地鐵換乘站偏壓基坑設計淺談

[摘要]結合武漢地鐵3號線某換乘車站基坑，采用理論分析結合數值模擬的方法分析坑中坑偏壓基坑的變形機理，圍護結構的變形特點，提出改善坑中坑受力措施及支撐體系設計方法。結果表明：不對稱坑中坑在開挖過程中，支護體系的變形與常規對稱基坑不同，受內坑開挖影響，基坑左右側圍護樁的變形不對稱，總體而言樁體上部水平位移向外坑側偏移；內、外坑之間未開挖土體應力狀態復雜，在設計及施工過程中應重視該區域，通過調整施工工序，先施做外掛底板再進行內坑開挖能有效改善基坑變形；在偏壓作用下，基坑支撐設計應對支撐體系進行整體平面計算，分析支撐的受力及變形，應對支撐水平向鋼筋進行加強。

[關鍵詞]地鐵換乘站；偏壓基坑；變形；數值分析

1、引言

隨著我國經濟的快速發展，我國城市化進程越來越快，但隨之而來的交通擁堵問題已經成為了許多城市在發展過程中面臨的難題。城市軌道交通具有快速、大運量、方便、準時、舒適、節能等特點，在解決交通擁堵問題上有著其它交通工具不可代替的作用，隨著地鐵線路的日益增多，線網之間的換乘站也日益增多，結構設計變得越來越復雜。換乘節點基坑一般存在形狀不規則、深淺坑等特點，給基坑支護設計帶來新的難題。

目前，已有學者對坑中坑的受力及變形特點做了研究。申明亮等分析了內坑影響的基坑被動土壓力疊加算法并對基坑應力場進行了參數化分析；田亞光結合工程實踐，提出了坑中坑基坑工程在設計和施工中應注意的問題；唐文鵬結合實例給出了偏壓基坑設計的基本思路和具體的計算過程，并通過分析計算結果提出偏壓基坑需要注意的事項。盡管坑中坑已逐漸引起工程設計人員的重視，并開展了相關研究，取得了有益的成果，但當前的主要研究內容集中在基于對稱基坑的開挖，而基于整體考慮的非對稱坑中坑的開挖對于支護結構的變形特性分析較少，特別是針對偏壓基坑的受力及變形特點尚未提出較好的設計計算方法及改善措施，現有研究成果難以運用于實際工程。

本文結合工程實例，對坑中坑偏壓基坑進行有限元數值模擬，分析偏壓基坑在開挖過程中的受力及變形特點，指出偏壓基坑設計中的重難點，為以后換乘車站偏壓基坑的設計提供參考。

2、坑中坑偏壓基坑變形機理分析

基坑工程的特殊性在于開挖卸荷，對于坑中坑，基坑開挖一般分為2個階段，第一階段挖除外坑（5區）的全部土體，第二階段挖除內坑（6區）的土體。在基坑開挖過程中，不同部位的土體在卸荷時的應力路徑是不一樣的，詳見附圖1所示。

1、4區（側向卸荷）：在基坑開挖前，這一區土體豎直方向的自重應力是大主應力a1，水平方向的靜止土壓力是小主應力a3，隨著基坑的開挖，支護結構向坑內發生側移，基坑壁的水平位移不斷增大，土體側應力減小，豎向應力變化幅度很小，可認為其保持不變。水平向應力介于靜止土壓力和主動土壓力之間；

2區（軸向卸荷）：坑底土體由于上部土體被挖除，上覆土壓力減小，土體發生軸向卸荷。

3區（過渡區域）：該區域的土體既有側向卸荷也有軸向卸荷，屬于卸荷過渡區，在基坑開挖過程中，土體水平向和豎向應力都改變，主應力的方向發生轉動。該區域應力狀態較為復雜。

3、工程概況

武漢市軌道交通3號線某換乘站位于東風大道與車城北路交匯處，為3、6號線換乘站，換乘方式為T形換乘，3號線為地下三層站，6號線為地下兩層站，換乘節點與外掛風亭合建。車站長約187m，標準段寬23.1m，換乘節點段基坑外包寬度約46.7m，主體結構基坑深度約24.6m，換乘節點外掛段基坑深度約18.2m。換乘節點與主體結構一同開挖，圍護結構采用1200@1500鉆孔灌注樁+五道內支撐體系，其中1-4道為鋼筋砼支撐，第5道為鋼支撐。換乘節點圍護結構典型橫斷面如圖2所示。

根據地勘報告，本站場區地層從上到下主要為1-2素填土、10-3粉質粘土、侶黏土、15a-1強風化泥質粉砂巖、15a-2中風化泥質粉砂巖、15a-a泥質粗砂巖。

4、有限元計算模型

本次研究采用有限元計算軟件Plaxis 2D進行計算分析。3層段基坑標準段寬23.4m，深24.6m，外掛段基坑寬46.7m，深18.2m，計算模型長110m，高55m。基坑的位移邊界為：模型頂部為自由邊界；模型的左、右邊界采取法向約束；模型的下邊界為固定約束。地面超載取20kPa，作用寬度為10m。土體采用硬化土模型（HS）模擬，支護樁用板單元來模擬，支撐用點對點錨桿來模擬，計算參數按表1～表3取值。計算模型如圖3所示。

5、計算結果

基坑開挖過程就是土體卸荷的過程，對于普通基坑，由于土體卸荷，支護樁向基坑內側移動；對于坑中坑引起的偏壓基坑，由于受內坑開挖的影響，支護樁的受力及變形與常規的基坑不同，現結合有限元計算結果對坑中坑支護樁的水平位移進行分析。支護樁的水平位移如圖4所示。

（1）對于左側支護樁，在基坑開挖過程中，樁體水平位移呈“鼓肚狀”，且隨著基坑開挖深度的增加，最大水平位移值不斷加大，最大位移的位置也不斷下移，且由于開挖3區土體既有側向卸荷，也有軸向卸荷，內坑開挖過程中，樁體位移變化較大，最大位移值由17.6mm增大到25.3mm，最大位移的位置變化較小，稍有下移。

（2）對于右側支護樁，隨著基坑開挖深度的增加，樁體的水平位移不斷加大，但變化趨勢與左側樁差別較大。當基坑開挖較淺時（圖中施做第二道支撐工況），兩側支護樁嵌固深度均較長，左右兩側樁體的變形基本一致；隨著基坑開挖深度的加大，左右兩側樁體由于不對稱受力，左側樁體持續向坑內變形，右側樁體受上部支撐傳力影響，樁身上部和下部發生反向傾斜，上部向坑外變形，下部向坑內變形。

（3）對于中間支護樁，前期上部基坑開挖對樁體位移基本無影響，隨著內坑的開挖，3區土體應力狀態較復雜，首先上部基坑開挖導致軸向卸荷，其次內側基坑開挖導致側向卸荷，同時受到左側及中間支護樁和其間內支撐作用，中間支護樁上部向坑外發生較大變形，下部向基坑內側變形。

鑒于內坑開挖時，三個位置的支護樁變形較大，且有向右側偏移的趨勢，考慮在開挖到淺坑基底時，先將外掛段底板施做完成后，與第四道支撐形成傳力體系，進一步分析樁體的水平位移。外掛段底板采用點對點錨桿模擬。

開挖到深坑底時，兩個工況下的樁體水平位移如圖5所示。由計算結果可知，開挖到淺坑基底后，先施做淺坑底板，與第四道支撐形成傳力體系，同時，限制了3區土體后續的基底隆起，左側支護樁的水平位移在內坑開挖過程中得到了有效控制，最大位移值由25.3mm減小至17.6mm；右側支護樁下部位移也得到了控制，“踢腳”趨勢明顯減小；中間支護樁因外側土體軸向卸荷得到了控制，樁頂位移減小，內坑開挖對樁的影響減小。加強3區土體被動區抗力、控制3區土體隆起對控制基坑的整體變形效果較為明顯。

6、支撐設計

換乘節點基坑一般形狀不規則，規模相對較大，且存在坑中坑。由前文研究結果可知，深淺坑的存在，會對整個支撐體系的受力產生影響，內外側不平衡的土壓力會產生偏壓，導致支撐兩端受力不均衡，僅根據理正斷面計算結果，采用單根對撐或斜撐計算方法來進行支撐設計是不妥當的，還應根據偏壓受力，對支撐體系進行平面分析計算，不同位置應根據計算施加不同的支撐力。

設計思路為采用理正深基坑支護計算軟件根據內外側不同基坑斷面進行計算，得到不同斷面支撐的每延米支撐軸力，之后將該軸力作為均布荷載加到支撐平面體系的腰梁上，邊界條件為不相交于一點的3根鏈桿，支撐體系受力分析采用有限元計算軟件MIDAS GEN2014。

理正深基坑計算可參見文獻相關內容，本文不再贅述，同時，受篇幅影響，本文僅以第三道支撐體系分析計算為例作為說明。計算模型如圖6所示。

由計算結果可知，支撐體系在偏壓作用下，受力并不均衡，支撐出現了較大的水平彎矩，支撐的最大水平彎矩994KN，在支撐設計時，除考慮豎向壓彎作用，尚應考慮水平向彎矩，加強支撐水平向鋼筋；同時，角部位置應力集中，彎矩及變形較大，在設計中應加強角部支撐。支撐體系平面計算結果如圖7所示。

目前3號線已通車，基坑施工過程中位移控制效果較好，不同位置支護樁變形及受力與計算較吻合。

結論：

（1）坑中坑內坑開挖過程，對整個基坑支護體系的受力及變形有影響，總體而言，深坑支護樁水平位移均向坑內，淺坑支護樁及中間支護樁上部位移向坑外，下部位移向坑內，呈現“踢腳”變形趨勢。

（2）內坑與外坑之間未開挖土體在側向卸荷和軸向卸荷雙重作用下應力狀態較為復雜，加強該區域土體的抗力，限制該區域土體的隆起變形，對整個基坑的受力及變形較為有利，在內坑開挖過程中可根據地層對該區土體進行加固改良，或先將外掛段底板澆筑完成與內坑支撐形成傳力體系后再進行內坑開挖是較為可行的措施。同時，應加強對該區域的監測，做到信息化施工。

（3）在偏壓基坑作用下，支撐設計不能簡單的按照普通的對撐或斜撐設計，尚應結合整體平面計算，分析支撐體系在偏壓作用下的受力及變形，應對支撐水平向鋼筋進行加強。