某緊鄰地鐵深基坑支護設計及監測分析

王秀麗，舒麗紅，何春保

( 1．西安鐵路職業技術學院，陜西西安　710600; 2．華南農業大學水利與土木工程學院，廣東廣州　510642)

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某緊鄰地鐵深基坑支護設計及監測分析

王秀麗1，舒麗紅1，何春保2

( 1．西安鐵路職業技術學院，陜西西安710600; 2．華南農業大學水利與土木工程學院，廣東廣州510642)

摘要:某深基坑工程緊鄰地鐵車站一側，由于受場地限制，必須利用既有車站連續墻作為支護結構的一部分，而其它側根據相應地質條件采用旋挖樁加內支撐及預應力錨索的綜合支護方案。為了準確分析基坑開挖對地鐵車站和隧道結構的影響，按照基坑三維實體結構建立計算模型，進行三維有限元分析。同時，為了確保施工安全，在施工期間對基坑周邊的沉降、水平位移和內支撐軸力等進行了監測。計算和實測結果表明:基坑支護變形和受力滿足規范要求。基坑支護結構設計方案是可行的，可供類似工程參考。

關鍵詞:深基坑工程基坑支護設計計算監測

1　工程概況

某銀行大廈項目位于深圳市福田中心區鵬程一路與深南大道交匯處東北角，主體建筑由主塔樓和輔助裙房組成，采用型鋼混凝土框架結構，總建筑面積108 726 m2。主塔樓地上37層，總高度178. 85 m，裙房地上5層，高度23. 65 m，地下室共有4層，主體基坑開挖深度20. 75～21. 50 m。

場地內分布的地層主要有人工填土層、第四系沖洪積層、殘積層，下伏基巖為燕山晚期花崗巖。巖土物理力學指標如表1所示。

表1巖土層物理力學指標

場地地下水類型以潛水為主，主要賦存于第四系各地層中，受場地東側地鐵施工降水影響，場地地下水位埋深較大，一般介于7. 60～13. 50 m。地下水對混凝土及鋼筋有弱腐蝕性。

場地周邊環境復雜，東側為深圳地鐵3號線福田車站及少年宮～福田盾構區間，南側為深南大道輔道及地鐵地下通道，西側為鵬程一路和深圳廣電大廈。

設計施工難點主要有兩個方面:

1)基坑東側臨近地鐵隧道和地鐵福田站，必須控制基坑開挖對其的影響。

2)基坑東側南段由于旋挖樁施工空間不足，需利用地鐵福田站原有連續墻(厚度800 mm)作為圍護結構。

2　設計方案

考慮到周邊地鐵車站、盾構及地下通道影響，基坑支護安全等級取為一級，采用內支撐體系進行基坑支護。其中:①基坑東側北段及基坑南側采用旋挖咬合樁作為圍護結構;②基坑東側南段征得地鐵公司同意后利用該車站原有連續墻(厚度800 mm)作為圍護結構，同時為保持地鐵車站受力平衡，基坑內支撐軸線標高與地鐵三號線福田站樓板軸線標高相一致;③基坑南側臨近深南大道輔道，支護結構外側深度5. 6 m位置存在一擬建地鐵福田站人行通道，因此基坑支護亦采用咬合樁，樁底入基坑底6. 0 m;④基坑西側及北側場地較空曠，采用旋挖樁+樁間旋噴止水。

根據地鐵公司要求，本基坑在利用福田站地下連續墻作為圍護結構時，應避免在該連續墻上植筋。為保證該支護段基坑腰梁不產生豎向位移，在內支撐與腰梁位置設置豎向18#工字鋼，工字鋼底部入坑底5. 0 m。基坑支護平面布置見圖1，剖面設計見圖2。

圖1基坑支護平面及控制測點布置(單位: mm)

圖2基坑支護剖面(單位: mm)

3　三維有限元分析

為了加強對地鐵結構的保護，利用Ansys軟件建立三維有限元分析模型詳細分析基坑開挖對地鐵隧道的影響。其中:

①支撐梁(鋼筋混凝土矩形梁)，采用Beam3梁單元模型，截面尺寸為0. 8 m×1. 0 m;

②支撐立柱(直徑0. 8 m旋挖樁)，采用Pipe16管單元模型;

③基坑腰梁，采用Beam3梁單元模型，截面尺寸0. 8 m×1. 0 m;

④基坑支護樁(樁徑1. 2 m的旋挖樁)，采用Shell殼單元模型進行近似模擬，單元厚度0. 8 m;

⑤地鐵車站樓板，模型采用Shell殼單元進行模擬，頂板、底板及樓板厚度均按0. 5 m考慮;

⑥地鐵車站外墻，車站西側外墻為0. 8 m厚地下連續墻+ 0. 4 m厚襯墻，東側外墻為直徑1. 2 m鉆孔樁+ 0. 4 m厚襯墻。模型采用Shell殼單元進行模擬，厚度均按0. 8 m考慮。

主要計算條件設置:①基坑支撐立柱底端位移、支護樁底端位移、車站連續墻及旋挖樁底端位移、車站在模型中截斷的斷面Y方向位移均取為0;②根據各剖面反力計算結果，第1至第3道支撐冠(腰)梁的均布荷載分別為372. 75，792. 9及497. 0 kN/m;③考慮地鐵福田車站東側為新近回填的證交所基坑，對地鐵頂板、樓板自上到下施加對應基坑位置50%的均布力，即分別為186. 38，396. 45及248. 5 kN/m。三維有限元模型如圖3所示。

圖3有限元計算模型

計算得到的圍護結構、內支撐結構和地鐵車站的位移如表2所示，表中支護結構的位移方向均向坑內。

表2主要結構位移計算結果

綜合計算結果，得到內支撐最大彎矩為780. 5 kN·m，支護結構最大位移為20. 3 mm。地鐵隧道和福田車站最大位移為6. 48 mm，遠小于地鐵變形控制標準值15～20 mm。

4　監測方案與監測結果分析

4. 1監測方案

根據本基坑場地條件和基坑設計和監測相關規范要求，主要監測以下內容:①圍護結構水平位移;②基坑沉降;③支撐軸力;④水位和周邊建筑物、道路、管線變形等。主要測點布置如圖1所示。

監測頻率為:①基坑開挖期間2次/1 d，底板施工完后1次/2 d;②監測頻率可根據監測數據變化或異常情況進行調整。

監測控制標準如下:

1)基坑坑頂最大水平位移允許值為0. 25% H(坑深)即45 mm，最大沉降允許值為45 mm。

2)基坑東側北段臨近地鐵盾構區間，基坑坑底位置支護樁水平變形量≤15 mm，將地鐵軌道變形控制在允許范圍內。

3)基坑東側南段臨近地鐵福田站，地鐵連續墻水平變形量≤5 mm。

4)基坑變形警戒值取上述允許值的80%。

4. 2監測結果

1)坑頂沉降

基坑邊共布置12個沉降監測點，測得的主要測點坑頂沉降如圖4所示。

圖4沉降變化曲線

基坑邊沉降最大為10. 25 mm，滿足基坑沉降的控制標準要求。

2)支撐軸力

內支撐結構上主要布置12組支撐軸力監測點，測得的主要測點支撐軸力如圖5所示。

支撐軸力比較離散，支撐軸力變化主要發生在前期土方開挖階段( 2012年3月—2012年11月)，底板和地下室施工期間( 2012年11月以后)變化較為穩定，ZL12- 2測點最大值1 687 kN，小于計算值3 220 kN，說明本項目基坑實際受力情況小于設計荷載，基坑支撐受力較為安全。

圖5支撐軸力曲線

3)水平位移

共布置10個水平位移監測點，測得的主要測點坑頂水平位移如圖6所示。

圖6水平位移變化曲線

監測表明基坑水平位移主要發生在土方開挖階段，基坑開挖結束后位移趨于穩定，最大位移發生在基坑西側，達到了9. 5 mm，小于三維有限元計算結果( 20. 3 mm)，遠小于位移控制值0. 25% H( 45 mm)，說明基坑實際變形與設計參數和現場實際施工情況相關，實際受力比理論計算要小。

4)圍護結構傾斜

共布置7個圍護結構傾斜監測點，測得的地鐵結構主要測點CX03傾斜情況如圖7所示。

圖7測斜孔不同深度水平位移變化曲線

測試數據表明:在基坑支撐點有明顯的變形拐點;地鐵福田車站總的變形量較小，最大約為6. 2 mm，與有限元分析結果基本相近，較好地保證了車站的正常使用。

5　結語

1)本項目采用Ansys軟件進行基坑支護結構與地鐵車站三維模擬分析，外荷載為通過剖面計算結果轉化的均布荷載(車站東側外荷載減半)，并根據實際情況設定邊界條件，基坑坑頂最大位移約為20. 3 mm，坑邊最大沉降為10. 25 mm，分別小于規范要求的一級基坑0. 25% H和30 mm的要求，計算結果表明基本符合工程實際。

2)在場地有限的情況下，利用既有地鐵車站連續墻結構作為支護結構，通過合理設置支撐位置，保持地鐵結構的受力均衡，能夠較好地解決緊鄰地鐵深基坑工程施工空間限制問題。

3)三維有限元分析和實測數據表明該方案利用地鐵車站連續墻作為基坑圍護結構是合理的，滿足地鐵結構受力和位移控制要求，確保了該項目的順利實施。本項目可為今后類似工程提供借鑒。

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(責任審編孟慶伶)

Support design of certain deep foundation pit near metro structure and its monitoring analysis

WANG Xiuli1，SHU Lihong1，HE Chunbao2
( 1．Xi'an Railway Vocational＆Technical Institute，Xi'an Shaanxi 710600，China; 2．College of Water Conservancy and Civil Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou Guangdong 510642，China)

Abstract:Constrained by space limitations，the deep foundation pit project closed to the metro station side made use of the existing station diaphragm wall as retaining structure，and rotating drill pile with interior support and prestressed anchor cable were used in the other sides according to geological conditions．T he key of the foundation pit project was how to control the affect of foundation pit excavation on metro structure．In order to accurately analysis the influence of foundation excavation on metro station and tunnel structures，3D finite element model was established based on the foundation pit 3D solid model．A monitoring system including the settlement of foundation pit，horizontal displacement，and axial force of interior supporting structure was proposed to ensure the construction safety．T he results and measured data according to design scheme of foundation pit show that the support deformation and force meet the criterion request，and the supporting structure scheme is feasible．T his design project can be a reference for similar engineering．

Key words:Deep foundation pit; Foundation supporting structure; Design and calculation; M onitoring

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0080-04

作者簡介:王秀麗( 1973—)，女，副教授。

收稿日期:2015-09-16;修回日期: 2015-11-26

中圖分類號:TU94+2

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．20