中心島支護體系在風化巖條件下臨地鐵深基坑工程中的應用

劉雙橋，程 康，宋 志，周 豪，彭 威

（中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064）

0 引言

隨著城市地下空間的不斷發展，由于建設項目工程規模、區域位置、施工工況等日益復雜，導致深基坑工程設計和施工難度不斷增加［1］。本文基于武漢夢時代廣場項目，介紹了中心島支護體系在城市中心緊鄰地鐵風化巖地質條件下深基坑工程的應用。

1 工程概況

1.1 工程總體概況

武漢夢時代廣場項目位于武漢市武昌區，北側緊鄰地鐵寶通寺站，地下 4 層、地上 9 層，總建筑面積約為79.58 萬 m2，地下面積 33.85 萬 m2，為集商業、餐飲、室內樂園、冰雪樂園為一體的特大型商業綜合體。武漢夢時代廣場項目效果圖如圖 1 所示。

圖1 武漢夢時代廣場項目效果圖

1.2 臨地鐵側深基坑工程概況

基坑北側緊鄰武漢市最繁忙的地鐵二號線區間及寶通寺站，如圖 2 所示。基坑開挖深度約 17.8 m，基坑邊距離地鐵二號線寶通寺站站房結構最近為 3.9 m。根據 GB 50911－2013《城市軌道交通工程監測技術規范》，要求車站結構及區域區間隧道結構絕對沉降量≤10 mm、絕對水平位移及上浮量≤5 mm。

圖2 臨地鐵側基坑支護平面圖

1.3 工程地質條件

本工程位于鍋頂山-王家店褶皺的倒轉背斜的核部。基坑開挖范圍內大面為強風化、中風化粉砂質泥巖，局部存在微風化粉砂質泥巖，地下水主要為上層滯水（見表 1）。

表1 地基土分層工程特征指標

2 設計選型［2］

2.1 選型分析

本工程基坑主要存在以下三方面特點。

1）基坑平面面積達 9.53 萬 m2，北側開挖深度達17.8 m。

2）基坑周邊環境復雜，變形控制要求高。

3）開挖深度范圍內多為風化巖，強度大，土石方開挖困難。

臨地鐵側變形控制嚴格，而由于開挖面積極大，無法大面設置鋼筋混凝土支撐，基坑支護選型初期，可供選擇的主要支護類型有逆作法、中心島法、樁錨法三種。

對于逆作法，施工安全性有保障，但地下巖層埋深淺埋層厚，土石方開挖難度較大，嚴重影響施工進度，且地下室施工質量難以保證。

對于中心島法，即完成支護樁施工后，由上至下逐層開挖土石方并預留反壓土，優先進行反壓土體外地下室結構（即中心島）施工，施工中心島與支護樁間對撐后，由上至下開挖反壓土石方，最后順做反壓土體區剩余地下室結構并逐層換撐直至地下室結構封頂。該方式兼顧進度、質量、安全、成本［3］。

對于樁錨法，即支護樁+錨索的支護方式，在完成支護樁施工后，由上至下逐層開挖土石方并插入施工錨索，完成土石方開挖后由下至上順做地下室結構。此支護方式在施工進度、地下室施工質量、基坑支護安全、支護結構造價等方面均存在優勢，但受限于北側緊鄰地鐵區間及站房，錨索將侵入地鐵保護區，故未采用（見表 2）。

表2 支護體系選型對比

在綜合考慮施工對周邊影響、位移控制、坑內施工空間、施工工期、地下室施工質量、施工成本、各方態度等因素的基礎上，最終采用中心島支護體系。

2.2 中心島支護體系設計

1）單排樁設計。本基坑工程豎向支護體系采用單排樁支護體系，樁長 24 m，樁徑 1 200 mm，樁心間距1 400 mm，冠梁尺寸 1 400 mm×1 000 mm，如圖 3 所示。樁立面采用掛網噴錨進行防水抗滲。

圖3 單排樁布設形式（單位：mm）

2）預留反壓土體設計。基坑北側臨地鐵區域采用中心島開挖形式，并在基坑周邊預留反壓土體，為單排樁提供水平支撐反力。預留反壓土體為三級放坡形式，放坡坡比為 1∶0.5，邊坡平臺寬度為 3 m，臨空面采用土釘掛網噴錨支護對土體進行防護。如圖 4 所示。

圖4 預留反壓土體剖面圖（單位：mm）

3）利用地下室結構設置水平對撐設計。完成中心島地下室結構施工后，需要為單排樁支護體系提供水平向支撐，起換撐作用，以開挖反壓土體。本設計采用兩層 600 mm×800 mm 鋼筋混凝土對撐梁結合地下室主體結構構件作為水平內支撐體系，標高分別為 -5.1 m、 -11.7 m。對撐梁一端位于中心島地下室結構側，另一端位于支護樁側。由于風化巖層土體強度大，小型設備無法開挖，為保證大型設備土方開挖凈空需求，設計抬高了對撐高度，在中心島地下室結構側設置反力墩，以保土石方開挖需求。整體設計如圖 5 所示。

圖5 中心島支護體系剖面圖（單位：mm）

3 施工工況及有限元模擬分析

3.1 施工工況分析［4］

中心島支護體系其施工原則應首先施工留土區支護結構，并通過支護結構和留土反壓作用形成整體受力體系；再開挖中部區域土方，提供中部區域結構施工工作面；之后施工中部區域結構和作用在永久結構上的內支撐體系，形成受力轉換后開挖留土區土方，施工留土區結構［5］。

1）工況 1。先施工支護樁、立柱樁及鋼格構柱，再進行土方開挖至冠梁底標高，施工冠梁。如圖 6 所示。

圖6 工況 1 示意圖

2）工況 2。邊跨采用留土放坡，隨開挖進度對留土區域進行噴錨支護，中心區域土方全部挖除，如圖 7 所示。

圖7 工況 2 示意圖

3）工況 3。施工中心區域地下室結構，待中心區域地下室結構全部施工完成后施工第一道內支撐、腰梁和反力墩，如圖 8 所示。

圖8 工況 3 示意圖

4）工況 4。將邊跨留土（開槽）開挖至第二道腰梁底，施工第二道腰梁、第二道內支撐和反力墩，如圖 9 所示。

圖9 工況 4 示意圖

5）工況 5。將邊跨留土全部挖除，開挖至基坑底標高，如圖 10 所示。

圖10 工況 5 示意圖

6）工況 6。將邊跨結構施工至 -3 層樓板，對底板肥槽進行同等級素混凝土回填，施工 -3 層換撐板，拆除第二道支撐、腰梁及反力墩，如圖 11 所示。

圖11 工況 6 示意圖

7）工況 7。將邊跨結構施工至 -1 層樓板，施工 -2、-3 層換撐板，拆除第一道支撐、腰梁、反力墩及鋼立柱，如圖 12 所示。

圖12 工況 7 示意圖

8）工況 8。地下室結構施工完成，土方回填至設計標高，如圖 13 所示。

圖13 工況 8 示意圖

3.2 有限元模擬分析［6］

1）建模過程。本文使用 MIDAS GTS 軟件計算，采用一維梁單元模擬圍護樁、混凝土支撐、鋼斜拋撐、樓板、柱等結構，單元截面形狀及大小尺寸按實際施工圖的尺寸確定。通過設置梁單元的間距以實現圍護樁、混凝土支撐等構件力學行為的平面模擬。

選取地鐵寶通寺站Ⅰ號出入口典型剖面進行分析，建立基坑開挖有限元模型如圖 14 所示。

圖14 計算模型示意圖

為準確模擬基坑施工對地鐵寶通寺站Ⅰ號出入口的影響，具體分析步設置如下：①地應力平衡（在考慮重力荷載及地面超載等先期荷載的作用下，完成內力計算，軟件自動平衡地層變形，要求在本分析步完成后，地層變形量小于 10-5m）；②寶通寺站出入口及主體結構施工（移除出入口及車站主體結構范圍內的土體單元，轉換出入口及車站主體結構單元屬性，激活車站主體結構中柱單元，位移清零）；③圍護樁施工（激活圍護樁單元）；④先期留反壓土施工（移除除反壓土外的土體，激活中間跨部位的樓板、柱等結構單元）；⑤后期架設第一道混凝土支撐（激活第一道混凝土支撐單元）；⑥后期開挖反壓土及架設混凝土支撐（依次移除反壓土單元，在第二道混凝土支撐附近激活混凝土支撐單元后，繼續移除反壓土單元，直到開挖至基底）；⑦后期施工邊跨結構（依次激活邊跨板、柱單元，移除支撐單元，直至頂板，施加上部結構荷載）。

2）分析結論。由圖 15 可以得知，地層最大水平位移出現于圍護樁底部，最大位移約為 7.5 mm，地層最大豎向位移出現于基坑底部，最大位移約為 36 mm。

圖15 開挖到基坑底工況地層變形云圖

由圖 16 可知，基坑反壓土開挖完成后，地鐵車站及出入口的最大水平位移約 2.4 mm，最大豎向位移約4.07 mm。基坑開挖導致地鐵車站主體和出入口結構的水平、豎向位移均較小。

圖16 開挖到基坑底地鐵結構變形云圖

4 測量機器人自動化監測

4.1 監測方案

4.1.1 監測內容及測點布設

按照地鐵公司意見，結合本工程特點、設計要求及類似工程經驗，地鐵監測范圍為地下室基坑工程直接影響區域的地鐵二號線平行區段雙線車站隧道。自動化監測區域右線約 500 m 范圍，隧道里程為 DK 20+749～DK 21+139 范圍，沿隧道兩端各延伸 30 m 布設穩定不動參考基準點，擬采用四臺高精度測量機器人（TM 30），對應用來監測車站隧道結構的水平位移和沉降的三維形變，隧道測點斷面布置間距約 20 m。共計 11 個監測斷面（見圖 17），每個監測斷面 3 個監測點（其中在第 6 個監測斷面架設測量機器人，該測量斷面僅布設 2 個監測點），包含如下監測項目：道床沉隆及水平位移監測；結構側壁沉隆及水平位移監測；現場安全巡視。

圖17 監測布點示意圖

4.1.2 監測頻率

①地鐵車站隧道結構水平位移、隆降（測量機器人自動化監測）采取 24 h 不間斷監測，基坑開挖施工期間每天觀測 3 次，基坑主體結構施工期間每天觀測 1 次；②當監測數據出現異常后，應加密監測頻率，并及時通知相關各方做好應急措施；③地鐵結構安全現場巡視，頻率每 3～4 周 1 次，監測結果異常時，根據現場實際情況增加頻率，現場安全巡視工作，以目測為主，查看地鐵結構是否有異常等情況，必要時配合拍照等技術。

4.2 監測結果

選取中心區域地下室結構施工時典型監測結果分析，如圖 18 所示。

圖18 監測結果曲線圖

由監測結果顯示，道床沉降最大值為 1.4 mm，水平位移最大值為 1.4 mm，各項監測項目數據均在監測報警值范圍之內，滿足工程設計和地鐵管理部門的要求。

5 結語

武漢夢時代廣場項目北側臨近地鐵二號線區間及站房，采用中心島支護體系，有效結合留土反壓和結構支撐，經過現場實踐，中心島支護體系在風化巖地質條件下相對逆作法更有優勢，一方面風化巖強度高，采用中心島支護體系結合留土反壓變形可控，另一方面便于大型設備開挖，大大提高了土石方開挖的效率。采用自動化測量機器人對地鐵變形實施不間斷監測，其監測結果可供施工方動態調整，表明中心島支護體系在風化巖地質條件下臨地鐵深基坑工程中是一個新的設計思路［7］。Q