武漢I級階地某地鐵深基坑支護優化及實測分析

霍曉波， 廖少明，2

(1.同濟大學地下建筑與工程系， 上海　200092； 2.同濟大學巖土與地下工程教育部重點實驗室， 上海　200092)

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武漢I級階地某地鐵深基坑支護優化及實測分析

霍曉波1， 廖少明1，2

(1.同濟大學地下建筑與工程系， 上海200092； 2.同濟大學巖土與地下工程教育部重點實驗室， 上海200092)

摘要：武漢目前正在長江I級階地地區大規模進行地鐵建設。在地鐵車站基坑回筑施工階段，由于換撐會嚴重滯緩主體結構施工，許多施工單位嘗試將原設計換撐方案修改為不換撐的方案以加快施工進度。以武漢地區某地鐵車站基坑工程為背景，通過數值模擬和現場實測，分析地下水位變化及有無換撐條件下地連墻變形和彎矩、地表變形、支撐軸力變化規律。理論及實測分析結果表明： 坑外水位的降低導致作用在地連墻上的水土壓力減小； 當坑外水位小于-6.3 m時，地連墻水平位移及墻后地表沉降較原設計換撐方案僅增加10%左右； 地連墻彎矩和支撐軸力均滿足原設計要求，優化后的換撐方案是可行的。由于施工中存在較多不確定因素，當采用無換撐方案時需密切關注坑外水位及地連墻變形的變化，以保證工程安全順利進行。

關鍵詞：地鐵； 基坑； 支護優化； 長江I級階地

0引言

武漢是華中地區的中心城市和我國重要的綜合交通樞紐城市。武漢地區地質具有典型的河流相二元沉積結構特點[1]，由長江、漢江沖洪積物構成的I級階地堆積平原區廣泛分布于兩江沿岸，如圖1陰影區域所示。該地區地層總體特征為上部以黏性土為主，下部以砂性土為主，在黏性土和砂性土間存在一定厚度的粉土層、粉砂層和淤泥質土層，且地下水含量豐富，水位變化較大[2]。根據《武漢市城市軌道交通近期建設規劃(2010—2017年)》[3]，到2017年武漢市軌道交通建設總規模將達到215.3 km，共包括7條線和171站，其中137站位于長江I級階地地區，該地層中的地鐵基坑設計與施工以參照其他成熟地區為主，但與這些地區仍有一定程度的不同。

圖1　武漢長江I級階地分布及近期地鐵規劃線路圖

Fig. 1Distribution of the 1st terrace of the Yangtze River in Wuhan and planning of Metro lines

目前已有一些專家和學者針對該地層條件下地鐵車站基坑的支護方案、參數優化、基坑變形和地下水等進行了分析研究。唐傳政等[4]和覃亞偉等[5]針對武漢地鐵二、四號線工程中的基坑突涌、側壁流土和老黏性土遇水軟化等地下水問題進行了探討，并提出控制措施； 吳翔天等[6]討論了武漢車站基坑加固范圍與深度、地下連續墻深度和降水方式等對車站施工的影響； 汪婧[7]針對武漢香港路站基坑土方開挖順序及設計支撐數量進行了理論分析； 郭利娜等[8]和李方成等[9]對武漢地鐵名都站鋼支撐軸力分析得出各支撐軸力實測值偏小，存在一定優化空間。

以上研究主要集中于基坑地下水、基坑加固范圍與深度、地下連續墻深度等理論分析，僅針對名都車站進行了鋼支撐軸力實測分析，且通過實測可知支撐仍有較大的優化空間。目前在武漢地鐵車站基坑施工中普遍存在拆除第4道鋼支撐后，直接拆第3道鋼支撐而不架設換撐的現象，施工方便性增加，進度大大加快，成功案例較多，究其原因可能為坑外水位的降低導致作用于地連墻上的荷載減小。武漢長江I級階地地區地下水主要為上層滯水、潛水和孔隙承壓水，該區域地下水與長江、漢江的水力聯系緊密，互補關系和季節性變化規律明顯，水位埋深為-0.5～-3 m，年變化幅度為3～4 m[10]，同時由于近年武漢地區大規模進行軌道交通建設，城區中心大量基坑降水也導致地下水位普遍下降，最大降幅可達8～10 m。目前基坑設計中通常按最高觀測水位進行設計，而施工期間坑外實際水位會比設計水位低很多，造成原設計偏于保守。若在施工過程中對設計方案進行優化，則能在保證工程安全前提下加快建設進度、降低成本。

本文以武漢長江I級階地某地鐵車站基坑工程為背景，通過基坑數值模擬和實測數據分析，研究不同換撐工況及不同地下水位條件下基坑圍護結構側向位移、基坑周圍土體地表位移、地連墻彎矩和支撐軸力的變化規律。

1工程概況及地質條件

1.1工程概況

該地鐵車站位于武漢長江I級階地地區，基坑支護平、縱斷面如圖2和圖3所示，基坑總長139.5 m，標準段寬28.65 m，基坑深17.66 m。車站采用明挖法施工，支護結構采用地連墻+內支撐形式。地連墻厚度為800 mm，共設4道支撐，其中第1道支撐為800×1 000 mm的鋼筋混凝土支撐，第2、3、4道支撐均為外徑φ609 mm、壁厚16 mm的鋼支撐。

在施工過程中，為確保在不換撐條件下同時拆除2道支撐時的基坑安全，本工程從以下幾個方面進行監控： 地連墻側向位移、墻后地表沉降以及支撐軸力。其測點布置如圖2所示，CX03為地連墻測斜點，DB3-1～DB3-5為地連墻周圍地表豎向變形監測點，ZC2-1～ZC2-4為第1～4道支撐軸力監測點。

圖2　車站基坑平面及監測點布置圖(單位： m)

1.2工程地質

1.3水文地質

本工程場區內的地下水主要有上層滯水、孔隙承壓水和基巖裂隙水3種類型。上層滯水主要賦存于填土層中，受大氣降水、地表水下滲及人類生產、生活用水排放影響。孔隙承壓水主要賦存于〈3-5〉層和〈4-1〉層，受側向地下水補給，與長江水力聯系密切，呈互補關系。地下水位季節性變化規律明顯，變化幅度為3～5 m，水量較為豐富，由地勘報告可知，承壓水位最大標高為16.53 m(埋深約-3.5 m)。基巖裂隙水賦存于泥質粉砂巖及礫砂巖中，水量較小，對本工程影響較小，暫不考慮。

表1　基坑土層物理力學性質參數

2數值模擬分析

2.1支護方案

車站基坑開挖深度為-17.66 m，坑內水位降至-19 m，采用800 mm地連墻做圍護結構，地連墻深31.5 m，支護設計方案及參數見圖3和表2。計算時選取基坑標準斷面并考慮地面超載為20 kPa。設計方案采取拆除第4道支撐后架設換撐的方案，而實際施工方案則直接拆除第3、4道支撐，不進行換撐。不換撐方案導致第2道支撐以下地連墻跨度達到約11 m，其變形與承載力是否滿足原設計要求需進一步進行理論分析和實測驗證。

圖3　車站基坑剖面示意圖(單位： m)

支撐材料距地表距離/m水平間距/m支撐剛度/(MN/m)預加軸力/kN第1道鋼筋混凝土-161675.40第2道鋼管-6.53460.7100第3道鋼管-11.53460.7100第4道鋼管-153460.7100換撐鋼管-12.53460.7100

2.2數值模擬模型

根據基坑的實際尺寸，計算模型取土層邊界寬210 m，深63 m，土體采用M-C模型，對位移邊界條件作如下假定： 模型的上邊界為自由變形； 左、右邊界水平方向位移限制為0，豎直方向允許發生變形； 下邊界任意方向變形為0。

計算時采用實體單元模擬土體，用板單元模擬地連墻，地連墻兩側與土的接觸面用無厚度接觸面單元模擬，橫向支撐按彈性桿件。模擬計算模型和網格劃分如圖4所示。

圖4　計算模型示意圖

由于坑外水位變化較大，理論計算分析中參照車站詳勘報告和實際坑外水位監測結果，確定坑外水位變化范圍為-3～-8 m。

2.3數值模擬結果分析

2.3.1坑外水位及換撐方案對地連墻側向位移的影響

不同坑外水位及換撐方案地連墻側向位移如圖5所示。由圖5可知，地連墻側向位移均為“漲肚型”，且地連墻最大側向位移點的位置幾乎不變，均位于地表以下約-12.5 m(即0.7He，He為基坑開挖深度，下同)。在相同坑外水位、不同換撐方案條件下，不架設換撐比架設換撐最大位移大3～4 mm，且側向位移變化區間主要集中于-6～-17 m，由此說明是否架設換撐對地連墻變形的影響區域主要集中于第2道支撐至坑底。在相同換撐方案、不同坑外地下水位條件下，側向位移變化區間集中在-3～-25m，約占地連墻深度的70%，由此說明地下水位的變化對地連墻整體變形產生明顯影響。

圖5　不同坑外地下水位及支撐方案地連墻的變形

Fig. 5Deformation of diaphragm wall under different water levels imposed on the pit and different supporting schemes

地連墻最大側向位移與坑外地下水位的關系如圖6所示，由于設計方案為坑外地下水位-3 m且架設換撐，故以該工況下地連墻側向位移最大值為基準，與其他工況條件下地連墻側向位移最大值進行比較。由圖6可知，在同一支撐方案條件下，地連墻最大側向位移與坑外地下水位基本成線性關系。在不架設換撐條件下，當坑外地下水位降至約-5.75 m時，地連墻最大側移與設計方案一致，故在施工時按照設計方案地連墻最大變形要求，當坑外地下水位為-3～-5.75 m時，建議采用架設換撐方案；當坑外地下水位小于-5.75 m時，可以采用不架設換撐的方案。

以設計方案即坑外水位-3 m，架設換撐為基準，“+”為增加，“-”為減少。

圖6地連墻最大側向位移與坑外地下水位的關系

Fig. 6Relationship between the maximum horizontal displacement of diaphragm wall and underground water level outside pit

2.3.2坑外水位及換撐方案對基坑周圍地表變形的影響

不同坑外地下水位及支撐方案對坑外地表變形的影響如圖7所示。由圖7可知，地下水位和換撐方案的變化對基坑周圍地表沉降最大點的位置幾乎沒有影響，均位于地連墻后約10 m(即0.57He)。在同一坑外水位、不同支撐方案條件下，不架設換撐比架設換撐最大位移大1～2 mm，且基坑周圍沉降分布區域一致。在相同支撐方案、不同坑外水位條件下，隨著坑外水位的降低，基坑周圍地表沉降槽越來越窄，當坑外水位為-8 m時，沉降分布區域位于地連墻后約25 m(即1.4He)； 當坑外水位為-3 m時，沉降分布區域位于地連墻后約35 m(即2He)。

圖7　不同坑外地下水位及換撐方案坑外地表的變形

Fig. 7Ground surface deformation under different water levels outside pit and different supporting schemes

基坑周圍最大地表沉降與坑外水位關系如圖8所示。與2.3.1類似，以設計方案為基準，與其他工況進行比較，由圖8可知，在同一支撐方案條件下，坑外地表沉降最大值與坑外地下水位基本成線性關系。在不架設換撐條件下，當坑外地下水位降至約-4.5 m時，基坑周圍最大地表沉降與設計方案一致，故按照基坑周圍地表沉降最大要求，當坑外水位在-3～-4.5 m時，建議采用架設換撐的方案；當坑外水位小于-4.5 m時，可以采用不架設換撐的方案。

以設計方案即坑外水位-3 m，架設換撐為基準，“+”為增加，“-”為減少。

圖8基坑周圍最大地表沉降與坑外地下水位的關系

Fig. 8Relationship between the maximum ground surface settlement and underground water level outside pit

2.3.3坑外水位及換撐方案對地連墻彎矩的影響

坑外水位及換撐方案對地連墻彎矩的分布形式及大小產生一定程度影響，如圖9所示。由圖9可知，在同一坑外水位，不架設換撐將使最大彎矩點向下偏移至-12 m，即第3道支撐和換撐中間，最大彎矩相差200 kN·m，且彎矩變化范圍主要集中于-9～-14 m，即第3道支撐和換撐兩側。在相同換撐方案、不同坑外水位條件下，地連墻彎矩變化范圍主要集中于-8～-16 m，即第2道支撐和底板之間，由此說明地下水位的變化對地連墻最大彎矩產生明顯影響。

地連墻最大彎矩與坑外地下水位關系如圖10所示。由圖10可知，在同一換撐方案條件下，地連墻最大彎矩與坑外地下水位基本成線性關系。在不架設換撐條件下，當坑外地下水位降至約-6.3 m時，地連墻最大彎矩與設計方案相一致，故若按此要求，當坑外水位在-3～-6.3 m時，建議采用架設換撐的方案；當坑外水位小于-6.3 m時，可以采用不架設換撐的方案。

2.3.4坑外水位及換撐方案對支撐軸力的影響

地下水位的變化與支撐方案的選擇可以從支撐軸力上直觀反映，拆除第3和第4道支撐后地下水位與第1和第2道支撐軸力的關系如圖11和12所示。與2.3.1類似，以設計方案為基準，與其他方案進行比較。由圖11可知，在同一換撐方案下，地下水位的變化對第1道支撐的軸力幾乎沒有影響，故重點分析第2道支撐軸力的變化。由圖12可知，在同一支撐方案下，地下水位的變化與第2道支撐軸力成線性關系，在不架設換撐條件下，當坑外地下水位降至約-6 m時，第2道支撐軸力與設計方案相一致，故按照第2道支撐軸力要求，當坑外水位在-3～-6 m時，建議采用架設換撐的方案；當坑外水位為-6 m以下時，可以采用不架設換撐的方案。

圖9　不同坑外地下水位及換撐方案地連墻的彎矩

Fig. 9Bending moment of diaphragm under different underground water levels outside pit and associated supporting schemes

以設計方案即坑外水位-3 m，架設換撐為基準，“+”為增加，“-”為減少。

圖10地連墻最大彎矩與坑外地下水位關系圖

Fig. 10Relationship between the maximum bending moment of diaphragm wall and underground water level outside pit

以設計方案即坑外水位-3 m，架設換撐為基準，“+”為增加，“-”為減少。

圖11第1道支撐軸力與坑外地下水位關系圖

Fig. 11Relationship between the axial stress of support No.1 and underground water level outside pit

以設計方案即坑外水位-3 m，架設換撐為基準，“+”為增加，“-”為減少。

圖12第2道支撐軸力與坑外地下水位關系圖

Fig. 12Relationship between the axial stress of support No.2 and underground water level outside pit

綜合以上分析結果可知，當分別按照上述不同類型指標進行控制時，換撐方案的選擇對坑外地下水位有不同的要求。當需滿足上述全部要求時，不架設換撐方案的最高水位為-6.3 m，即當坑外水位在-3～-6.3 m時，建議采用架設換撐的方案； 當坑外水位小于-6.3 m時，可以考慮采用不架設換撐的方案。

3實測結果對比分析

通過對施工期間地下水位的現場監測發現，盡管本工程建設時間為夏季，長江水位處于高位； 但由于城中建設大規模降水影響，導致部分一級階地實測水位處于低位，較常年地下水位低4 m左右。本工程坑外水位實測為-7.5～-8.5 m，故以下分析中選取坑外水位為-8 m且不架設換撐工況下，拆除第3、4道支撐后地連墻側向位移、基坑周圍地表變形、地連墻彎矩等模擬結果與實測數據進行對比。

從前，喝酒、唱歌，那叫檔次；現在，做家務、陪家人，那叫靠譜。不管你是什么身份地位，能把重心放在靠譜上，才叫責任。

3.1地連墻側向位移

拆除第3、4道鋼支撐后地連墻實測水平位移與模擬結果的對比如圖13所示。由圖13可知，地連墻實測最大位移為27.84 mm，最大位移點位于-15 m； 地連墻數值模擬最大位移為27.46 mm，最大位移點位于-12 m。實測最大位移與數值模擬最大位移較為接近，且均在報警值30 mm范圍之內，但實測地連墻最大位移點比模擬結果向下偏移約3 m。究其原因，主要為底板澆筑后強度未達到要求即拆除第3、4道支撐，導致底板附近地連墻變形增大，最大水平位移點向下偏移。

圖13　地連墻實測側向位移與數值模擬對比

Fig. 13Comparison and contrast between the monitored horizontal displacement and numerical simulations of diaphragm wall

3.2基坑周圍地表變形

拆除第3、4道支撐后基坑周圍地表實測豎向位移與數值模擬的對比如圖14所示，由于實際監測中受場地及成本限制，在基坑周圍僅布置了5個地表測點。由圖14可知，實測地表沉降最大值為13.55 mm，該點距離地連墻7 m； 模擬地表沉降最大值為11.76 mm，該點距離地連墻9.46 m。實測地表豎向最大位移比模擬結果大1.79 mm，主要原因為第3、4道支撐拆除后，基坑底板未達到強度要求，故底板附近墻后土體向坑內移動，導致地表沉降增大。

圖14　地表實測位移與數值模擬對比

Fig. 14Comparison and contrast between the monitored ground surface settlement and numerical simulations of ground surface settlement

3.3土壓力

當基坑土方開挖后，坑周側向水土壓力將絕大部分由坑內支撐承擔[11]，因此為驗證坑外土體側向水土壓力的大小，可采用支撐軸力進行反算得到作用于圍護結構上的表觀土壓力與模擬土壓力、理論靜止土壓力、Rankine土壓力進行對比。

采用Terzaghi等[12]建議的反算方法，得到表觀土壓力沿基坑深度方向分布及其與模擬結果和理論土壓力對比如圖15所示。由圖15可知，表觀土壓力與模擬土壓力吻合較好，基本介于靜止土壓力和Rankine土壓力之間且靠近Rankine土壓力，但在-14～-17.66 m，表觀土壓力比模擬土壓力減小較多，以-15 m(基坑側向變形最大點)為例，表觀土壓力比模擬土壓力小33.9 kPa，約占模擬土壓力的33%，其原因可能是： 1)表觀土壓力是由支撐軸力反算得到的，而最下道支撐軸力受到基坑底部被動抗力影響較大，因此僅由支撐軸力反算得到的土壓力偏小[12]； 2)坑底附近變形較大，受到側向卸荷拱效應的影響[13-15]，導致坑底附近有效主動壓力偏小。

3.4地連墻彎矩

圖15　土壓力對比示意圖

圖16　地連墻實測反算彎矩與數值模擬對比

Fig. 16Comparison and contrast between the measured bending moment and numerical simulations of diaphragm wall

3.5支撐軸力

鋼支撐的軸力變化是深基坑監測的重要內容，它是驗證深基坑設計合理性和保證安全施工的重要依據。基坑支撐軸力實測結果與模擬結果對比如圖17所示。由圖17可知，在基坑開挖階段，第1道支撐軸力基本維持在1 100 kN，并隨著第2、3、4道支撐的施加，第1道支撐軸力略有減小，在換撐階段，當拆除第3、4道支撐之后，軸力迅速增大。第3道支撐軸力實測值比模擬值偏大，尤其在拆除第4道支撐后，其原因可能為第4道支撐拆除較早，底板未達到強度要求，導致第3、4道支撐附近地連墻向坑內變形增大，實測軸力偏大。第4道支撐實測軸力比模擬軸力偏小，其原因可能為實際開挖過程為分層、分段開挖，在監測斷面開挖完成前，同一平面上已架設的支撐分擔其荷載，同時第5層土開挖完成后迅速澆筑了底板，故其實測值偏小。

圖17支撐實測軸力與數值模擬對比(2014年)

Fig. 17Comparison and contrast between the measured axial stress of the supports and numerical simulations (in 2014)

綜合以上支撐軸力監測情況可知，當坑外水位為-7.5～-8 m時，第3、4道支撐同時拆除而不架設換撐的方案是可行的，支撐軸力均在允許值范圍內，且與數值模擬結果較為吻合。

4結論與討論

本文以武漢長江I級階地地鐵車站基坑工程為背景，采用數值模擬和實測相結合的方法，分析了目前武漢地鐵車站建設過程中存在的第3、4道支撐一起拆除而不架設換撐現象，通過分析地連墻變形、墻后地表沉降、地連墻彎矩和支撐軸力等，得出以下結論：

1)理論計算及實測數據分析表明，本工程采用不架設換撐的方案是可行的，而且在實踐中取得了成功。

2)當武漢長江I級階地地區的地下水位在-6.3 m以上時，基坑支護建議采用架設換撐的方案； 當坑外水位在-6.3 m以下時，可以考慮不架設換撐的方案。

3)武漢長江I級階地地區坑外水位的變化對地連墻整體變形產生明顯影響，其影響范圍約占地連墻深度的70%。相同水位不架設換撐方案比架設換撐的地連墻最大位移增加約10%，在安全范圍之內。

4)地下水位的變化和換撐方案的變化對基坑周圍地表沉降最大點的位置幾乎沒有影響，均位于地連墻后約10 m(即0.57He)。相同水位不架設換撐比架設換撐墻后地表最大沉降增加10%，在沉降控制范圍之內。

5)地下水位的變化對地連墻最大彎矩產生明顯影響，其影響范圍位于第2道支撐和底板之間。在相同水位時，不架設換撐將使最大彎矩點向下偏移至第3道支撐和換撐中間，最大彎矩增大約200 kN·m，在承載力范圍之內。

6)當采用相同換撐方案時，地下水位的變化對第1道支撐軸力幾乎沒有影響，對第2道支撐軸力影響較大，且地下水位與第2道支撐軸力呈線性關系。

7)由于施工過程中存在較多不確定因素，因此為加快施工進度，當采用同時拆除第3、4道支撐的方案時，需密切關注坑外水位及地連墻變形的變化，以保障工程的順利安全進行。

8)目前武漢地區的基坑研究主要集中于基坑地下水、基坑加固范圍與深度和地下連續墻深度等的理論分析，本文則針對基坑的支撐方案進行了實測分析與優化。

9)本文對武漢長江I級階某地鐵基坑支護設計、施工方案進行了分析和優化，且本工程的安全順利實施為該地區地鐵基坑支護設計、施工方案提供了參考依據。

10)本文僅針對武漢地區的一個地鐵基坑實測數據進行了分析，為進一步分析優化該地區地鐵基坑的支護方案，建議多搜集相關實測數據。

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Analysis on Optimization and Monitoring of Supporting Structure of A Deep

Metro Station Pit in First Terrace of Yangtze River in Wuhan, China

HUO Xiaobo1, LIAO Shaoming1,2

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;

2.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,

TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:Many Metros are building in the first terrace of the Yangtze River in Wuhan, China. During the backfill construction of Metro station pit, support replacement will delay the construction schedule of the major structure construction. In this regard, a non-support replacement scheme is proposed. In this paper, the deformation and bending moment of diaphragm wall, settlement of ground surface, and regulations of axial stress of support structures are analyzed under the conditions of underground water level variation and that support replacement and non-support keplacement. A case of a Metro station pit in Wuhan is taken as the research background. The comparison and contrast between the monitoring data and theoretical calculations shows that: 1) Water pressure on the underground diaphragm wall reduces as water level drops; 2) The horizontal displacement of diaphragm wall and ground surface settlement behind the diaphragm wall increase by 10% compared to those in the original design; 3) The bending moment of the diaphragm wall and axial stress of the support structure can meet the original design requirements, and the optimized support replacement scheme is feasible. The water level outside the pit and the deformation of the diaphragm should be focused on when non-support replacement scheme is used.

Keywords:Metro; foundation pit; support optimization; first terrace of Yangtze River

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)01-0071-09

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.011

作者簡介：第一 霍曉波(1990—)，男，山西陽泉人，同濟大學隧道及地下建筑工程專業在讀碩士，主要從事地鐵隧道和基坑等地下工程設計與施工控制關鍵技術研究。E-mail: huoxiaobo2012@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51378389)； 國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2015CB057806)

收稿日期：2015-08-26; 修回日期： 2015-09-25