超深地鐵基坑支護(hù)方案研究及實(shí)測(cè)分析

沈霄云

（1.中國(guó)電建華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省智慧軌道交通工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 311225）

1 概述

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，居民汽車保有量逐年提高，交通擁堵問題逐漸凸顯。地鐵作為利用地下空間的公共交通工具，使城市交通網(wǎng)絡(luò)更加立體化，在一定程度上化解了交通壓力。但是隨著地鐵建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，地鐵基坑深度也不斷加深。更深的基坑需要抵抗更大的土壓力，更高的水頭差，基坑風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。這就對(duì)設(shè)計(jì)者提出更高的要求，基坑設(shè)計(jì)不僅要求安全合理可靠，也要求更經(jīng)濟(jì)合理。

常規(guī)的地下車站設(shè)計(jì)，以杭州地鐵為例，主要以多道混凝土支撐結(jié)合多道鋼支撐的方案。因?yàn)殡S著基坑加深，鋼支撐的支撐強(qiáng)度已無法滿足，需要采用混凝土支撐來抵抗更大土壓力，但是混凝土支撐施工進(jìn)度緩慢，后期鑿除不僅影響工期且造成較多廢棄工程。常規(guī)坑底加固采用攪拌樁或者旋噴樁等水泥土加固，但是超深基坑導(dǎo)致加固垂直度精度下降，且成樁質(zhì)量也下降。超深基坑比一般基坑內(nèi)外水頭差更大，使圍護(hù)接縫的擊穿率大大提高。

因此，超深基坑較一般基坑施工難度更大，施工風(fēng)險(xiǎn)也更大，如何通過合理經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案來確保安全是擺著設(shè)計(jì)師面前的難題。

本文通過對(duì)杭州地鐵官河站設(shè)計(jì)方案的分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的研究探討一種合理的深基坑設(shè)計(jì)方案。

2 工程概況

杭州地鐵官河站為地下四層島式車站，埋深約32.7m，結(jié)構(gòu)底板地層為粉質(zhì)粘土和粘土。

圖1 車站總平面圖

3 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

①多道支撐結(jié)合局部逆做樓板的“兩明兩暗”方案。常規(guī)深基坑設(shè)計(jì)一般采用明挖順做，在周邊條件不允許的情況下，會(huì)采用逆做法施工。本設(shè)計(jì)方案在研究中避免混凝土支撐后期鑿除中產(chǎn)生廢棄工程，將第二、三層樓板提前施工。

設(shè)計(jì)中采取如下措施：

a.兩道樓板在基坑開挖中作為內(nèi)支撐，抵抗圍護(hù)變形，臨時(shí)格構(gòu)柱和地下連續(xù)墻支撐這兩道樓板；

b.考慮到后期結(jié)構(gòu)受力減少轉(zhuǎn)換，格構(gòu)柱永久和臨時(shí)結(jié)合，格構(gòu)柱在永久階段結(jié)合結(jié)構(gòu)柱設(shè)置（如圖2）；

c.地下墻采用逆作法疊合墻的理念，將樓板鋼筋采用接駁器的形式預(yù)埋入地墻內(nèi)。基坑開挖階段支承樓板及上方施工荷載，主體結(jié)構(gòu)中，結(jié)合內(nèi)襯墻形成抵抗結(jié)構(gòu)側(cè)向變形。這樣既能解決逆做樓板豎向承載力的問題，也能減少內(nèi)襯墻的厚度，減少混凝土用量。

地層物理力學(xué)性質(zhì)表 表1

圖2 格構(gòu)柱永久結(jié)合混凝土柱

圖3 局部樓板逆作法施工順序

支撐體系調(diào)整為兩道混凝土支撐+6道鋼支撐+兩道逆做樓板。

通過以上方案不僅能提高支撐整體剛度，且能減少后期鑿除工作量，提高施工進(jìn)度。

②格構(gòu)式地下連續(xù)墻。本基坑淺層有近15m的砂性土，之下為24m深的深厚淤泥質(zhì)土。結(jié)構(gòu)底板座落在⑥2粉質(zhì)粘土和⑧1粘土上。這兩層土為杭州比較常見的軟弱土，尤其在底板施做時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大結(jié)構(gòu)變形。因此，常規(guī)會(huì)考慮一定的坑底水泥土加固。但是本基坑深度較深，一般的攪拌樁和旋噴樁無法保證垂直度，且加固效果也較差。本次方案考慮采用格構(gòu)式地下連續(xù)墻，通過采用提前在坑底設(shè)置一定地下墻，保證坑底的側(cè)向抵抗變形能力。

圖5 格構(gòu)式地下連續(xù)墻詳圖

4 監(jiān)測(cè)方案

因?yàn)楸卷?xiàng)目基坑為狹長(zhǎng)矩形，為了使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析具有代表性，現(xiàn)選取基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)，基坑長(zhǎng)邊1/4處和基坑端部三個(gè)典型斷面進(jìn)行分析，即最不利的第二、四、八等三個(gè)單元的監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

分析內(nèi)容主要包括四個(gè)方面：墻體測(cè)斜、支撐軸力、土體測(cè)斜和地表沉降。其中墻體測(cè)斜和支撐軸力主要反映基坑本身的安全及變形情況，土體測(cè)斜和地表沉降則主要反映基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。

圖6 監(jiān)測(cè)橫斷面圖

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

5.1 墻體測(cè)斜

選取最不利的第二、四、八三個(gè)單元的監(jiān)測(cè)斷面（如圖 7、8、9）。

由于后期監(jiān)測(cè)中未保護(hù)好測(cè)點(diǎn)，3月12日之后無法進(jìn)行測(cè)斜采集。

從三個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以看出，混凝土支撐結(jié)合第四道鋼支撐，施做完后圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形有所減少，在下二層底板澆筑后，圍護(hù)變形進(jìn)一步減少。

圖7 第二單元墻體變形最大值變化

圖8 第四單元墻體變形最大值變化

圖9 第八單元墻體變形最大值變化

但是在下三層底板澆筑后，圍護(hù)變形并沒預(yù)想的減少，反而不斷增大。主要原因在于兩道樓板施工后，開挖面已達(dá)到25m，尤其穿過兩道板，到下方架設(shè)鋼支撐，難度較大，且架設(shè)時(shí)間由原來8h增加到24h甚至更長(zhǎng)，等鋼支撐架設(shè)上后，往往圍護(hù)已發(fā)生較大變形。因此，變形呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)。鋼支撐架設(shè)完后，變形又得到控制，甚至底板施做完后也未發(fā)生較大變形。

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目 表2

圖10 第二單元第一道混凝土支撐變化

圖11 第四單元第一道混凝土支撐變化

圖12 第八單元第一道混凝土支撐變化

以上分析可以看出，墻體測(cè)斜管能夠直接反映地下連續(xù)墻的變形，且對(duì)開挖工況最敏感，能夠直接反映基坑的變形情況。

結(jié)構(gòu)樓板作為支撐結(jié)構(gòu)能提供較大剛度，且能對(duì)圍護(hù)變形進(jìn)行有效控制，但是兩道結(jié)構(gòu)樓板的設(shè)置，嚴(yán)重影響了后續(xù)鋼支撐的施工，反而會(huì)造成結(jié)構(gòu)更大變形。坑底采用格構(gòu)式地下連續(xù)墻，在一定程度上減少了坑底的變形。

5.2 混凝土支撐軸力

選取既最不利的第二、四、八三個(gè)單元第一道混凝土支撐軸力變化（詳見圖10、11、12）。

在杭州地區(qū)，第一道混凝土支撐進(jìn)場(chǎng)因基底地層較軟弱，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)受拉的情況。從以上三個(gè)單元的第一道支撐數(shù)據(jù)可以看出，在第五道鋼支撐施工之前，混凝土支撐呈現(xiàn)出接近2000kN的拉力。這說明，下二層底板剛度較大可作為圍護(hù)轉(zhuǎn)動(dòng)的支點(diǎn)，結(jié)合第五道鋼支撐及下面幾道支撐的軸力，形成抵抗矩，使第一道混凝土支撐拉力逐漸減少。

而第三道和第四道鋼支撐之間的第二道混凝土支撐，因其剛度較小，在土壓力影響下，無法作為穩(wěn)定的支點(diǎn)。

因此，支撐軸力與墻體測(cè)斜類似，都能直接迅速的反映基坑開挖工況和基坑本身的安全性。

逆做樓板的設(shè)置，能有效減少圍護(hù)向外傾斜的被動(dòng)破壞趨勢(shì)，減少第一道混凝土支撐拉力，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

5.3 第一道鋼支撐軸力

選取最不利的第二、四、八三個(gè)單元第一道鋼支撐軸力變化（詳見圖13、14、15）。

圖13 第二單元第一道鋼支撐變化

圖14 第四單元第一道鋼支撐變化

圖15 第八單元第一道鋼支撐變化

鋼支撐軸力對(duì)初始預(yù)加的要求較高。從三個(gè)位置的第一道鋼支撐軸力的變化可以看出。

①第八單元預(yù)加軸力220kN，約為設(shè)計(jì)要求預(yù)加軸力的1/3，導(dǎo)致基坑開挖中軸力一直較小，無法超過預(yù)加軸力，這就是施工中常見的支撐無法發(fā)揮作用。

②第四單元預(yù)加軸力400kN，約為設(shè)計(jì)要求預(yù)加軸力的0.8，鋼支撐充分受力，支撐軸力不斷變大，甚至承擔(dān)部分其他支撐的軸力，但是支撐充分發(fā)揮作用。

③第二單元預(yù)加軸力450kN，約為設(shè)計(jì)要求預(yù)加軸力的0.75，鋼支撐充分受力，最終達(dá)到設(shè)計(jì)軸力，效果較好。

常規(guī)施工中，預(yù)加軸力一般取設(shè)計(jì)軸力的50%～80%，因?yàn)殇撝渭茉O(shè)的原因，軸力在支撐頂緊前，會(huì)有一定軸力消散，因此最終預(yù)加軸力的大小，直接決定鋼支撐的作用。

5.4 土體測(cè)斜

選取最不利的第二、四、八三個(gè)單元土體測(cè)斜的變化（詳見圖 16、17、18）。

圖16 第二單元土體變形最大值變化

圖17 第四單元土體變形最大值變化

圖18 第八單元土體變形最大值變化

土體側(cè)向位移對(duì)開挖工況不敏感，而是隨著基坑開挖的過程逐漸發(fā)展，甚至在基坑封底后仍有一定程度的發(fā)展。

6 結(jié)論

根據(jù)對(duì)杭州地鐵官河站的34m超深基坑支護(hù)方案和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析：

①超深基坑采用多道支撐結(jié)合逆做樓板的設(shè)計(jì)方案，能有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

逆做樓板，因其開孔率有限，尤其兩道逆做樓板，對(duì)下方鋼支撐的架設(shè)造成較大影響。

逆做樓板受制于永久結(jié)構(gòu)，無法按計(jì)算調(diào)整架設(shè)位置。以官河站為例，車站32m深，設(shè)四層，地下四層結(jié)構(gòu)層高超過8m，結(jié)合鋼支撐無法及時(shí)架設(shè)，抵抗變形能力反而減小。

因此，逆做樓板不宜過多，同時(shí)應(yīng)考慮下階段支撐架設(shè)的便利性，才能實(shí)現(xiàn)有效控制變形。

②格構(gòu)式地下連續(xù)墻對(duì)坑底施工，有一定作用，但是本工程無法對(duì)比試驗(yàn)，因此，需進(jìn)一步研究其發(fā)揮作用的機(jī)理。

③鋼支撐軸力很大程度取決于消散后預(yù)加軸力的大小，因此，施工中做好支撐軸力消散后的附加，能更好的發(fā)揮鋼支撐的作用。

④土體側(cè)向位移對(duì)開挖工況不敏感，而是隨著基坑開挖的過程逐漸發(fā)展，甚至在基坑封底后仍有一定程度的發(fā)展。