處理既有基坑錨索侵入地鐵基坑的方案設計

付一平， 張呈祥， 尹 俊， 顧 蓉， 張 安

(中鐵工程設計院有限公司上海分公司， 上海 200000)

0 引言

隨著我國城市地下空間的開發，城市地鐵建設發展迅猛，地鐵車站基坑越來越多的出現在城市中心區及人口密集區，給地鐵建設與設計帶來了許多新的技術問題。在盾構隧道施工過程中，由于已有建筑物基坑錨索未拔除，影響隧道盾構施工的情況屢見不鮮，呂建凱[1]、傅春青[2]針對隧道盾構區間遇到錨索障礙物群的問題進行了研究，通過采用人工挖探井、液壓千斤頂拔錨法，成功將盾構前方錨索全部清除，消除了盾構在錨索區群內掘進的風險； 林生涼[3]、王欣[4]、喬海洪[5]分別針對福州及石家莊地鐵某盾構區間遇到錨索障礙物的問題進行了研究，通過采用全套管全回轉鉆機切索法破除錨索障礙物的技術，解決了錨索阻礙盾構施工的問題； 李廣良[6]以鄭州地鐵1號線某盾構區間遇錨索障礙物群為研究對象，在豎井內采用輕型拔錨機通過人工挖孔的方式清除錨索，解決了大面積深埋錨索對盾構施工的影響，避免了大面積開挖拔除錨索對周邊環境造成的影響。對于已建建筑物錨索未拔除影響盾構區間施工的問題，已有較多成功案例。

然而，對于在建住宅基坑因建筑設計方案調整無法繼續施工，其采用的可回收錨索侵入地鐵車站基坑內，導致地鐵車站基坑無法施工的情況，相關工程案例較少，在后期車站基坑開挖過程中，鄰近存在既有基坑的情況更是毫無案例可尋。在確保既有基坑安全穩定的前提下回收錨索，并在后續車站主體基坑開挖過程中保證兩處基坑的安全與穩定，是一項新的任務難題。為此，本文以昆明軌道交通4號線某地鐵車站工程為例，對于侵入車站基坑的既有基坑錨索，采取針對性設計處理方案，在不影響既有基坑安全、穩定的前提下，拔除錨索，并完成地鐵車站地下連續墻施工及基坑開挖工作。

1 工程概況

昆明軌道交通4號線某車站位于昆明市普吉路與二環北路交叉口西北側規劃綠地內，車站沿二環北路北側呈東西向布置，車站上方為規劃道路。地鐵車站總長185.0 m，寬約20.0 m，基坑標準段深約12.5 m。基坑場地內土層物理力學參數如表1所示。

表1 土體物理力學參數

地鐵車站北側為某工程既有基坑，最近處距離車站基坑13.89 m。既有基坑采用鉆孔樁+可回收錨索圍護體系，現開挖深度約8 m，由于其工程建筑設計方案調整，既有基坑無法繼續施工。既有基坑錨索侵入車站基坑，影響地下連續墻施工范圍長約80 m，導致車站地下連續墻無法施工。既有基坑錨索與車站地下連續墻平面關系如圖1所示。

2 設計難點及處理方案比選

2.1 設計難點

1)既有基坑采用鉆孔樁+可回收錨索支護型式，基坑東側緊鄰城市主干道普吉路，道路交通繁忙，路下管線密集，確保回收錨索后既有基坑自身的安全與穩定成為重要設計問題。

圖1 既有基坑錨索與車站地下連續墻關系平面圖

Fig. 1 Plan relationship between cables of existing foundation pit and underground diaphragm wall of metro station foundation pit

2)由于既有基坑施工進度緩慢，車站基坑施工進度迅速，如何確保車站基坑開挖期間既有基坑與車站基坑的雙重安全與穩定，又是一個設計難題。

2.2 設計方案比選分析

為解決上述設計難題，通過方案比選的方式，選取最為經濟可靠的設計方案。具體方案情況如下。

1)方案1： 對既有基坑采取部分回填措施。由于該既有基坑開挖暴露時間已達2年，基坑自身安全穩定性下降，采取基坑部分回填措施后可確保基坑自身的安全，對周邊環境影響也會降至最小，同時也能保證車站基坑在開挖期間的安全與穩定。此方案需與既有基坑業主溝通協商，基坑部分回填后需待車站基坑結構完成后才可繼續開挖[7]，且既有基坑需重新進行支護方案設計。

2)方案2： 既有基坑內增加內支撐。利用既有基坑鉆孔樁圍護結構，基坑內部增設2道混凝土內支撐，待內支撐施作完畢后，回收錨索。此設計方案能夠有效控制基坑變形，避免方案1中基坑部分回填及再次開挖的施工工序，同時也能保證既有基坑的安全與穩定，但調整后的支護結構方案同樣需花費高額施工費用。

3)方案3： 向車站基坑側放坡。利用既有基坑與車站基坑中間的富余空地，采取向車站方向放坡，并在既有基坑內回填部分土方，對影響車站地下連續墻施工范圍內的錨索進行拔除。此方案可以保證既有基坑的安全與穩定，同時與方案2比較，可以大大減少因既有基坑圍護方案調整所帶來的高額處理費用。但由于既有基坑距離車站基坑最近處約14 m，此方案在后期車站基坑開挖期間，由于車站地下連續墻后方有效土壓力的減小，可能會對車站基坑產生安全隱患。

3種設計處理方案對比結果如表2所示。

表2 設計方案比選

3 設計方案

通過方案比選與研究，為保證車站基坑及既有基坑的安全與穩定，并考慮相關經濟性等因素，經與既有基坑業主方溝通與協調，采取方案3。具體措施步續如下： 1)對既有基坑頂部土方采取1∶1.5放坡，并在邊坡處噴射150 mm厚的C20混凝土，內配鋼筋網片； 2)根據既有基坑最新地下室坑底標高，基坑內回填厚1.37 m的土方并壓實； 3)在既有基坑坡頂、底處設置排水溝； 4)拔除最下道錨索，土方回填至既有基坑最新坑底設計標高, 并對土方進行壓實； 5)回填梯形土方至第2道錨索后拔除回收第2道錨索； 6)梯形土方回填至設計標高，拔除回收第1道錨索； 7)破除圍護樁及止水帷幕至邊坡底部，并增設冠梁。

為了保證車站基坑在開挖期間的安全與穩定，更改車站基坑圍護結構設計方案[8-11]，原車站基坑設計方案采用地下連續墻+3道內支撐的支護型式(首道為混凝土支撐，其余為鋼支撐)，現方案調整為地下連續墻+3道內支撐的支護型式(第1、2道為混凝土支撐，第3道為鋼支撐)。錨索拔除后既有基坑與車站基坑剖面如圖2所示。

圖2 錨索拔除后既有基坑與車站基坑關系剖面圖(單位： mm)

4 模擬計算

4.1 模型選取

為確保既有基坑及車站基坑的安全，合理反映基坑開挖卸載對周邊環境產生的附加變形影響，通過采用二維彈塑性有限元分析方法，利用PLAXIS軟件模擬基坑體系非線性變形下的坑周地層應力場和位移場，對既有基坑錨索拔除及車站基坑開挖施工進行模擬。

建模范圍為車站基坑開挖影響范圍內5倍開挖深度的土體，根據以往工程經驗、實測數據以及該工程的規模，此范圍已基本滿足模擬土體的空間半無限體特性。圍護和支撐結構均采用彈塑性Beam單元模型來模擬。Beam單元為3節點平面單元，彈塑性模型可以較好地模擬結構非線性力學特性。土體采用15節點平面單元及摩爾-庫侖(理想彈塑性)材料模型來模擬。計算參數按實際地勘報告數據選取。計算分析通過分荷載步求解來模擬施工工況，通過單元的“激活和凍結”手段來模擬錨索拔除及土體開挖的過程[12-15]。

4.2 模擬結果

4.2.1 既有基坑錨索拔除模擬結果

利用PLAXIS有限元方法模擬錨索拔除過程，既有基坑最大水平位移和最大垂直位移分別如圖3和圖4所示。根據圖3和圖4模擬計算結果可知： 既有基坑因錨索拔除引起圍護結構及土層產生的最大水平位移為16.4 mm，放坡段頂部最大水平位移為8.4 mm，車站外側土體最大沉降量為16.3 mm，既有基坑內土體最大沉降量為16.3 mm。

圖3 既有基坑最大水平位移圖(單位： mm)

Fig. 3 Maximum horizontal displacement of existing foundation pit(unit: mm)

圖4 既有基坑最大垂直位移圖(單位： mm)

Fig. 4 Maximum vertical displacement of existing foundation pit(unit: mm)

4.2.2 基坑開挖期間模擬結果

車站基坑地下連續墻圍護結構水平位移和車站基坑最大垂直位移分別如圖5和圖6所示。根據圖5和圖6有限元計算結果可知： 因車站基坑開挖而引起車站地下連續墻產生的最大水平位移為25.5 mm，車站外側土體最大沉降量為38.4 mm，既有基坑內土體最大沉降量為20.2 mm，車站基坑內土體最大隆起量為79.5 mm。

4.2.3 數值模擬結果分析

根據模擬計算結果，既有基坑因錨索拔除引起自身圍護結構產生的最大水平位移為16.4 mm，小于設計控制要求(20 mm)，坑內土體最大沉降量為16.3 mm，也小于設計控制要求(20 mm)； 車站基坑開挖期間地下連續墻最大水平位移為25.5 mm，小于設計控制要求(30 mm)，坑外土體最大沉降量為38.4 mm，小于設計控制要求(50 mm)，既有基坑內土體最大沉降量為20.2 mm，也小于設計控制要求(30 mm)。綜上，既有基坑內錨索拔除后的圍護結構變形量滿足設計要求，而且在車站基坑開挖期間，既有基坑與車站基坑均能安全、穩定，采取的既有基坑錨索拔除的設計方案是可行的。

圖5 車站基坑地下連續墻最大水平位移圖(單位： mm)

Fig. 5 Maximum horizontal displacement of underground diaphragm wall of metro station foundation pit (unit: mm)

Fig. 6 Maximum vertical displacement of metro station foundation pit (unit: mm)

5 現場監測結果

現場監測數據選自距離既有基坑最近處的地下連續墻最不利監測點，即測斜最大變形處。將數值計算結果與現場實際監測結果進行對比，結果如表3所示。可以看出，既有基坑放坡段最大水平位移為5 mm，實測數據略小于模擬計算結果(8.4 mm)，實測坑外土體豎向最大沉降為43.8 mm，略大于模擬結果(38.4 mm)，這是由于此處為既有基坑施工便道，重型車輛及機械均從此處經過導致的。

表3數值模擬結果與監測結果對比

Table 3 Comparison between numerical simulation results and site monitoring results

mm

地下連續墻墻身側向位移隨開挖深度的變化如圖7所示。從圖7中也可看出，距既有基坑最近處車站基坑地下連續墻的最大變形量為27 mm，略大于模擬結果值(25.5 mm)，但在設計要求(≤30 mm)的控制范圍之內(由于此處墻體內測斜管底部被堵，故監測數據按墻頂變形為0點進行測量控制，墻底變形量為17.4 mm，墻底變形量與計算結果存在偏差)。

圖 7 墻身側向位移隨基坑開挖深度的變化

Fig. 7 Lateral displacements of underground diaphragm wall vs. foundation pit excavation depths

從對比結果可以看出，現場實際監測數據與模擬結果較為吻合，利用有限元模擬可以較為準確地預測實際工程的施工結果，為工程施工提供參考依據。

6 結論與建議

1)對影響車站主體基坑地下連續墻施工的既有基坑支護方式進行更改，利用既有基坑與車站基坑中間的富余空地，采取向車站方向按1∶1.5坡度放坡，并在既有基坑內回填土方的設計方案，對既有基坑錨索進行拔除，順利完成車站主體基坑地下連續墻合攏，解決了既有基坑錨索影響車站基坑地下連續墻施工的問題。

2)既有基坑離車站主體基坑最近處約14 m，為保證車站基坑在開挖期間內的安全，將第2道鋼支撐調整為混凝土支撐，避免出現車站地下連續墻鄰近既有基坑側可能因有限土壓力問題引起的安全隱患，保證車站基坑的安全與穩定。

3)根據PLAXIS有限元模擬結果可知，既有基坑因錨索拔除引起圍護樁體最大變形為16.4 mm，放坡段頂部最大水平位移為8.4 mm，坡頂土體最大沉降量為16.3 mm，車站主體基坑開挖期間地下連續墻最大變形為25.5 mm，地表土體最大沉降量為38.4 mm，模擬結果滿足設計要求，可為施工提供相關參考依據。

4)根據現場監測結果，在車站主體基坑開挖至坑底工況下，既有基坑放坡段實際最大水平位移為5 mm，距既有基坑最近處車站基坑地下連續墻最大變形為27 mm，實際監測數據與有限元模擬結果較為吻合，車站基坑與既有基坑均安全、穩定。

5)車站基坑北側既有基坑錨索拔除雖已完成，車站主體結構也已施工完畢，但在軌道交通建設籌劃初期，應對沿線周邊建(構)筑物進行充分調查，必要時應調整站位，避免類似情況的出現。

6)兩處基坑中間最近距離約為14 m，車站基坑開挖期間存在兩側土壓力不一致的問題，后續建議對有效土壓力與支撐抗力間的關系作進一步研究。