L形地鐵換乘車站超深基坑支護結構設計優化分析*

金 平 王 濤 蔡海兵 龔永旺 黃 軍

(1.中鐵四局集團有限公司城市軌道交通工程分公司，230022，合肥；2.安徽理工大學土木建筑學院，232001，淮南∥第一作者，高級工程師)

地鐵車站一般設置在人口比較集中的區域，周邊環境較為復雜。基坑工程的設計既要保持支護結構體系和基坑自身的穩定，又要保證周邊環境的安全。近年來，許多專家學者在深基坑支護理論和試驗研究[1-2]、現場監測及數值模擬[3-5]等方面取得了諸多研究成果。文獻[6]以北京地鐵9號線為工程背景，采用北京理正深基坑分析軟件對優化設計前后的基坑開挖情況進行了對比分析，發現優化后的設計方案在實際施工時發揮了良好的作用，且現場監測數據幾乎與模擬結果一致。

現階段，深基坑的支護結構設計與施工現場的契合度還不高。相比較而言，超深基坑在進行施工時，其所受的地質條件、周圍環境及地下管線更為復雜。為此，在進行超深基坑施工設計及施工過程中，更要保證安全、耐久、經濟和環保等要求。

本文以福州地鐵4號線(以下簡稱“4號線”)和地鐵5號線(以下簡稱“5號線”)洪塘路L形換乘車站超深基坑工程為研究背景，采用Midas GTS有限元軟件對換乘節點處的基坑支護方案進行優化，并通過地下連續墻(以下簡稱“地連墻”)水平位移、內支撐軸力和周邊地面位移的現場實測數據驗證優化方案的可行性與安全性。本文研究可為其他類似基坑工程的施工提供設計思路。

1 工程概況

1.1 場地概況

洪塘站為4號線和5號線的換乘車站，位于洪塘路與閩江大道交叉口。4號線和5號線基坑分別沿洪塘路和閩江大道敷設，兩者互為L形。4號線為地下四層雙柱三跨結構，車站長為187.4 m，標準段寬為23.9 m，埋深為32.30～36.20 m。5號線為地下兩層雙柱三跨結構，車站長為265.5 m，標準段寬為22.7 m，埋深為17.75～20.35 m，半蓋挖施工。

1.2 工程地質與水文地質

洪塘站主要地層為雜填土、粉質黏土、中粗砂、殘積粉質黏土、殘積砂質黏土和全強風化花崗巖。5號線初見水位埋深為1.20～6.50 m，初見水位標高為6.47～10.73 m；穩定水位埋深為1.30～4.00 m，穩定水位標高為6.14～9.95 m。4號線初見水位埋深為0.70～4.10 m，初見水位標高為5.44～9.80 m；穩定水位埋深為1.20～3.80 m，穩定水位標高為5.56～9.95 m。

1.3 原支護結構設計方案

洪塘站超深大基坑原設計為大開挖。5號線基坑支護形式為：0.8 m地連墻+1道混凝土支撐+2道φ800 mm鋼支撐；4號線和換乘節點處坑支護形式為：1.2 m地連墻+4道混凝土支撐+3道φ800 mm鋼支撐。

洪塘站超深基坑采用大開挖方式的缺點有：① 施工資源投入過多，浪費嚴重；② 受不同地層影響，基坑降水成為施工難題；③ 超深大基坑全暴露式開挖，施工風險比較高；④ 基坑大面積暴露會造成周邊路面、建(構)筑物均勻或不均勻沉降；⑤ 4號線地連墻深為46 m，施工功效較低，造成整個基坑開挖時間滯后。

1.4 支護結構優化方案

1) 采用封堵墻將洪塘站分為5號線、4號線和換乘節點3個獨立基坑。3個基坑彼此獨立，分區開挖分區支護，規避基坑大面積暴露風險，且滿足鋪軌工期節點要求。

2) 4號線基坑支撐體系由原設計的4道鋼筋混凝土支撐+3道鋼支撐調整為4道混凝土支撐(0.8 m×1.0 m、1.0 m×1.0 m、1.4 m×1.2 m、1.2 m×1.0 m)+1道φ800 mm鋼支撐；換乘節點處基坑由原設計的7道混凝土支撐調整為5道混凝土支撐；5號線基坑維持1道鋼筋混凝土支撐+2道鋼支撐不變。該方案按“結構層數加1”原則布置，更有利于結構板回筑，施工一層切除一層，其適用性較強。

3) 根據不同地層，3個基坑分別選擇不同的降水方案。對于5號線富水砂層基坑，主要降(含泥)中粗砂層的孔隙承壓水，根據單井降水量布置降水井，選擇反循環鉆機施工降水井，采用橋式濾水管；對于換乘節點和4號線超深基坑，主要降風化巖的孔隙裂隙承壓水和基巖裂隙承壓水，根據單井降水面積布置降水井，選擇潛孔鉆機施工降水井，采用橋式濾水管。

2 基坑支護數值模擬

2.1 計算模型

采用Midas GTS有限元軟件對基坑施工過程進行動態數值模擬分析。以換乘節點為研究重點，模型尺寸為232 m(長)×240 m(寬)×100 m (高)。

根據詳勘地質資料，將土體從上而下劃分為8層。土體采用修正摩爾-庫倫本構模型和三維實體單元進行模擬，采用彈性模型模擬鋼筋混凝土結構。支護體系中，內支撐、冠梁等采用梁單元模擬，地連墻采用板單元模擬。邊界條件為：模型頂面為自由面，無約束；底面所有節點施加位移約束Tx、Ty、Tz；側面所有節點施加約束Tx、Ty；地連墻底部節點施加約束Tz，限制其豎向位移。地層物理力學參數如表1所示，支護結構物理力學參數如表2所示。

表1 地層物理力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of stratum

表2 支護結構物理力學參數

對換乘節點超深基坑優化前后的支撐支護方案分別進行三維有限元模擬，重點分析地連墻水平位移、支撐軸力和地面位移的變化規律。優化前后的支撐布置方案有限元模型如圖1所示。

圖1 支撐布置方案有限元模型Fig.1 Finite element model of support layout scheme

2.2 施工階段工況模擬

基坑施工階段工況如表3所示。

表3 基坑施工階段及施工步驟Tab.3 Foundation pit construction phases and steps

3 計算結果分析

3.1 地連墻水平位移計算結果

換乘節點處，優化方案施工過程中，各工況下的地連墻水平位移云圖如圖2所示。由圖2可知，地連墻水平位移在整個基坑開挖過程中逐漸增大，且最大變形位置逐漸下移。當換乘節點開挖完成時，最大位移為26.145 mm。根據國家相關規范規定，支護結構最大水平位移不超過基坑開挖深度的0.15%，且不宜超過30.000 mm。優化后的5道支撐能夠滿足相關規范要求。

圖2 地連墻水平位移云圖Fig.2 Nephogram of underground diaphragm wall horizontal displacement

3.2 內支撐軸力計算結果

換乘節點處，按優化方案施工過程中，各個工況下的內支撐軸力云圖如圖3所示。由圖3可知，當換乘節點深基坑開挖至坑底時，最大支撐軸力出現在第4道混凝土支撐上，最大支撐軸力為6 499 kN，能夠滿足混凝土支撐穩定性要求。

圖3 內支撐軸力云圖Fig.3 Nephogram of internal support axial force

3.3 地面位移計算結果

換乘節點處，優化方案施工過程中，各個工況下的基坑周邊地面位移云圖如圖4所示。由圖4可知，L形換乘車站基坑周邊沉降最大值發生在4號線標準段，4號線最大地面沉降為14.782 mm。提取換乘節點模型周邊地面沉降數據，換乘節點周邊的最大沉降為11.971 mm，距基坑約13 m。

圖4 地面位移云圖Fig.4 Nephogram of ground surface displacement

4 數值模擬和現場實測結果對比

換乘節點處，監測點的位置分布如圖5所示。監測點QCX31處的地連墻水平位移模擬值與實測值如圖6所示。由圖6可知，地連墻水平位移模擬值與監測值的變化規律基本一致。在地連墻深度為30 m處附近，模擬值與監測值達到最大值，分別為26.145 mm和24.390 mm。模擬值相對于監測值大了1.755 mm，這是由于現場環境復雜、土層分布不均勻,且模擬過程中未考慮地下水影響造成的偏差。

圖5 監測點位置分布圖Fig.5 Distribution diagram of monitoring points

圖6 地連墻水平位移模擬值與實測對比

換乘節點處，在各施工階段內,監測點TZL1-22處的內支撐軸力監測值與模擬值對比如圖7所示。由圖7可知，隨著基坑開挖深度的增大，各道內支撐軸力均有所增大，第1道與第2道支撐在開挖過程中的內支撐軸力增大比較緩慢，第4道與第5道支撐增大速率較快，監測值與模擬值變化規律基本一致。

圖7 內支撐軸力模擬值與實測對比

換乘節點處，在基坑開挖過程中監測點DBC31處的地面沉降監測值與模擬值對比如圖8所示。由圖8可知，換乘節點處基坑開挖至坑底時，模擬值與監測值的變化曲線呈凹形，監測值相對于模擬值偏大，這是由數值模擬過程中未考慮現場施工堆載和基坑非均勻降水等因素導致的。模擬地面的最大沉降為11.970 mm，出現在距換乘節點基坑邊緣13 m處；現場監測地面的最大沉降為14.000 mm，也出現在距換乘節點基坑邊緣13 m處，表明基坑支護結構優化設計是合理的。

圖8 地面沉降模擬值與實測對比

5 結語

本文以福州地鐵洪塘路換乘站L形超深基坑為工程背景，將換乘車站超深基坑分成3個獨立部分，進行分區開挖分區支護。通過Midas GTS有限元軟件對換乘節點處圍護結構的水平位移、內支撐軸力和地面位移進行了綜合分析，成功將換乘節點基坑原7道內支撐優化為5道內支撐。通過現場實測數據與模擬數據對比分析，獲得以下結論：

1) 地連墻水平位移在基坑開挖過程中逐漸增大且最大位移位置逐漸下降；當基坑開挖至坑底時，地連墻最大水平位移模擬值為26.145 mm，實測值為24.390 mm，均在安全控制值內，滿足設計要求。

2) 通過提取換乘節點深基坑支撐的軸力數據，由數值模擬得到的最大內支撐軸力為6 499 kN，出現在第4道混凝土支撐上；現場實測得到的最大內支撐軸力為5 756 kN，均在安全控制值內，滿足設計要求。

3) 換乘節點周邊地面沉降與現場監測數據的變化規律基本吻合。數值模擬得到的最大周邊沉降為11.971 mm，現場實測值為14.000 mm，均出現在距換乘節點基坑邊緣13 m附近，最大沉降值均在安全控制值內，滿足設計要求。

4) 將超深基坑的原7道內支撐優化為5道內支撐的支護方案是安全可行的。通過增設封堵墻，將洪塘站超深基坑分為3個獨立基坑，各自獨立分區施工。這不僅從根本上避免了11 600 m2的基坑同時暴露，還降低了施工風險，保護了周邊建(構)筑物的安全。整個L形地鐵換乘車站的基坑施工突破了大面積、超深、多支撐等工程性難題，工期提前了約6個月，確保了5號線的節點工期。