基坑圍護設計對鄰近地鐵結構影響分析

江曉峰

（上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著城市化進程的加快，建筑用地越來越緊張，在地體車站附近進行工程活動變得不可避免，鄰近地鐵的深基坑開挖已經成為影響地鐵隧道安全的一個重要的因素。當地鐵車站、區間等處于基坑開挖的影響范圍內，開挖引起的地層擾動會引起地鐵結構的附加位移和受力，甚至會引起區間與車站錯位，影響正常運營。為此，基坑設計應該在滿足強度要求的基礎上實現對周邊擾動土體的變形控制，以滿足保護鄰近地鐵結構的安全正常使用要求[1-4]。

本文通過對某一基坑的工程實例，探討在復雜環境條件，周邊存在重要保護地鐵結構的基坑圍護分析和設計。

1 工程概況

1.1 基坑概況

本工程為某雨污水泵站改擴建工程，采用全地下式泵房的布置形式，工程位于寧波市江東區，場地北側緊鄰北側軌道1號線交通江廈橋東站。泵站基坑分兩部分區域：（1）主泵房基坑：基坑尺寸為35 m×19.8 m，基坑面積約為607 m2，為規則矩形，開挖深度13.15 m。（2）變配電間基坑：基坑尺寸為14 m×13.2 m，基坑面積約為148 m2，為不規則形，開挖深度7.25 m。

基坑總平面見圖1。

圖1 基坑總平面圖

1.2 地質概況

基坑開挖及圍護影響深度范圍內主要地層為①0層雜填土、①1層黏土、②1層淤泥質黏土、②2層黏土、②3層淤泥、②4層淤泥質黏土、③層粉質黏土夾粉土、⑤1層粉質黏土、⑤2層粉質黏土。勘察期間實測地下水位埋深一般為0.70～1.80 m左右，相當于1985國家高程基準1.43～1.74 m之間，見表1。

表1 地層特性表

1.3 地鐵車站情況

本次基坑三倍開挖深度影響范圍內主要包含地鐵車站、車站C出入口、地鐵區間三部分。

（1）地鐵車站

地鐵車站結構體系為15 m×21 m鋼筋混凝土結構，埋深約18 m。基礎采用天然地基。車站外墻邊緣距離變本次開挖基坑邊緣約12 m。

（2）車站C出入口

出入口結構體系為38 m×23 m鋼筋混凝土結構，埋深約9 m。基礎采用灌注樁樁基基礎。出入口外墻邊緣距離本次開挖基坑邊緣約1.8 m。

（3）地鐵區間

地鐵區間為兩個6.7 m圓形混凝土襯砌結構，埋深約16 m。采用盾構法施工，天然地基。區間邊緣距離本次開挖基坑邊緣約14 m。

1.4 地鐵保護控制標準

基坑開挖勢必會引起土體側移，造成臨近地鐵結構向基坑方向位移。根據寧波地鐵軌道交通安全保護部門規定，基坑開挖引起的地鐵結構垂直和水平方向位移應小于10 mm，車站與區間的差異沉降應小于5 mm。

2 基坑設計方案

2.1 總體方案

為盡可能減小泵站基坑開挖過程中對地鐵車站的影響，需考慮采用剛度較大，整體較好的圍護體系，并設置合理的支撐體系。且在開挖順序上需分區開挖，既先進行主泵房基坑的開挖，等主泵房主體結構完成后，再進行變配電間的基坑開挖，見圖 2～ 圖 4。

圖2 主基坑平面布置圖

圖3 變配電間基坑平面布置圖（單位：mm）

圖4 基坑剖面圖

2.2 圍護結構設計

主泵房開挖深度13.15 m，平面形狀為矩形，采用800 mm厚地下連續墻，內設三道水平支撐，第一道為混凝土支撐，其余兩道為鋼支撐。坑底采用旋噴滿堂加固，厚5 m。

變配電間開挖深度7.4 m，考慮原出入口圍護樁的影響，采用咬合樁做為圍護，內設兩道水平支撐，第一道為混凝土支撐，第二道為鋼支撐。坑底采用旋噴滿堂加固，厚5 m。

3 周邊環境影響分析

3.1 計算模型

綜合考慮分析問題的合理性、計算速度和模型規模，選用PLAXIS有限元分析軟件，并采用二維有限元平面應變模型進行分析。基坑圍護分析過程中，針對不同分析對象采用不同的單元類型和本構關系，分析模型的豎向底部采用全自由度約束，側面采用側向約束。本次有限元分析分別模擬基坑開挖對地鐵車站（見圖5）、地鐵出入口（見圖6）、地鐵區間的影響（見圖7）。

圖5 對地鐵車站影響計算模型

圖6 對地鐵出入口影響計算模型

圖7 對地鐵區間影響計算模型

3.2 模擬工況

工況1：生成初始應力場；

工況2：模擬地連墻、咬合樁的施工；

工況3：模擬主泵房土體開挖第一層土+施工第一道支撐

工況4：模擬主泵房土體開挖第二層土+施工第二道支撐；

工況5：模擬主泵房土體開挖第三層土+施工第三道支撐；

工況6：模擬主泵房土體開挖到基底+施工泵房底板；

工況7：模擬主變配電間土體開挖第一層土+施工第一道支撐；

工況8：模擬主變配電間土體開挖第二層土+施工第二道支撐；

工況9：模擬主變配電間土體開挖到基底；

3.2 計算結果

圖8為在基坑開挖到底后，墻體變形計算結果。從圖8中得知，土體水平位移靠主泵站側最大為20 mm，靠變配電間處最大為16 mm，基本滿足一級基坑的變形控制規定。

圖8墻體變形計算結果

圖9 、圖10、圖11分別為地鐵車站、地鐵出入口、地鐵區間變形計算結果，最大變形量分別為4 mm、7 mm及3 mm，變形主要方向為向基坑方向的水平位移。變形值基本滿足10 mm的控制標準，車站與區間的差異沉降也在5 mm范圍之內。

圖9 地鐵車站變形計算結果

圖10 地鐵出入口變形計算結果

圖11 地鐵區間變形計算結果

4 結 語

（1）通過有限元的計算模擬，采用剛度較大的圍護體系能有效的控制對地鐵車站、出入口、區間的影響基坑自身安全及周邊環境的安全是可以保證的。

（2）采用主泵站和變配電間的分區開挖，控制一次基坑開挖的面積，可以進一步減小對周邊環境的影響。