深基坑工程臨近既有地鐵車站結構施工影響分析

肖昱XIAO Yu；董延昭DONG Yan-zhao

（石家莊市軌道交通集團有限責任公司，石家莊 050000）

0 引言

臨近既有城市軌道交通結構基坑施工，土方開挖可能出現圍護結構變形及周邊環境沉降等，要充分考慮周邊環境復雜、圍護工程工作量大、地質條件差等困難，合理選擇開挖方式和支護結構，運用好現代化先進技術，保證工程質量。控制變形，要制定嚴密合理的監測方案，做到動態評估、及時反饋[1-5]。根據現場監測數據對該基坑工程的周邊地表沉降、周邊建筑物豎向位移及圍護樁的水平與豎向位移進行統計分析，驗證工程開挖工序、支護型式的安全性。

1 工程概況及水文地質條件

1.1 工程概況

某地產項目A1 區基坑工程（后簡稱A1 區基坑工程）位于城市中心，地下車庫地面以下兩層，框架結構，筏板基礎；辦公樓主樓地下3 層，地上21 層，采用框剪結構筏板基礎；地塊裙樓為地下3 層，地上4 層，采用框架結構柱下獨立基礎。場地地形平坦，地面標高約65.65m，基坑開挖深度15.05m～15.25m，整體南北向約205m、東西向約75m。A1 區基坑工程北側距離位同地鐵站2 號風亭約6.71m，距離B 出入口約16.02m。

1.2 工程水文地質概況

根據勘察揭露，在最大勘探深度55.0m 范圍內，主要由雜填土、黃土狀粉土、粉質粘土及砂類土等組成。地下水為第四系孔隙潛水，主要含水層為砂土、卵礫石土，地下水水位埋深40m 左右。土體參數見表1。

表1 土體參數

1.3 開挖及圍護結構方案

基坑開挖深度15.05m～15.25m，設3 個支護剖面，基坑北側臨地鐵側采用灌注樁+3 道混凝土桁架撐，東側采用樁錨支護，南側及西側采用土釘放坡。臨地鐵側基坑開挖深度15.05m，豎向支撐體系為鋼立柱和立柱樁，護坡樁Ф800mm，間距1.2m，樁長24.0m；豎向設3 道混凝土桁架撐、1 道冠梁和2 道砼腰梁。

1.4 施工步序

臨近地鐵側基坑開挖施工步序為逐層開挖，逐層架撐；開挖至基底，順序施做結構，結構達到強度后，從下而上逐層拆除支撐。

2 變形控制標準

既有地鐵安全運營的控制指標和標準基于結構變形、建筑限界考慮，且一般采用變形控制指標作為主要控制指標。

根據《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB50911-2013），《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202-2013），參考國內類似工程經驗并結合理論計算分析，現制定本工程變形控制指標及標準如表2。

表2 工程變形控制指標及標準

3 數值模擬計算與分析

3.1 計算模型

計算采用巖土有限元分析軟件建立整體三維有限元模型進行計算分析[6]。以A1 地塊基坑工程軸線方向為X軸，其垂直方向為Y 軸，豎直方向為Z 軸建立三維模型計算分析，為消除模型邊界效應，X 軸方向取300m，Y 軸方向取350m，Z 軸方向取70m。模型中具體幾何關系和空間位置等來自相關圖紙信息，在此不再贅述。計算模型基本尺寸及相應的位置關系見圖1。有限元數值模擬假定：認為各土層均呈勻質水平層狀分布且同一土層為各向同性，結構體的變形、受力均在彈性范圍內；計算不考慮地下水影響；土體采用修正摩爾庫倫，其他混凝土結構采用線彈性本構。模型邊界條件：模型頂面為自由面，無約束；模型底面法向約束；模型四個側面均只約束法向，其余方向自由無約束。

圖1 計算模型示意圖

3.2 分析步驟設置

步驟一，平衡地應力；步驟二，施工基坑圍護樁及格構柱立柱樁；步驟三，開挖第一層土體，施作冠梁、第一道混凝土內撐、放坡段噴射混凝土；步驟四，開挖第二層土體，施作第二道腰梁及內撐、放坡段噴射混凝土+土釘、錨索段冠梁+第一道錨索；步驟五，開挖第三層土體，施作第三道腰梁及內撐、放坡段噴射混凝土+土釘、錨索段第二道腰梁+第二道錨索；步驟六，開挖第四層土體，放坡段噴射混凝土+土釘、錨索段第三道腰梁+第三道錨索；步驟七，施做主體結構底板、側墻、中板，拆除第三道支撐；步驟八，施做主體結構側墻、中板，拆除第二道支撐；步驟九，施做主體結構側墻，拆除第一道支撐；步驟十，施做主體結構頂板、回填。

4 計算結構分析

4.1 靠近地鐵側圍護樁位移分析

基坑開挖完成時，土體卸載最大，產生開挖階段最大位移；基坑X 方向的最大水平位移值為14.08mm，方位為向基坑內位移。基坑Y 方向的最大水平位移值為11.7mm，指向基坑內側。第九步結構回筑施做結構側墻，拆除第一道支撐時，圍護樁位移最大；基坑X 方向的最大水平位移值為14.16mm，方位為向基坑內位移。基坑Y 方向的最大水平位移值為12.07mm，指向基坑內側。靠近地鐵側圍護樁水平變形云圖見圖2。

圖2 開挖完成、施做側墻時圍護結構位移云圖

4.2 地鐵結構位移分析

A1 區基坑開挖階段，開挖至基底時，土體卸載，產生開挖階段最大位移。B 號出入口最大X 向水平位移為0.82mm，Y 向 水 平 位 移 為3.24mm，Z 向 垂 直 位 移 為0.48mm。 第七步拆除第三道支撐時，產生回筑階段最大位移；B 號出入口最大X 向水平位移為0.68mm，Y 向水平位移為2.98mm，Z 向垂直位移為0.43mm。

主體結構開挖至基坑坑底時，基坑開挖至基底時，土體卸載，產生開挖階段最大位移；最大X 向水平位移為0.95mm，Y 向 水 平 位 移 為3.87mm，Z 向 垂 直 位 移 為0.49mm。第七步拆除第三道支撐時，產生回筑階段最大位移，最大X 向水平位移為0.80mm、Y 向水平位移為3.59mm、Z 向垂直位移為0.46mm。

4.3 地鐵結構應力分析

基坑開挖至基底時，土體卸載，產生開挖階段最大應力；車站B 號出入口最大應力值為5.438MPa、最小應力值為-5.765MPa。第七步拆除第三道支撐時，產生回筑階段最大應力，最大應力值為5.438MPa、最小應力值為-5.761MPa。開挖階段B 出入口的最大及最小應力云圖見圖3，維護結構強度符合技術要求。

圖3 開挖至坑底時B 出入口最大、最小應力云圖

4.4 運營安全分析

選取B 出入口底板位置處的單元，提取出入口自動扶梯位置的豎向位移，基坑開挖開挖至基底時，自動扶梯的差異沉降為0.2mm；基坑回筑階段拆除第三道撐時，自動扶梯的差異沉降為0.13mm；均滿足2mm 的變形控制要求。

選取車站通道人防門位置處的單元，提取人防門左右側的豎向位移，基坑開挖至基底時，差異沉降為0.077mm；基坑回筑拆除第三道撐時，差異沉降為0.051mm；均小于3mm 的變形控制要求。

4.5 小結

針對不同的保護對象采用不同等級的監控量測措施，主要變形指標累積變形（見表3）符合變形控制要求，基坑施工方案滿足控制要求。

表3 主要變形指標累積變形值

5 結論

本文概括分析了復雜環境下如何為基坑開挖和支護提供可以選擇的安全施工技術，借用軟件進行施工步驟模擬對近距離臨近城市軌道交通基坑開挖的影響，考慮圍護和施工方法的類型是整個建設過程中最重要的一步，其次設計時要考慮土體擾動影響，結合地質、水文條件預先采取針對性措施去改善整個基坑施工的過程[7]，落實監測，保證工程的穩定性和可靠性。①模擬過程采用修正摩爾庫倫本構，很好的模擬了現場的實際情況，所得數值跟實際結果接近，對實際工程有很好的指導作用。②臨近地鐵側基坑選取圍護樁+桁架撐，從模擬過程分析相關變形值均處于控制值以內，可供相似地區工程建設參考。③本基坑工程距車站附屬結構最小水平凈距6.71m，位于0.7H 范圍之內，屬強烈影響區域。基坑施工對位同站附屬結構存在一定風險。由于基坑開挖卸荷引起周邊地層應力損失及應力重新分布，導致位同站附屬結構產生少量水平、豎向位移，分析可得：基坑開挖階段圍護結構圍護樁+三道混凝土桁架撐的支護措施及主體結構回筑階段方案可以滿足既有地鐵結構及運營安全。