緊鄰地鐵基坑支護設計的優化方法

任貴生

（北京市地質工程公司，北京100143）

緊鄰地鐵基坑支護設計的優化方法

任貴生

（北京市地質工程公司，北京100143）

與既有地鐵結構臨近深大基坑的支護設計因受到各種因素的影響，極易出現支護設計過于冒進或過于保守兩種情況。本文探討的與地鐵臨近深大基坑支護設計的優化方法，在闡述基坑支護設計優化方案的同時，根據擬建基坑與緊鄰地鐵結構在空間上的位置關系，將此類型基坑又細分為擬建基坑位于地鐵隧道上方、擬開挖基坑位于地鐵結構一側開挖深度小于地鐵結構基礎埋深及基坑開挖深度大于地鐵埋深三種類型。明確了設計優化階段的劃分及流程，并通過案例介紹，指出通過對多個單項工程優化經驗的積累，可進一步提高該類型基坑支護設計的整體水平。

基坑支護設計；地鐵；設計優化；基坑監測

0 前言

20世紀90年代末至2010年間，基坑支護工程在基坑支護設計過程中往往會出現兩種極端情況：一種情況是施工設計單位為了降低工程造價，提高工程中標的概率，設計支護方式過于冒進，這樣即使在施工過程中很好的控制了施工質量，也往往還會造成基坑坍塌事故的發生；另外一種情況是支護設計方案過于保守，這種情況往往不易引起人們的重視，但卻造成社會財富的浪費。近年來，隨著經驗的積累，深大基坑工程設計理念及安全冗余系數取值日趨統一，基坑支護設計也越發成熟。

但隨著近些年地鐵建設的蓬勃發展，與既有地鐵臨近深大基坑工程不斷涌現，對該類型工程的支護設計也出現了類似問題：要么支護設計按照常規場地條件考慮或因缺乏經驗而隨意冒進，忽視基坑支護對既有地鐵結構可能產生的不利影響；要么過度夸大基坑開挖可能造成的對既有地鐵結構的影響，不敢“輕易”在地鐵結構周邊施工，造成社會財富浪費的同時，亦限制了巖土工程技術的向前發展。

本文探討的與地鐵臨近深大基坑設計的優化方法，就是研究如何找到一個既能做到解決支護結構及臨近既有地鐵結構穩定安全又能經濟、快速實現施工目標的設計方案，即對設計方案進行優化。

1 設計方案優化的內容

對臨近既有地鐵結構的深基坑工程進行優化的內容應包括以下四個方面（徐楊青，1997；徐楊青，2001）：

（1）支護措施的可靠性，技術工法的先進性及施工的可行性。技術措施的可靠性主要指支護設計所選定的支護工藝參數對實現維持邊坡穩定及地下水控制等基坑支護目標切實有效、可行。支護工法的先進性主要指為實現設計支護工藝而采用的施工方法或技術措施及配套機械等的先進性，技術工法的先進性體現在施工效率較其它工法施工效率有所提高、施工質量更好且穩定、更利于節約成本或對環境污染影響有所降低等。例如：近些年在北京地區廣泛采用的長螺旋壓灌混凝土反插鋼筋籠成樁工法因其較高的施工效率、較低的施工單價及污染水平，在護坡樁及基礎樁施工領域搶占了很大的反循環及旋挖施工的份額。施工的可行性指設計選定的支護工藝在目前施工技術水平或實際場地條件下切實可行。例如，某個基坑支護項目，擬建結構外皮距離已有建筑外墻僅1.2m，支護設計單位在沒有對項目周邊環境進行現場踏勘的情況下就編制出了一套采用600mm直徑護坡樁進行支護的方案，結果因鉆機無法正常就位，不得不調整方案，誤時費力。因此支護方案要切實可行，應遵循以下兩個原則：第一，在現有的技術水平或設備施工能力下或對現有技術工藝進行改進可以實現；第二，支護設計前要認真進行現場踏勘，了解周邊構筑物、地下管線埋設情況，施工允許作業面寬度等。這樣編制出來的設計文件才能夠做到切實可行。

（2）經濟效益合理化。能夠在支護設計成本控制與所選定支護工藝安全冗余之間找到合理平衡點就是經濟效益合理化的目標。

（3）對支護方案的優化應系統性分析所選用支護方案對周邊環境的影響狀況及后期使用效果。最優方案應是滿足受基坑開挖影響周邊環境的要求，基坑開挖完成后使用效果較好的方案。

（4）最有利于縮短施工工期。支護方式的選型和施工工藝的選擇對施工進度都會產生影響。方案優化過程中，要結合基坑的具體使用功能在兼顧安全及造價的基礎上選擇最利于縮短工期的支護方式及施工工藝。

2 緊臨既有地鐵深基坑工程的特點及分類

對于與地鐵結構臨近的基坑設計，初步定性判斷基坑與臨近地體結構的相互影響程度，對支護設計非常必要。根據擬建基坑與既有地鐵結構的空間位置關系，可將緊臨既有地鐵結構的深大基坑初步分為以下3種類型：

第一類：既有地鐵隧道或站體位于擬開挖深大基坑的一側，地鐵隧道或站體基底埋深大于擬開挖基坑。該類情況在地鐵結構采用明挖法或暗挖法施工時皆能出現。此類空間位置關系，因擬建基坑開挖是對地鐵結構主動土壓力區卸荷，在確保基坑施工不破壞既有地鐵結構的配套設施的情況下，對既有地鐵結構的影響較小。

第二類：既有地鐵隧道或站體位于擬開挖深大基坑的一側，隧道或站體基底埋深小于或等同于擬建深大基坑，該類情況在地鐵結構采用明挖法或暗挖法施工時皆能出現。由于是在地鐵結構的單側卸荷開挖且開挖深度大于既有地鐵結構的基底埋深，因此會造成地鐵結構基底土層的應力重新分布，同時由于單側開挖可能造成的地鐵結構的不對稱變形，問題較為復雜。

第三類：深大基坑在既有地鐵隧道上方開挖，該類情況又細分為地鐵隧道橫向下穿和縱向下穿擬開挖基坑。因受規劃程序限制，地鐵施工在前擬建基坑開挖在后，因此此類基坑只出現在采用暗挖法施工的地鐵隧道上方。由于是在地鐵隧道上方卸荷，相當于是減小了地鐵隧道上方的配重，在抗浮設防水位較高的地區，需要解決基坑開挖造成的地鐵隧道上浮問題；由于卸荷造成的地鐵隧道區間結構上浮雖不會對結構造成破壞性的影響,但由于此種狀態下既有地鐵隧道結構變形模式與原始設計相悖,風險較大（余曉琳，2010）。同時，當隧道拱頂臨近基坑開挖邊線且與擬建基坑基底較為接近時，會造成擬開挖基坑支護體系的嵌固深度不足或擬建構筑物抗浮問題難以解決的棘手問題。

3 設計方案優化的階段劃分及流程

3.1 優化階段劃分

對臨近既有地鐵結構的深基坑工程，進行優化應按照以下4個階段進行：

系統性優化：根據對概念性設計階段所初步擬定的幾套設計方案，進行支護措施的可靠性、技術工法的先進性及施工的可行性、經濟效益的合理性、支護方案對周邊環境的影響及使用效果、工期的可控性等內容，進行綜合性的對比分析，選擇出最佳的支護方案類型，這一階段是依據經驗進行的概念化設計階段，是優化設計的第一步，也是進行設計優化的核心內容。

設計計算優化：這一階段是在最佳方案選定后，對所采用的方案進行驗算校核，通過驗算校核分析支護方案細部優化的可行性。例如：通過驗算確定護坡樁的合理嵌固深度、錨桿或支撐的道數或層數等，通過調整支護方案中各支護工藝的參數或位置，使得基坑支護體系的受力更為合理，造價更低，是基坑設計優化的細部調整及理論驗證階段，也是基坑設計優化的重要輔助手段。

施工監測的印證優化：通過對基坑工程施工過程的動態監測，實現信息化施工，在預防工程施工發生事故的同時，便于通過監測數據驗證支護方案的可行性，也利于找出設計方案或施工過程中存在的不足，這一階段是通過反演分析的方法對設計方案優化水平的一個評判階段，也是設計方案優化經驗的積累階段。通過對基坑設計優化經驗的積累進一步提高系統優化的水平，形成良性循環，利于促進與既有地鐵結構臨近深大基坑支護設計水平的提高。

隨著數據收集及經驗的積累，行業整體設計水平提升。通過對臨近既有地鐵結構深大基坑支護設計優化分析經驗的不斷積累，將提高臨近既有地鐵結構深大基坑施工時對地鐵結構及附屬設施影響程度的經驗判斷的準確性，更利于選擇施工效率高、穩定性好的施工工藝，促進臨近既有地鐵結構深大基坑支護設計水平的不斷向前發展。

3.2 設計優化流程

依據本文提出的與既有地鐵結構臨近深大基坑工程優化分析的內容與階段劃分，總結出具體項目設計方案的優化流程（圖1）。

圖1 支護設計優化流程圖Fig.1 supporting design optim ization fow chart

通過對個體項目的優化，收集數據，積累經驗，進一步提高對該類項目的設計優化水平。

4 優化方案

針對臨近既有地鐵結構深大基坑支護設計的特點，明確以控制擬開挖基坑穩定為支護設計目標的同時需兼顧臨近地鐵站體、隧道及附屬設施安全運營的需要，結合基坑開挖深度、地下水埋深及滲流情況、地層物理力學性質及地鐵結構與擬開挖基坑之間的空間位置關系，先依靠經驗判斷提出多套可供采用的概念化設計方案后，通過對方案的有效性、先進性、可實施性、對臨近地鐵結構影響的可控性、經濟效益的合理性及工期的節省程度等方面進行綜合性評價，選出最優方案，更利于臨近既有地鐵結構基坑工程施工效益的最大化。

對與北京地區較常采用的放坡開挖、土釘墻（復合土釘墻）、樁錨支護（樁加內支撐支護）及地下連續墻（地下連續墻加內支撐支護）支護工藝，在進行穩定性、對臨近既有地鐵結構影響的可控性及工程造價方面的評定時，基坑穩定性的安全冗余、對地鐵結構影響的控制效果及支護工程施工成本按照如下順序遞增（圖2）：

圖2 各類支護工藝穩定性冗余及造價遞增圖Fig.2 Safty factor and cost increasing chart

從圖2可以看出，支護工藝的安全有效性與支護結構的造價存在不可調和矛盾，要想基坑支護措施安全冗余系數大，就必須增加施工造價；若施工造價降低程度過大，就必須承擔因此而引發的施工風險，對設計方案進行優化，更利于將“好鋼用在刀刃上”。

對于工程造價的合理控制，可以通過核算供選方案的成本計劃，對工程合理造價進行評估，基坑支護工程的施工成本總價主要由人工機械費、材料費及管理費3個部分構成，對施工內容進行合理列項，計算出每套方案的施工成本并不太難。表1 為某項目的成本計劃評估截選。

對于工期節約的控制，要結合施工工法、支護設計工藝具體分析確定，如單純采用懸臂樁支護工藝較樁錨支護工藝節省工期；對于護坡樁施工各類工法而言，在北京非卵礫石地區，長螺旋成孔壓灌超流態混凝土反插鋼筋籠成樁工法就比旋挖成樁、反循環成樁工法效率高得多。

望京某基坑支護工程緊鄰即將竣工交付使用的地鐵十四號線21標段，基坑開挖深度14.36～18.02m，基坑整體呈倒“L”形，涉及基坑位于隧道上方及一側兩類空間位置關系。支護設計要解決基坑開挖卸荷對下方隧道造成的上浮影響；因隧道頂部緊貼基底采用樁錨支護嵌固過短影響基坑整體穩定性的問題；確保地鐵結構及基坑周邊管線變形穩定的問題及地下水控制的問題（圖3）。

項目實施過程中進行了多次方案比選分析，對支護方案的選型、擬建構筑物抗浮及下方隧道上浮、地下水控制方式的選型及實施工藝等進行了一系列優化，最終通過方案的優化分析，圓滿完成設計施工任務。另外，項目實施過程中，除根據規范（張旭等，2008）對基坑、周邊地面、構筑物及管線等進行了常規監測外，還對既有地鐵結構進行了專項監測，監測內容涵蓋軌道結構豎向變形、隧道結構收斂、線路鋼軌位移及接觸網收斂檢測等（鄭剛等，2016），收集了大量資料數據（圖4）。

表1 某支護設計成本評估表Tab.1 Supporting design cost analysis table

圖3 基坑隧道平面位置關系圖Fig. 3 Plan of the relationship between foundation pit and tunnel

圖4 典型隧道基坑位置關系剖面圖Fig.4 Section plan of the typical relationship between foundation pit and tunnel

5 結語

與既有地鐵結構臨近深大基坑工程設計方案的優化分析是一個系統性工程，通過對單個工程的優化分析，可進一步提高該類型基坑支護設計的整體水平。研究課題結合北京地區經常采用的支護工藝、施工工法及區域性水文地質、工程地質條件的特點等，對已經出現的與既有地鐵結構臨近深大基坑工程根據空間位置關系及相互間的影響進行了初步分類，指出了設計方案優化的內容、階段劃分及優化流程，總結通過對不同類型支護方案優化后的反演驗證優化分析的效果，從而可進一步提高類似工程的設計水平，更好的評估新開挖基坑對既有地鐵站體及附屬結構影響的程度，掌握新開挖基坑對既有地鐵站體及附屬結構的影響規律，將是一種行之有效的設計水平提升手段。

徐楊青，1997. 深基坑支護結構的優化設計計算[J]. 巖土力學，19(2)：57-61.

徐楊青，2001. 深基坑工程設計的優化原理與途徑[J]. 巖石力學與工程學報，20(2)：248-251.

余曉琳，2010. 基坑施工對下方運營地鐵隧道影響的研究[J].科學技術與工程，10(23)：5662-5667.

張旭，邵華，季蓓蓉，2008. 基坑開挖施工對臨近地鐵影響的實測分析[J]. 上海地質，(2)：27-29，34.

鄭剛，杜一鳴，刁鈺，等，2016. 基坑開挖引起鄰近既有隧道變形的影響區研究[J]. 巖土工程學報，38(4)：599-612.

Discussion on the Optim ization M ethod of Deep Foundation Pit Supporting Design near Subways

REN Guisheng

(Beijing Geo-engineering Company, Beijing 100143 )

Supporting design of foundation pit should consider various factors, if not, there are two kinds of situation—too risky situation or too safe situation to appear easily. In this paper, the design optim ization of foundation pit supporting is discussed. The foundation pit is divided into three types according to the spatial position between the foundation pit and the subway. The stage division and process of design optim ization are defned as an example. It is pointed out that the overall level of supporting design of foundation pit can be further improved by the accumulation of the optim ization experience of a number of individual projects.

Foundation pit supporting design; Subw ay; Optim ization of foundation pit supporting design; Monitoring

A

1007-1903（2017）02-0113-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.023

任貴生（1978- ），男，碩士，主要研究方向為巖土工程。E-mail：regs@163.com