復(fù)雜城市環(huán)境下地鐵深基坑設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

崔青玉

（深圳鐵路投資建設(shè)集團有限公司，廣東深圳 518000）

1 引言

隨著我國城市化進程的快速推進，地鐵建設(shè)對城市發(fā)展和市民快速便捷出行起到至關(guān)重要的作用[1]，目前，地鐵已進行多輪建設(shè)規(guī)劃的實施，因建設(shè)規(guī)劃調(diào)整或建設(shè)時序不同，引起后續(xù)線路的建設(shè)環(huán)境更加復(fù)雜。基坑開挖對周邊環(huán)境的影響主要有：①圍護結(jié)構(gòu)成槽（孔）時塌槽（孔）引起周圍土體變形[2]；②基坑圍護結(jié)構(gòu)變形引起基坑外側(cè)土體地層損失，引發(fā)建（構(gòu)）筑物沉降、傾斜、開裂[3]；③基坑滲漏水及基坑內(nèi)降水引起基坑外側(cè)地下水位下降、土體固結(jié)沉降、建（構(gòu)）筑物變形；④施工管理不到位引起超挖、不平衡開挖、支撐架設(shè)不及時等，造成基坑變形超控，導(dǎo)致周邊環(huán)境變形超過允許值；⑤信息化施工不到位，施工過程中的監(jiān)測布點不直接、監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，將影響到安全管理和應(yīng)急措施的實施。因此，基坑設(shè)計中圍護結(jié)構(gòu)選型、圍護結(jié)構(gòu)剛度、內(nèi)支撐剛度、開挖工序、監(jiān)測方案對基坑自身和周邊建（構(gòu)）筑物安全保護至關(guān)重要。

本文以深圳地鐵6號線松崗站為工程背景，采用有限元軟件分析了圍護結(jié)構(gòu)剛度、支撐剛度、開挖工序等對既有11號線松崗站和松崗派出所宿舍樓的位移、11號線車站受力影響，根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，研究基坑設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)措施。同時，對房屋的變形設(shè)置監(jiān)測點，對11號線松崗站車站軌行區(qū)設(shè)置自動化監(jiān)測點，充分掌控6號線基坑開挖對其產(chǎn)生的影響，做到信息化管理，確保既有建（構(gòu)）筑物的安全。

2 工程概況

2.1 復(fù)雜周邊環(huán)境

松崗站為深圳地鐵6號線與11號線換乘站，采用“十”字換乘，11號線沿寶安大道南北向布置，位于地下二層，6號線沿沙江路東西向布置，位于地下三層。11號線車站于2016年6月28日正式通車運營，11 號線與6號線換乘節(jié)點隨11號線建設(shè)一并實施完畢。6 號線于2017年4月開始對東、西兩部分剩余工程進行施工建設(shè)，東西兩側(cè)基坑深均為25.8 m，東側(cè)基坑長40.3 m，寬30.4 m，西側(cè)基坑長35.6 m，寬30.4 m。6 號線東南象限內(nèi)有一棟松崗派出所5層房屋，距離6 號線東側(cè)基坑邊1.57 m，距離11號線31.75 m，車站平面圖詳見圖1。

圖1 車站總平面圖

2.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

松崗站屬海積平原地貌，地勢平坦，起伏小，地形地貌條件簡單。地面標(biāo)高為3.286～4.499 m。根據(jù)地質(zhì)詳勘資料，場地覆蓋層從上至下依次為： <1-1>素填土（Q4ml）、<1-2>雜填土（Q4ml）、<2-1>淤泥質(zhì)黏土（Q4ma）、<3-2>粉細(xì)砂（Q4al+pl）、<3-3>中細(xì)砂（Q4al+pl）、<3-6>硬塑狀黏土（Q4al）、<5-2>礫質(zhì)黏性土（Qel）、<9-1>全風(fēng)化混合花崗巖（Mγ）、<9-2-1>強風(fēng)化混合花崗巖（土狀）（Mγ）、<9-2-2>強風(fēng)化混合花崗巖（半巖半土狀）（Mγ）、<9-3>中等風(fēng)化混合花崗巖（Mγ）。

場地范圍內(nèi)地表水不發(fā)育，主要為道路兩旁排水溝渠、生活排污溝槽的暫時性或季節(jié)性流水，水量小。地下水根據(jù)含水介質(zhì)巖類和含水空隙特征，可劃分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水2種類型。地下水具有中等腐蝕性。

3 基坑支護體系設(shè)計

3.1 基坑開挖的影響分析

本基坑需在既有11號線車站兩側(cè)進行施工 ，基坑深度大于11號線軌行區(qū)埋深，軌道對位移變形控制要求嚴(yán)格，一旦基坑開挖引起11號線側(cè)移或基底因6號線基坑施工軟化擾動發(fā)生沉降或傾斜，將嚴(yán)重影響11號線車站的安全運營。東、西兩側(cè)基坑開挖工序選擇單邊依次開挖還是兩邊對稱開挖，對既有11號線車站側(cè)移會產(chǎn)生何種影響值得研究分析。

本基坑對鄰近松崗派出所5層房屋的可能影響主要是連續(xù)墻成槽、基坑開挖、基坑變形、土體變形對房屋樁基的影響，反映在監(jiān)測方面為房屋的傾斜、開裂等。

3.2 基坑支護體系設(shè)計

基坑開挖會對初始應(yīng)力場、位移場、滲流場造成改變，進而影響11號線車站變形和房屋樁基位移。基坑設(shè)計的主要原則是通過連續(xù)墻跳槽施工，控制支撐、連續(xù)墻剛度和控制開挖工序，以減少地層擾動、減小土體變形和地下水位的變化，從而控制周圍建（構(gòu)）筑物的變形。

基坑內(nèi)支撐的支護方式為豎向設(shè)置5道支撐，第一道采用鋼筋混凝土支撐，第二道至第五道采用φ600 mm（t= 16 mm）的鋼管支撐，支護體系及與建筑物的相互關(guān)系詳見圖2。為減小連續(xù)墻成槽施工時對周圍建（構(gòu)）筑物位移的影響[3]，連續(xù)墻采用4 m一幅；連續(xù)墻接頭處采用工字鋼接頭，并預(yù)埋袖閥管。基坑開挖時如連續(xù)墻接頭處發(fā)生滲漏水，則通過預(yù)埋袖閥管注漿止水，以防止地下水流失引起地面沉降。

圖2 圍護結(jié)構(gòu)橫斷面

4 數(shù)值模擬分析

4.1 模型建立及數(shù)值分析

基坑開挖影響范圍一般為基坑深度的1～3倍，現(xiàn)按照3倍基坑深度建模，研究6號線剩余工程施工對鄰近的松崗派出所5層房屋和既有運營的11號線的影響，通過midas-GTS數(shù)值模擬軟件建立了三維仿真計算模型詳見圖3。模型沿縱向取300 m，沿橫向取100 m，模型底部取擬建地鐵下方30 m，頂面取至地表。模型前后左右面均為水平約束，底面豎向約束，地表為自由面。模型中地層、連續(xù)墻采用彈塑性實體單元模擬，服從摩爾庫倫準(zhǔn)則，既有11號線車站結(jié)構(gòu)、支撐采用結(jié)構(gòu)單元。

圖3 三維仿真數(shù)值模型

研究步驟為：11號線部分基坑開挖→建立11號線車站結(jié)構(gòu)單元→賦予相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)→地應(yīng)力的平衡形成初始應(yīng)力場、位移歸零形成初始位移場→模擬6號線基坑的開挖對派出所房屋和11號線的影響。

根據(jù)地質(zhì)詳勘揭示的地層沿車站基坑縱向分布特征，對數(shù)值模型中各地層進行劃分，各地層的物理力學(xué)參數(shù)，詳見表1。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

本文通過對3種工況進行數(shù)值模擬，研究對比開挖工序和連續(xù)墻剛度對11號線車站及房屋變形的影響。數(shù)值模擬工況1為先開挖東側(cè)基坑，再開挖西側(cè)基坑（連續(xù)墻厚1 m）；工況2為東西側(cè)基坑同步開挖（連續(xù)墻厚1 m）；工況3為東西側(cè)同步開挖（連續(xù)墻厚0.8 m）。具體步驟：基坑開挖至第一道支撐底→施做第一道混凝土支撐（beam單元）→開挖至第二道支撐下0.8 m→施做第二道鋼支撐→依次開挖、架設(shè)第三至五道鋼支撐→開挖至基坑底。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

各工況條件下，既有11號線車站主體結(jié)構(gòu)位移、松崗派出所房屋沉降、11號線軌道變形數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比詳見表2，位移云圖對比詳見圖4至圖6。

圖4 各工況下11號線車站結(jié)構(gòu)豎向位移云圖（單位：mm）

圖6 各工況下軌道豎向和水平位移云圖 （單位：mm）

表2 各工況條件下位移對比 mm

經(jīng)研究分析，因換乘節(jié)點既有結(jié)構(gòu)自身剛度較大，東西側(cè)基坑分步開挖和同步對稱開挖對位移、變形、內(nèi)力等方面影響程度接近。但是，連續(xù)墻剛度對控制車站和房屋沉降影響較大，當(dāng)連續(xù)墻厚度為0.8 m時，車站、房屋及軌道豎向位移較1.0 m時明顯加大，兩者對軌道水平位移的影響因荷載對稱釋放而一致。

數(shù)值模擬結(jié)果滿足房屋沉降控制值30 mm，傾斜控制值2‰；軌道變形滿足運營線路軌道靜態(tài)尺寸容許變形值：軌道高低、軌向變形小于4 mm / 10 m，兩軌道橫向高度差小于4 mm，三角坑高低差小于4 mm / 18 m；扭曲變形小于4 mm / 6.25 m；軌距偏差為+3 mm /-2 mm。

5 監(jiān)控量測

5.1 監(jiān)測方案

根據(jù)運營地鐵保護管理辦法和基坑監(jiān)測規(guī)范相關(guān)要求，結(jié)合建（構(gòu)）筑物的實際情況，布置沉降監(jiān)測點，具體布置詳見圖7、圖8。房屋沉降控制值按30 mm控制，傾斜控制標(biāo)準(zhǔn)為2‰；11號線車站絕對位移量20 mm；運營線路軌道靜態(tài)尺寸容許變形值：軌道高低、軌向變形小于4 mm / 10 m，兩軌道橫向高差小于4 mm，三角坑高低差小于4 mm / 18 m；扭曲變形小于4 mm / 6.25 m；軌距偏差為+3 mm /-2 mm。11號線站廳層結(jié)構(gòu)柱監(jiān)測點布置及監(jiān)測點編號ZJGC-1～ ZJGC-16詳見圖7，派出所房屋監(jiān)測點布置及監(jiān)測點編號JGC49～ JGC52詳見圖8。

圖7 地鐵11號線站廳層結(jié)構(gòu)柱監(jiān)測點布置圖

圖8 松崗派出所房屋監(jiān)測點布置圖

圖5 各工況下房屋沉降云圖 （單位：mm）

5.2 監(jiān)測結(jié)果分析

基坑開挖2017年4月開始施工，2019年1月頂板覆土完畢，松崗派出所5層房屋靠近基坑側(cè)JGC-50最大沉降值-29.8 mm，JGC-51最大沉降值-29.4 mm，遠離基坑邊房屋JGC-48最大沉降值-54.1 mm，JGC-49最大沉降值-45.2 mm，靠近基坑側(cè)沉降值小于遠離側(cè)的沉降值，符合地層損失拋物線規(guī)律，沉降值超過控制值30 mm，但差異沉降及房屋傾斜率較小，傾斜率計算為1.4‰，小于2‰控制值，房屋結(jié)構(gòu)安全，具體監(jiān)測點豎向位移曲線見圖9。

圖9 松崗派出所監(jiān)測點豎向位移

11號線車站結(jié)構(gòu)柱監(jiān)測點ZJGC-1～ ZJGC-16的 豎 向 最 大 隆起值為4.6 mm，豎向最大沉降值為-7.1 mm，豎向隆起主要因為既有車站頂板卸載及改變周圍約束條件所致，豎向沉降因兩側(cè)基坑降水及開挖擾動所致，總體位移絕對值均小于20 mm控制值，具體監(jiān)測點豎向位移詳見圖10。

圖10 松崗站主體結(jié)構(gòu)豎向位移

6 結(jié)論

比較數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論。

（1）鄰近既有建（構(gòu)）筑物采用連續(xù)墻加內(nèi)支撐的的支護方案是安全可靠的。

（2）圍護結(jié)構(gòu)變形引起背后的土體變形整體符合地層損失拋物線形態(tài)，最大位移出現(xiàn)在基坑外一定距離。

（3）基礎(chǔ)形式為摩擦樁的房屋受基坑開挖影響較大，沉降控制標(biāo)準(zhǔn)建議以不均勻沉降和傾斜率控制，實時加強監(jiān)控量測確保房屋結(jié)構(gòu)安全。

（4）開挖基坑深度不大于受保護的既有車站時，施工過程中因卸載、降水及地基擾動會引起車站位移，豎向位移總體可控，不影響既有線路安全運營，有條件的情況下應(yīng)采用對稱卸載方式，避免不平衡水土壓力作用引起既有結(jié)構(gòu)側(cè)移。

（5）通過本文連續(xù)墻剛度及支撐剛度對比，可見靠近既有建（構(gòu)）筑的基坑圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)采用較大的支護剛度，這對控制鄰近既有房屋的影響是有效的。