富水砂卵石地層大型地鐵車站基坑變形與支護結構受力分析*

劉季富

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司， 250002， 濟南∥高級工程師)

在基坑施工過程中，不僅要保證基坑結構自身安全穩定，還要保障基坑周邊環境能滿足正常使用要求。尤其城市中的深基坑施工，若支護不當，基坑內土體卸載將會威脅周邊既有重要建筑物的安全[1-2]。文獻 [2-5]分析了基坑施工對臨近高架橋樁變形、承載力的影響，通過設定不同工況確定影響分區，以指導實際施工；文獻 [6-10]基于實際工程，分析了復雜地層基坑開挖對既有地鐵車站的力學響應，以判斷近接工程控制因素并對其進行風險評估。

綜上可見，大型深基坑施工存在風險，同時亦會危及周邊重要建筑物，而富水砂卵石地層基坑降水導致的風險更大。本文以成都5號線(以下簡為“5號線”)青羊宮站深基坑為工程背景，該深基坑處在成都特殊的富水砂卵石地層，具有強滲透性，且基坑施工產生的復雜性與可變性亟需探明。本工程首次在砂卵石地層中引入止水帷幕，綜合考慮基坑變形、基坑施工及支撐體系，分析超厚富水砂卵石地層對基坑變形與支護結構受力的影響。

1 工程概況

青羊宮站為5號線的中間站，車站位于一環路西二段與青羊上街交叉路口北側，與遠期13號線預留通道換乘條件。青羊宮站為12 m島式站臺，主體結構沿一環路路中布置，呈南北走向，如圖1所示。

圖1 成都地鐵5號線青羊宮站總平面圖Fig.1 General plan of Qingyanggong Station of Chengdu Metro Line 5

青羊宮站采用明挖法施工。為保證一環路交通疏解需求，分別于十字路口及青羊宮門口設永久頂板。車站北端接雙線礦山法隧道，南端為雙線盾構始發。該車站長282.7 m、寬21.5 m、深21.5 m，為大型深基坑工程。地下連續墻采用φ1 200 mm@2 000 mm鉆孔樁。施工期間采用管井井點降水。青羊宮門前蓋挖范圍第1道支撐采用截面寬度與高度均為600 mm的混凝土支撐，其余內支撐采用φ609 mm、管壁厚16 mm的鋼管支撐，共設4道支撐。第1道支撐水平間距為6 m，第2、3、4道支撐水平間距均為3 m。另外，在下穿隧道內設置1道換撐，采用φ609 mm、管壁厚16 mm的鋼管支撐。

2 青羊宮站基坑施工模擬分析

2.1 計算模型的建立

依托5號線青羊宮站基坑施工方案和設計資料，基于圣維南原理，充分考慮邊界效應的影響，采用MIDAS有限元軟件，建立青羊宮站三維數值仿真模型，如圖2所示。

車站基坑總長282.7 m、寬21.5 m、深21.5 m。青羊宮門前和青羊正街道路采用蓋挖法施工，這兩個區域第1道支撐采用混凝土支撐，其余內支撐采用鋼管支撐，共設4道支撐，并設4道腰梁，見圖2 b)。其中，車站基坑支護體系，包括圍護樁、內支撐、地連墻、冠梁等結構采用實體單元；基坑開挖土體與地層采用修正摩爾-庫倫本構模型。根據青羊宮站詳細勘察階段巖土工程勘察設計參數建議值，車站支護體系和地層土體物理力學參數選取見表1～2。

圖2 青羊宮站有限元計算模型Fig.2 Finite element calculation model of Qingyanggong Station

表1 青羊宮站基坑支護體系物理力學參數

表2 青羊宮站土層物理力學參數

青羊宮站基坑降水深度分別設置為 6.35 m、13.10 m、18.35 m和23.05 m。基坑降水總水頭云圖如圖3所示。

a) 第1次降水深度為6.35 m b) 第2次降水深度為13.10 m c) 第3次降水深度為18.35 m d) 第4 次降水深度為23.05 m圖3 設置截水帷幕的基坑降水總水頭云圖Fig.3 Nephogram of total head of foundation pit precipitation with water cut-off curtain

2.2 基坑施工模擬結果分析

2.2.1 基坑施工變形分析

2.2.1.1 基坑周邊地表沉降分析

在青羊宮站基坑中，由于青羊宮蓋板和青羊正街蓋板(見圖2)的存在，以及所采用混凝土支撐及支撐結構體系的變化，導致基坑周邊地表沉降出現等值線分區閉環；地表呈下沉趨勢，而基坑底部出現明顯隆起現象。如圖4所示。

a) x方向測線上地表沉降變化曲線 b) y方向測線上地表沉降變化曲線圖4 基坑周邊地表沉降變化曲線Fig.4 Curve of surface settlement around foundation pit

2.2.1.2 地連墻水平變形分析

選取基坑中3個特征位置的測線(見圖5)對地連墻水平變形進行分析，如圖6所示。由圖6可知，隨著基坑開挖土卸載，地連墻后土體產生回彈變形擠壓圍護結構，開挖深度越大，基坑底部基礎變形越明顯；在青羊宮站所在地層中，上覆土層的施工引起地連墻水平變形較小；當開挖至砂卵石地層時，由于砂卵石地層顆粒之間存在較大空隙且無黏接力，施工擾動對地層的影響靈敏。隨著基坑開挖，原來的巖土體應力平衡狀態受到破壞，引起砂卵石塊滾動，砂卵石塊碰撞加劇擠壓圍護結構變形。故在基坑深度10 m以下需嚴格控制鋼支撐軸力，控制地層變形，減少周邊地層擾動。

圖5 地連墻水平變形測線位置Fig.5 Position of diaphragm wall horizontal deformation measuring line

2.2.2 支護結構內力分析

基于青羊宮站基坑工程，探究砂卵石地層基坑施工時鋼支撐的內力變化規律。選取車站基坑端頭擴大區域的各層鋼支撐，并對其軸力進行分析，如圖7所示。由圖7可知，隨著上覆土層開挖，鋼支撐軸力變化緩慢；隨基坑開挖深度增大，特別是開挖至砂卵石層時，鋼支撐軸力顯著增大；基坑底部變形顯著，所需支撐軸力也較大。

a) 青羊宮測線

b) 標準段測線

c) 青羊正街測線

圖7 鋼支撐軸力變化曲線Fig.7 Variation curve of axial force of steel support

3 結論

1) 基坑降水施工中，截水帷幕的存在，可有效阻斷基坑內外的水層交流，改變基坑內外水流路徑，縮小了坑內降水對幕墻以外的地下水位影響，有效保障了周圍建筑物的穩定性。

2) 富水砂卵石地層中“長條型”深基坑降水時，在距離基坑邊界10～50 m((0.4～2.4)D，D為基坑寬度)范圍內，有無截水帷幕在基坑縱剖面與橫斷面上對基坑降水的敏感度上存在顯著差異，且隨砂卵石地層厚度增大，其差異越明顯。

3) 富水砂卵石地層基坑土體卸載，距離基坑邊界0～35 m((0～1.5)D)范圍內地表呈小幅度隆起趨勢，距離基坑邊界35 m之外(>1.5D)的地表呈小幅度沉降趨勢，且基坑X向斷面較Y向斷面地表沉降變化顯著。

4) 青羊宮站所在的砂卵石層是力學不穩定地層，顆粒間空隙較大、無黏聚力，顆粒間點對點傳力。卸荷時土層原來的平衡狀態受到破壞，引起砂卵石塊滾動，砂卵石碰撞加劇擠壓圍護結構變形。因此，基坑深度10 m以下需設鋼支撐軸力伺服系統，控制圍護結構側向變形，減少地層擾動。