超大型深基坑施工對周圍地鐵運營影響分析

□文/張旭東

1 工程概況

天津市某大型房地產項目地處市中心繁華地段，總建筑面積約52萬m2，其中地下建筑面積約16萬m2。該工程由9棟樓座、3棟塔樓以及兩層連通式地下車庫組成，除南側三個樓座外，其余各樓座及塔樓均位于基坑內部，地下車庫一層層高5.5 m，地下二層層高3.8 m，筏板基礎。該工程基坑形狀不規則，開挖面積約7.7萬m2，周長約1 441 m，屬于超大型深基坑。基坑底部標高-13.400 m，基坑范圍內存在局部深坑。

2 周圍環境

基坑周邊為規劃道路，北側距基坑邊約30 m為地鐵站高架橋橋墩，東側主路便道邊距基坑邊約15 m，南側主路便道邊距基坑邊約45 m，東側為規劃中的擬建道路，緊鄰周邊工地施工現場，西北側距基坑約25 m為一片老建筑群。

3 水文地質條件

天津的地下水文地質條件較為復雜，主要受基底構造、氣象、地形、地貌以及地層巖性等多方面因素影響。場地內表層地下水主要由大氣降水補給，受季節性影響較大，一般變幅在0.30～1.10 m/a，主要以蒸發形式排泄。地基土60 m 以上范圍主要由潛水含水層和承壓含水層組成，其中兩層承壓含水層水頭標高對應的大沽標高分別約為-1.1、-1.5 m。

4 支護設計方案

由于該項目北側緊鄰地鐵站及高架橋，對變形控制要求較高，基坑北側及西北角采用地下連續墻+TRD水泥土連續墻的圍護結構形式，兩道鋼筋混凝土做支撐，北側地下連續墻厚800 mm，西北角地下連續墻厚1 000 mm，TRD 能夠預防地下連續墻可能出現的漏水情況，同時在地下連續墻成槽期間對周邊環境起到保護作用。地下連續墻作為臨時結構使用，接頭采用鎖口管的形式。基坑東側、南側和西側周邊環境相對簡單，采取灌注樁+TRD水泥土連續墻的圍護結構形式，兩道鋼筋混凝土做支撐。見圖1。

圖1 設計方案平面

圖1 中：1-1 剖面基坑開挖深度為13.4 m，采用?1 000 mm@1 200 mm 的鉆孔灌注樁，坑下嵌固深度12.9 m，有效樁長25 m 厚1 000 mm，坑下嵌固深度12.9 m，有效樁長25 m；3-3剖基坑開挖深度13.4 m，采用地下連續墻+兩道混凝土支撐的形式，地下連續墻厚800 mm，坑下嵌固深度12.9 m，有效樁長25 m。

由于周邊環境較為復雜，采用兩層支撐形式：第一層水平支撐設置在地下一層頂板以上1.0 m 帽梁位置處，第二層水平支撐設置在地下二層頂板以上1.5 m處。第一道水平支撐在地下一層頂板完成換撐后方可拆除，第二道水平支撐在地下二層頂板完成換撐后方可拆除。

由于基坑面積較大，在進行支護設計時，要充分考慮對支撐剛度的要求。為方便施工，采用桁架環梁式支撐系統，主要有桁架式對撐、輻射撐、角撐和局部單環環梁支撐等形式，以便能提供最大的施工敞開空間。支承柱采用常規灌注樁+鋼格構的形式。見圖2。

圖2 基坑水平支撐系統平面

5 止水及排水措施

采用封閉TRD水泥土連續墻作為止水帷幕，坑內降排水根據開挖、加撐步驟分階段、分梯次進行。基坑內設大口井降水，開挖施工前，需提前進行30 d以上的降水工作。在坑底標高處沿基坑周邊做寬300 mm、深400 mm的等粒徑碎石盲溝，盲溝距支護樁＞1 000 mm，使其與降水井相連，構成降排水系統。降水井采用?500 mm 水泥礫石濾水管；管壁、管底包多層土工布及等粒徑碎石，透水直徑≮800 mm；公寓、寫字樓區域降水井深21 m，局部電梯位置降水井深24 m，其余降水井深18 m。在基坑周邊設潛水觀測井和承壓水觀測井，潛水觀測井井深16 m，承壓水觀測井井深25 m，井口高出地面0.5 m并加活蓋以防堵塞（井口一節為水泥管）。

6 計算模型建立

采用有限元分析軟件，對工程建立整體三維模型進行計算分析。X軸為延基坑南側邊界方向，Y軸為垂直基坑南側邊界方向，Z軸為豎直方向，考慮消除邊界效應影響，模型尺寸為750 m×650 m×80 m，建立10 節點四面體單元，共劃分單元265 496 個，節點415 002 個。模型計算時認為各土層呈勻質水平層狀分布，同一土層為各向同性，結構體的變形和受力均考慮在彈性范圍之內，只考慮坑內疏干降水，坑內降水的塑性按照不排水進行計算，分三層開挖。模擬時考慮坑外水頭保持不變，坑內水頭在開挖前降至開挖面以下，地下連續墻底部與開挖面之間的坑內土體水頭采用線性差值進行計算，以此模擬坑內疏干降水對水頭變化的影響。模型底面每個方向均約束，四個側面均做法向約束，頂面為自由面，其余方向自由無約束。見圖3和圖4。

圖3 計算幾何模型

圖4 計算模型網格

7 計算結果分析

7.1 土體豎向變形分析

計算結果表明，坑外沉降均是靠近基坑各邊中部較大、基坑角處較小，沉降最大值出現在各邊中部附近。見圖5和圖6。

圖5 基坑開挖完成后土體變形

圖6 基坑頂板施工完成后土體變形

由圖5 和圖6 可知，在基坑第三層土開挖完成后，周邊土體沉降有了較大增加，坑底土體隆起也對應出現了較大增加，隆起并未出現在基坑中部，這是由于在開挖完第三步后，圍護墻出現較大變形，擠壓其周邊土體，致使周邊土體產生較大變形。在基坑開挖后施工頂、中、底板的過程中坑外土體的沉降與坑內土體的隆起變化較小。

上述變形規律由以下幾方面原因引起：首先，在模擬過程中設置的是每一個開挖步坑內土一次性挖完，之后一次性加撐，這是最不利的一種工況，對基坑周邊地鐵車站與區間的影響最大，施加支撐在所有土體開挖完成后進行，加撐之前坑內外土體都會受到較大擾動，導致變形增大；其次，本基坑規模極大，后兩步土體開挖的間距分別為5.9、6.2 m，特別是基坑開挖完成后，第二道撐距離坑底6.7 m，由此造成開挖至坑底后土體出現較大變形。

7.2 基坑圍護結構變形分析

整個基坑采用兩種圍護結構形式：一種是鉆孔灌注樁?1 000 mm@1 200 mm，主要在基坑遠離地鐵區域處；一種是地下連續墻，主要在靠近地鐵區域處，其中地下連續墻又有兩種厚度，分別為800、1 000 mm。因此，將圍護結構分為三類，見圖7。

圖7 圍護結構分布

針對圖7，分析各重點工況圍護結構在X和Y方向變形情況。見表1。

表1 三類圍護墻法向變形 mm

三類圍護墻的變形均滿足≤30 mm的控制要求；三類圍護墻在開挖完第一層土后，最大變形均出現在墻頂，這是由于第一層開挖時沒有水平支撐，懸臂開挖造成；三類圍護墻在X與Y方向的變形均在第三步開挖完成后出現了較大增加，與坑內外土體變形情況對應且原因相同，均是由于第二道撐距離坑底相對較遠所致；1 m厚地下連續墻在X與Y方向的變形較另兩類墻小，0.8 m厚地下連續墻與鉆孔灌注樁在X與Y方向的變形值相當，說明這兩類墻抵抗土體變形的能力相當。

7.3 基坑施工結束對地鐵影響分析

整個工程施工完成后車站主體橋樁、承臺、附屬結構及區間橋樁和承臺主要控制指標變形值、既有地鐵結構變形值和兩者累加值見表2。

表2 基坑施工完成后變形

表2 中既有結構沉降和沉降累加值出現了負數。這是由于既有車站結構與區間結構均表現為隆起，雖然基坑開挖時這些結構產生了一定量的沉降，但最終的豎向變形仍表現為隆起所致。

8 結語

1）數值模擬計算結果表明，基坑開挖過程會對周邊地鐵車站主體結構、附屬結構以及區間高架橋結構產生一定的影響，但沉降、隆起和水平位移等各項變形指標均在變形控制標準之內。

2）車站主體結構和區間高架橋結構距離基坑相對較遠，屬于弱影響區，基坑工程對其變形影響較小，均滿足控制值和報警值的要求。

3）車站附屬結構距離基坑最小凈距為12.53 m，不在0.7H（H為基坑深度）范圍內，但是屬于基坑主影響區域且基礎采用柱下條形基礎；雖然水平位移遠低于控制值及報警值，絕對沉降值在控制值及報警值范圍之內，但已接近報警值。根據既有結構現狀，結合控制變形與報警變形值，建議采取一定的預處理及應急措施，靠近基坑側空地內盡量不加施工堆載，以控制基坑施工對既有地鐵線的影響，確保地鐵運營安全。

4）在保證施工質量的前提下，待基坑分區域開挖至基底后，應盡量加快混凝土墊層施工速度，減小時間影響效應。

5）本工程支護方案可為地鐵沿線附近超大深基坑工程提供技術參考。