某鄰近地鐵超大軟土深基坑支護設計分析

楊世華

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來，隨著城市的不斷發展，地鐵軌道交通建設規模越來越大，鄰近地鐵的基坑也日益增多。基坑開挖往往會對鄰近的地鐵車站和隧道帶來某種程度的安全隱患，尤其對軟土地區，影響更大。基此，國家也出臺了相關規范，對地鐵隧道的變形要求極其嚴格。因此，選擇合理有效的基坑支護設計方案和施工措施，控制基坑開挖對地鐵結構變形的影響，確保地鐵的安全使用，已成為當前工程界必須解決的問題和研究的熱點[1-3]。

本文以福州某鄰近地鐵超大軟土深基坑為例，提出了圍護樁+一道鋼筋混凝土內支撐+坑內被動區土體加固的設計方案，并采用大型有限元軟件Midas GTS NX模擬計算了該基坑開挖對鄰近地鐵的影響，并將計算結果和監測數據進行對比，為類似鄰近地鐵軟土深基坑工程的設計和施工提供借鑒。

1 工程概況

該工程位于福州市晉安區，設兩層地下室，基坑呈不規則形狀，長邊長約200m，短邊寬約170m，周長約720m，面積約2.7萬m2，基坑開挖深度約9.8m。

場地南側臨近福馬路和在建的地鐵2號線，地下室外墻距離地鐵2#線車站和隧道約29m～50m(<50m屬于地鐵保護范圍)；北側為埠興路；東側為空地，西側均為已建廠房。

基坑與地鐵關系平面圖如圖1所示。

2 工程及水文地質條件

基坑開挖范圍內的影響土層主要有：①雜填土，厚約1.10m～4.80m；②淤泥，厚8.70m～25.70m；③含碎卵石礫(中)砂，厚0.40m～9.60m；④粉質粘土，厚1.30m～17.90m；⑤淤泥質土，厚1.90m～29.80m；⑤-1碎卵石，厚0.50m～5.10m；⑥粉(砂)質粘土，厚1.50m～12.00m；⑦碎卵石，厚0.90m～9.20m。

對基坑開挖有影響的含水層為③含碎卵石礫(中)砂層。該層穩定水位埋深1.20m～1.80m，水頭標高約4.54m～5.83m，滲透系數k=11.14m/d。

3 基坑支護設計方案選型

3.1 基坑支護工程難點

(1)基坑規模大：基坑面積達2.7萬m2，屬大型基坑。

(2)基坑開挖深度深：基坑深度達9.8m，屬一級深基坑。

(3)地質條件差：基坑開挖范圍內為深厚淤泥層，該土層呈流塑狀態，具有強度低、易擾動、易變形等特點，大大增加了設計難度。

(4)環境保護要求高：基坑南側為已建的地鐵2號線，地鐵隧道與該工程地下室外墻最近距離29m，在地鐵保護區(<50m)范圍內，需嚴格控制基坑變形。因此，2號線軌道區間為該工程基坑開挖過程中的重點保護對象，保護要求較高。

(5)工期緊，進度要求高：該工程為商業性工程，對工期要求較緊。

3.2 支護結構

針對該工程的難點，基坑支護設計采取了相應的措施，以確保整個基坑工程安全、順利、快速進行。基坑支護采用圍護樁加一道鋼筋混凝土內支撐形式，并對被動區土體進行了加固；同時，結合支撐系統設計了棧橋板，方便土方開挖和運輸，以滿足工期要求。

3.2.1支護結構設計

(1)圍護樁

基坑南側鄰近地鐵，環境保護要求較高。因此，該圍護樁采用直徑較大的鋼筋混凝土灌注樁，以提高支護結構剛度，減少變形。通過理正深基坑軟件初步計算確定，為使圍護結構變形控制在20mm之內，灌注樁直徑需1000mm，樁間距為1200mm。為滿足基坑整體穩定性要求，樁長需穿透軟土層進入相對好土層，最長達46m。止水帷幕采用φ850@600三軸攪拌樁，并在灌注樁和三軸攪拌樁之間增設一排高壓旋噴樁，以盡量減少基坑漏水的風險。鄰近地鐵側基坑支護剖面圖如圖2所示。

其余幾側遠離地鐵，不在地鐵保護區范圍內，且周邊環境相對簡單，對變形控制要求不高。為縮短工期、節約造價，圍護樁采用SMW工法樁，三軸攪拌樁為φ850@600，內插HN700×300型鋼，兼顧擋土和止水功能。

圖2 鄰近地鐵側基坑支護剖面圖

(2)支撐體系

基坑開挖深度9.8m，且基坑開挖范圍內為深厚淤泥層，按常規設計需采用兩道支撐體系，若按常規則將大大增加施工工期，滿足不了該工程工期進度要求。因此，設計在增加其他安全措施前提下，采用了一道鋼筋混凝土支撐體系。①采用上部放坡形式，將支撐梁標高降低2m，以減少圍護樁跨度；②增設被動區土體加固，以提高被動區土壓力；從這2個方面減少圍護樁彎矩和樁身變形。支撐采用角撐+對撐+桁架撐的布置形式，該形式安全可靠、造價經濟、有較大的出土空間；同時，結合支撐梁設計了行車棧板，以方便土方開挖和運輸。支撐具體布置形式如圖3所示。

(3)坑內被動區土體加固

由于基坑開挖范圍內存在深厚淤泥層，支撐體系采用一道內支撐，為控制圍護結構變形，并對坑內被動區土體采用單軸雙向攪拌樁進行加固。該攪拌樁屬新技術，質量較有保證。靠近地鐵側加固寬度9m、深度8m；其余位置加固寬度6m、深度6m，采用格柵狀布置。支撐平面布置如圖3所示。

圖3 支撐平面布置圖

3.2.2支護結構施工要求

由于該基坑范圍較大，支撐梁長度大，彈性變形較大，為了控制地鐵一側變形，采用不均勻開挖方式，遠離地鐵位置先開挖，靠近地鐵一側后開挖，盡量減少基坑開挖對已建地鐵2號線的影響，要求基坑土方開挖順序從北至南，即北側先行開挖，南側最后開挖。同時，要求開挖至基底后，及時澆筑墊層，施工底板盡量縮短基坑暴露的時間，以控制土體變形。

4 有限元數值模擬分析

為了較準確評估分析該基坑工程的圍護結構變形情況，以及基坑開挖對鄰近地鐵隧道和車站的影響程度，該工程采用大型有限元軟件Midas GTS NX對基坑開挖進行數值模擬分析，計算模型如圖4所示。

圖4 有限元數值模型

4.1 模型尺寸和邊界

根據基坑開挖對周邊的影響范圍，合理選取模型尺寸可減少邊界條件對計算結果的影響，計算模型尺寸為400m(X)×380m(Y)×65m(Z)。模型4個側面約束水平方向( x 和 y)的位移，底部固定。

4.2 本構模型和單元類型

土體采用3D實體單元模擬，坑內被動區加固土體采用實體單元模擬，本構模型為修正摩爾庫倫硬化模型；圍護樁剛度等效為地連墻，寬度0.789m，采用板單元模擬；隧道襯砌采用板單元模擬，本構模型為線彈性模型；冠梁、支撐采用梁單元模擬，本構模型為線彈性模型。用界面單元模擬支護結構與土體的相互作用。

圍護樁與地連墻剛度換算公式如下：

4.3 計算參數

土層計算參數如表1所示，圍護結構及隧道襯砌計算參數如表2所示。

表1 土層計算參數

表2 圍護結構及隧道襯砌計算參數

4.4 計算結果

圖5為基坑開挖到坑底時的土體豎向變形云圖。根據計算結果，基坑開挖至基底后，坑內土出現大面積回彈，大部分區域回彈量約28mm，圍護樁邊土體回彈量最大，回彈量最大值達39mm。

坑外地表沉降呈現明顯的空間效應，越靠近基坑中部，沉降越大，沉降最大值為23mm。

圖5 土體豎向位移(Z方向)云圖

圖6 基坑支護結構水平位移(X方向)云圖

圖6和圖7分別為基坑開挖至坑底時，基坑圍護樁X方向和Y方向水平變形云圖。根據計算結果，該圍護樁最大水平位移位于基坑底附近。東側、西側和北側圍護樁(SMW工法樁)樁身水平位移最大值約為30mm，南側(鄰近地鐵隧道)圍護樁(灌注樁)樁身水平位移最大值約為17mm，均滿足相關規范要求。

圖7 基坑支護結構水平位移(Y方向)云圖

圖8 隧道變形水平位移(X方向)云圖

圖9 隧道變形水平位移(Y方向)云圖

圖10 隧道縱向拱頂Z向位移云圖

圖8～圖10為基坑開挖至坑底時的隧道變形云圖。因軌道主要位于基坑的側向，地鐵水平位移受基坑開挖影響較大，軌道豎向位移受基坑開挖影響較小。根據計算結果顯示，變形以Y向側向變形為主，變形方向指向基坑開挖區域，最大側向變形為2.6mm，沉降變形1.3mm。由于最大差異變形點之間的距離大于200m，最大差異變形小于0.13mm/10m，滿足規范要求的4.0mm/10m。

圖11～圖13為基坑開挖至坑底時地鐵車站結構X、Y、Z方向的變形云圖。計算結果表明，X方向變形不足1mm，Y方向(指向基坑開挖區域)最大變形為3mm，Z方向最大變形為1mm，變形較小，均滿足相關規范變形控制要求。

圖11 地鐵車站結構水平位移(X方向)云圖

圖12 地鐵車站結構水平位移(Y方向)云圖

圖13 地鐵車站結構Z向位移云圖

5 監測結果

該基坑工程面積較大，深度較深，破壞后果非常嚴重，為保證基坑和相鄰地鐵安全，必須對基坑和地鐵進行監測，以指導基坑工程順利實施。

監測項目主要有：圍護樁深層水平位移、坡頂水平位移和沉降、樁身應力、支撐梁應力、立柱豎向位移、周邊道路和地面沉降、地下水位、地鐵車站和軌道區間變形。目前該工程地下室已施工完成，根據監測結果顯示，支護結構變形和受力正常，地鐵車站和隧道變形正常，均滿足相關規范要求。

5.1 圍護樁樁身水平位移

圖14為基坑開挖至坑底時南側(鄰近地鐵)圍護樁深層水平位移曲線圖，從圖14中可以看出，圍護樁最大水平位移約為19.76mm，與有限元計算值17mm較為相符。

圖14 CX10(地鐵側) 圖15 CX2(非地鐵側)

圖15為基坑開挖至坑底時其余位置(非靠近地鐵側)的圍護樁深層水平位移曲線圖。從圖15中可以看出，圍護樁最大水平位移約為39.35mm，相比有限元計算值30mm稍大些。

從圍護樁深層水平位移曲線可以看出，變形曲線呈弓形，最大水平位移均位于地面以下約10m位置，即開挖面附近，監測變形數據符合樁撐支護結構理論和實際變形情況。

5.2 地鐵車站和軌道區間變形

南側地鐵車站和軌道變形監測結果表明，其變形主要發生在基坑開挖階段，基坑開挖至坑底，地鐵車站累計最大水平位移量為 2.5mm，豎向位移量為0.9mm；地鐵軌道累計最大水平位移量為 3.1mm，豎向位移量為1.2mm。在基坑工程施工期間，地鐵車站和軌道的變形均較小，均小于《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T202-2013)規定的安全控制指標值(預警值均為10mm)，表明該變形處于可控狀態，未對其產生不良影響。這也說明該基坑工程支護設計方案是成功的，地鐵車站和軌道得到了很好的保護。

6 結論

(1)監測結果表明，該工程采用圍護樁+一道鋼筋混凝土內支撐+坑內被動區土體加固支護形式是成功可行的，既縮短了工期，又對地鐵起到了很好的保護作用，值得同類工程借鑒和參考。

(2)鄰近地鐵一側的圍護樁采用剛度較大的灌注樁，坑內采用攪拌樁加固，可有效控制圍護結構變形，減少對鄰近地鐵的影響。

(3)土方開挖時應先行開挖遠離地鐵側的土方，后開挖靠近地鐵一側的土方，利用基坑的空間和時間效應來減少鄰近地鐵一側圍護結構的變形。

(4)數值計算結果與實測值較為吻合，表明數值計算模型合理可靠，精度較高。采用三維有限元軟件分析基坑開挖對相鄰地鐵車站和隧道的影響程度，是一種有效可行的分析手段。