維模型尺寸為水平方向150 m，豎直方向43.9 m。模型底部的約束條件為水平、豎直方向都固定，兩側約束條件為水平方向固定，豎直方向自由。地面超載取20 kPa。選取最不利斷面，一側斜撐一側對稱卸土至第一道支撐[8]。計算模型見圖8。

根據設計方案，計算分析根據實際施工工況分步為：(工況1)自重應力場平衡，(工況2)施工地鐵車站，(工況3)EH地塊同時開挖第一層土，(工況4)E地塊施工第一道支撐，(工況5)E地塊中間土方開挖，(工況6)E地塊施工斜拋撐[9]。計算結果如圖9，圖10所示。

不同工況計算結果如表2所示。

表2 各個工況計算結果 mm

車站結構最大水平位移為10.43 mm，最大豎向位移4.72 mm，根據地鐵保護條例，本基坑開挖方案對地鐵車站結構的影響均處于可控范圍，滿足軌道交通設施變形控制和GB 50157—2013地鐵設計規范的要求[10]。

4 結論

本文通過對杭州市某緊鄰地鐵車站的基坑工程，結合當地地質情況，通過采用啟明星計算軟件并利用Plaxis有限元軟件進行數值模擬，對地鐵車站兩側基坑開挖設計方案進行計算分析，結果表明：1)地鐵車站兩側對稱部分卸土，施工過程中分層對稱開挖。2)合理利用地鐵圍護結構，設置水平支撐和斜拋撐。3)地塊底板分塊施工，地鐵結構外側留土掏槽分塊施工底板等設計方案可有效控制基坑施工對地鐵車站結構的影響，將車站位移控制在保護范圍內。該文為后期類似工程提供了設計參考和借鑒。