緊鄰地鐵基坑支護(hù)設(shè)計的優(yōu)化方法

任貴生

（北京市地質(zhì)工程公司，北京100143）

緊鄰地鐵基坑支護(hù)設(shè)計的優(yōu)化方法

任貴生

（北京市地質(zhì)工程公司，北京100143）

與既有地鐵結(jié)構(gòu)臨近深大基坑的支護(hù)設(shè)計因受到各種因素的影響，極易出現(xiàn)支護(hù)設(shè)計過于冒進(jìn)或過于保守兩種情況。本文探討的與地鐵臨近深大基坑支護(hù)設(shè)計的優(yōu)化方法，在闡述基坑支護(hù)設(shè)計優(yōu)化方案的同時，根據(jù)擬建基坑與緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)在空間上的位置關(guān)系，將此類型基坑又細(xì)分為擬建基坑位于地鐵隧道上方、擬開挖基坑位于地鐵結(jié)構(gòu)一側(cè)開挖深度小于地鐵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋深及基坑開挖深度大于地鐵埋深三種類型。明確了設(shè)計優(yōu)化階段的劃分及流程，并通過案例介紹，指出通過對多個單項工程優(yōu)化經(jīng)驗的積累，可進(jìn)一步提高該類型基坑支護(hù)設(shè)計的整體水平。

基坑支護(hù)設(shè)計；地鐵；設(shè)計優(yōu)化；基坑監(jiān)測

0 前言

20世紀(jì)90年代末至2010年間，基坑支護(hù)工程在基坑支護(hù)設(shè)計過程中往往會出現(xiàn)兩種極端情況：一種情況是施工設(shè)計單位為了降低工程造價，提高工程中標(biāo)的概率，設(shè)計支護(hù)方式過于冒進(jìn)，這樣即使在施工過程中很好的控制了施工質(zhì)量，也往往還會造成基坑坍塌事故的發(fā)生；另外一種情況是支護(hù)設(shè)計方案過于保守，這種情況往往不易引起人們的重視，但卻造成社會財富的浪費(fèi)。近年來，隨著經(jīng)驗的積累，深大基坑工程設(shè)計理念及安全冗余系數(shù)取值日趨統(tǒng)一，基坑支護(hù)設(shè)計也越發(fā)成熟。

但隨著近些年地鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展，與既有地鐵臨近深大基坑工程不斷涌現(xiàn)，對該類型工程的支護(hù)設(shè)計也出現(xiàn)了類似問題：要么支護(hù)設(shè)計按照常規(guī)場地條件考慮或因缺乏經(jīng)驗而隨意冒進(jìn)，忽視基坑支護(hù)對既有地鐵結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響；要么過度夸大基坑開挖可能造成的對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響，不敢“輕易”在地鐵結(jié)構(gòu)周邊施工，造成社會財富浪費(fèi)的同時，亦限制了巖土工程技術(shù)的向前發(fā)展。

本文探討的與地鐵臨近深大基坑設(shè)計的優(yōu)化方法，就是研究如何找到一個既能做到解決支護(hù)結(jié)構(gòu)及臨近既有地鐵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全又能經(jīng)濟(jì)、快速實(shí)現(xiàn)施工目標(biāo)的設(shè)計方案，即對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 設(shè)計方案優(yōu)化的內(nèi)容

對臨近既有地鐵結(jié)構(gòu)的深基坑工程進(jìn)行優(yōu)化的內(nèi)容應(yīng)包括以下四個方面（徐楊青，1997；徐楊青，2001）：

（1）支護(hù)措施的可靠性，技術(shù)工法的先進(jìn)性及施工的可行性。技術(shù)措施的可靠性主要指支護(hù)設(shè)計所選定的支護(hù)工藝參數(shù)對實(shí)現(xiàn)維持邊坡穩(wěn)定及地下水控制等基坑支護(hù)目標(biāo)切實(shí)有效、可行。支護(hù)工法的先進(jìn)性主要指為實(shí)現(xiàn)設(shè)計支護(hù)工藝而采用的施工方法或技術(shù)措施及配套機(jī)械等的先進(jìn)性，技術(shù)工法的先進(jìn)性體現(xiàn)在施工效率較其它工法施工效率有所提高、施工質(zhì)量更好且穩(wěn)定、更利于節(jié)約成本或?qū)Νh(huán)境污染影響有所降低等。例如：近些年在北京地區(qū)廣泛采用的長螺旋壓灌混凝土反插鋼筋籠成樁工法因其較高的施工效率、較低的施工單價及污染水平，在護(hù)坡樁及基礎(chǔ)樁施工領(lǐng)域搶占了很大的反循環(huán)及旋挖施工的份額。施工的可行性指設(shè)計選定的支護(hù)工藝在目前施工技術(shù)水平或?qū)嶋H場地條件下切實(shí)可行。例如，某個基坑支護(hù)項目，擬建結(jié)構(gòu)外皮距離已有建筑外墻僅1.2m，支護(hù)設(shè)計單位在沒有對項目周邊環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場踏勘的情況下就編制出了一套采用600mm直徑護(hù)坡樁進(jìn)行支護(hù)的方案，結(jié)果因鉆機(jī)無法正常就位，不得不調(diào)整方案，誤時費(fèi)力。因此支護(hù)方案要切實(shí)可行，應(yīng)遵循以下兩個原則：第一，在現(xiàn)有的技術(shù)水平或設(shè)備施工能力下或?qū)ΜF(xiàn)有技術(shù)工藝進(jìn)行改進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)；第二，支護(hù)設(shè)計前要認(rèn)真進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，了解周邊構(gòu)筑物、地下管線埋設(shè)情況，施工允許作業(yè)面寬度等。這樣編制出來的設(shè)計文件才能夠做到切實(shí)可行。

（2）經(jīng)濟(jì)效益合理化。能夠在支護(hù)設(shè)計成本控制與所選定支護(hù)工藝安全冗余之間找到合理平衡點(diǎn)就是經(jīng)濟(jì)效益合理化的目標(biāo)。

（3）對支護(hù)方案的優(yōu)化應(yīng)系統(tǒng)性分析所選用支護(hù)方案對周邊環(huán)境的影響狀況及后期使用效果。最優(yōu)方案應(yīng)是滿足受基坑開挖影響周邊環(huán)境的要求，基坑開挖完成后使用效果較好的方案。

（4）最有利于縮短施工工期。支護(hù)方式的選型和施工工藝的選擇對施工進(jìn)度都會產(chǎn)生影響。方案優(yōu)化過程中，要結(jié)合基坑的具體使用功能在兼顧安全及造價的基礎(chǔ)上選擇最利于縮短工期的支護(hù)方式及施工工藝。

2 緊臨既有地鐵深基坑工程的特點(diǎn)及分類

對于與地鐵結(jié)構(gòu)臨近的基坑設(shè)計，初步定性判斷基坑與臨近地體結(jié)構(gòu)的相互影響程度，對支護(hù)設(shè)計非常必要。根據(jù)擬建基坑與既有地鐵結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系，可將緊臨既有地鐵結(jié)構(gòu)的深大基坑初步分為以下3種類型：

第一類：既有地鐵隧道或站體位于擬開挖深大基坑的一側(cè)，地鐵隧道或站體基底埋深大于擬開挖基坑。該類情況在地鐵結(jié)構(gòu)采用明挖法或暗挖法施工時皆能出現(xiàn)。此類空間位置關(guān)系，因擬建基坑開挖是對地鐵結(jié)構(gòu)主動土壓力區(qū)卸荷，在確?；邮┕げ黄茐募扔械罔F結(jié)構(gòu)的配套設(shè)施的情況下，對既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響較小。

第二類：既有地鐵隧道或站體位于擬開挖深大基坑的一側(cè)，隧道或站體基底埋深小于或等同于擬建深大基坑，該類情況在地鐵結(jié)構(gòu)采用明挖法或暗挖法施工時皆能出現(xiàn)。由于是在地鐵結(jié)構(gòu)的單側(cè)卸荷開挖且開挖深度大于既有地鐵結(jié)構(gòu)的基底埋深，因此會造成地鐵結(jié)構(gòu)基底土層的應(yīng)力重新分布，同時由于單側(cè)開挖可能造成的地鐵結(jié)構(gòu)的不對稱變形，問題較為復(fù)雜。

第三類：深大基坑在既有地鐵隧道上方開挖，該類情況又細(xì)分為地鐵隧道橫向下穿和縱向下穿擬開挖基坑。因受規(guī)劃程序限制，地鐵施工在前擬建基坑開挖在后，因此此類基坑只出現(xiàn)在采用暗挖法施工的地鐵隧道上方。由于是在地鐵隧道上方卸荷，相當(dāng)于是減小了地鐵隧道上方的配重，在抗浮設(shè)防水位較高的地區(qū)，需要解決基坑開挖造成的地鐵隧道上浮問題；由于卸荷造成的地鐵隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)上浮雖不會對結(jié)構(gòu)造成破壞性的影響,但由于此種狀態(tài)下既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形模式與原始設(shè)計相悖,風(fēng)險較大（余曉琳，2010）。同時，當(dāng)隧道拱頂臨近基坑開挖邊線且與擬建基坑基底較為接近時，會造成擬開挖基坑支護(hù)體系的嵌固深度不足或擬建構(gòu)筑物抗浮問題難以解決的棘手問題。

3 設(shè)計方案優(yōu)化的階段劃分及流程

3.1 優(yōu)化階段劃分

對臨近既有地鐵結(jié)構(gòu)的深基坑工程，進(jìn)行優(yōu)化應(yīng)按照以下4個階段進(jìn)行：

系統(tǒng)性優(yōu)化：根據(jù)對概念性設(shè)計階段所初步擬定的幾套設(shè)計方案，進(jìn)行支護(hù)措施的可靠性、技術(shù)工法的先進(jìn)性及施工的可行性、經(jīng)濟(jì)效益的合理性、支護(hù)方案對周邊環(huán)境的影響及使用效果、工期的可控性等內(nèi)容，進(jìn)行綜合性的對比分析，選擇出最佳的支護(hù)方案類型，這一階段是依據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行的概念化設(shè)計階段，是優(yōu)化設(shè)計的第一步，也是進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化的核心內(nèi)容。

設(shè)計計算優(yōu)化：這一階段是在最佳方案選定后，對所采用的方案進(jìn)行驗算校核，通過驗算校核分析支護(hù)方案細(xì)部優(yōu)化的可行性。例如：通過驗算確定護(hù)坡樁的合理嵌固深度、錨桿或支撐的道數(shù)或?qū)訑?shù)等，通過調(diào)整支護(hù)方案中各支護(hù)工藝的參數(shù)或位置，使得基坑支護(hù)體系的受力更為合理，造價更低，是基坑設(shè)計優(yōu)化的細(xì)部調(diào)整及理論驗證階段，也是基坑設(shè)計優(yōu)化的重要輔助手段。

施工監(jiān)測的印證優(yōu)化：通過對基坑工程施工過程的動態(tài)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)信息化施工，在預(yù)防工程施工發(fā)生事故的同時，便于通過監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證支護(hù)方案的可行性，也利于找出設(shè)計方案或施工過程中存在的不足，這一階段是通過反演分析的方法對設(shè)計方案優(yōu)化水平的一個評判階段，也是設(shè)計方案優(yōu)化經(jīng)驗的積累階段。通過對基坑設(shè)計優(yōu)化經(jīng)驗的積累進(jìn)一步提高系統(tǒng)優(yōu)化的水平，形成良性循環(huán)，利于促進(jìn)與既有地鐵結(jié)構(gòu)臨近深大基坑支護(hù)設(shè)計水平的提高。

隨著數(shù)據(jù)收集及經(jīng)驗的積累，行業(yè)整體設(shè)計水平提升。通過對臨近既有地鐵結(jié)構(gòu)深大基坑支護(hù)設(shè)計優(yōu)化分析經(jīng)驗的不斷積累，將提高臨近既有地鐵結(jié)構(gòu)深大基坑施工時對地鐵結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施影響程度的經(jīng)驗判斷的準(zhǔn)確性，更利于選擇施工效率高、穩(wěn)定性好的施工工藝，促進(jìn)臨近既有地鐵結(jié)構(gòu)深大基坑支護(hù)設(shè)計水平的不斷向前發(fā)展。

3.2 設(shè)計優(yōu)化流程

依據(jù)本文提出的與既有地鐵結(jié)構(gòu)臨近深大基坑工程優(yōu)化分析的內(nèi)容與階段劃分，總結(jié)出具體項目設(shè)計方案的優(yōu)化流程（圖1）。

圖1 支護(hù)設(shè)計優(yōu)化流程圖Fig.1 supporting design optim ization fow chart

通過對個體項目的優(yōu)化，收集數(shù)據(jù)，積累經(jīng)驗，進(jìn)一步提高對該類項目的設(shè)計優(yōu)化水平。

4 優(yōu)化方案

針對臨近既有地鐵結(jié)構(gòu)深大基坑支護(hù)設(shè)計的特點(diǎn)，明確以控制擬開挖基坑穩(wěn)定為支護(hù)設(shè)計目標(biāo)的同時需兼顧臨近地鐵站體、隧道及附屬設(shè)施安全運(yùn)營的需要，結(jié)合基坑開挖深度、地下水埋深及滲流情況、地層物理力學(xué)性質(zhì)及地鐵結(jié)構(gòu)與擬開挖基坑之間的空間位置關(guān)系，先依靠經(jīng)驗判斷提出多套可供采用的概念化設(shè)計方案后，通過對方案的有效性、先進(jìn)性、可實(shí)施性、對臨近地鐵結(jié)構(gòu)影響的可控性、經(jīng)濟(jì)效益的合理性及工期的節(jié)省程度等方面進(jìn)行綜合性評價，選出最優(yōu)方案，更利于臨近既有地鐵結(jié)構(gòu)基坑工程施工效益的最大化。

對與北京地區(qū)較常采用的放坡開挖、土釘墻（復(fù)合土釘墻）、樁錨支護(hù)（樁加內(nèi)支撐支護(hù)）及地下連續(xù)墻（地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐支護(hù)）支護(hù)工藝，在進(jìn)行穩(wěn)定性、對臨近既有地鐵結(jié)構(gòu)影響的可控性及工程造價方面的評定時，基坑穩(wěn)定性的安全冗余、對地鐵結(jié)構(gòu)影響的控制效果及支護(hù)工程施工成本按照如下順序遞增（圖2）：

圖2 各類支護(hù)工藝穩(wěn)定性冗余及造價遞增圖Fig.2 Safty factor and cost increasing chart

從圖2可以看出，支護(hù)工藝的安全有效性與支護(hù)結(jié)構(gòu)的造價存在不可調(diào)和矛盾，要想基坑支護(hù)措施安全冗余系數(shù)大，就必須增加施工造價；若施工造價降低程度過大，就必須承擔(dān)因此而引發(fā)的施工風(fēng)險，對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，更利于將“好鋼用在刀刃上”。

對于工程造價的合理控制，可以通過核算供選方案的成本計劃，對工程合理造價進(jìn)行評估，基坑支護(hù)工程的施工成本總價主要由人工機(jī)械費(fèi)、材料費(fèi)及管理費(fèi)3個部分構(gòu)成，對施工內(nèi)容進(jìn)行合理列項，計算出每套方案的施工成本并不太難。表1 為某項目的成本計劃評估截選。

對于工期節(jié)約的控制，要結(jié)合施工工法、支護(hù)設(shè)計工藝具體分析確定，如單純采用懸臂樁支護(hù)工藝較樁錨支護(hù)工藝節(jié)省工期；對于護(hù)坡樁施工各類工法而言，在北京非卵礫石地區(qū)，長螺旋成孔壓灌超流態(tài)混凝土反插鋼筋籠成樁工法就比旋挖成樁、反循環(huán)成樁工法效率高得多。

望京某基坑支護(hù)工程緊鄰即將竣工交付使用的地鐵十四號線21標(biāo)段，基坑開挖深度14.36～18.02m，基坑整體呈倒“L”形，涉及基坑位于隧道上方及一側(cè)兩類空間位置關(guān)系。支護(hù)設(shè)計要解決基坑開挖卸荷對下方隧道造成的上浮影響；因隧道頂部緊貼基底采用樁錨支護(hù)嵌固過短影響基坑整體穩(wěn)定性的問題；確保地鐵結(jié)構(gòu)及基坑周邊管線變形穩(wěn)定的問題及地下水控制的問題（圖3）。

項目實(shí)施過程中進(jìn)行了多次方案比選分析，對支護(hù)方案的選型、擬建構(gòu)筑物抗浮及下方隧道上浮、地下水控制方式的選型及實(shí)施工藝等進(jìn)行了一系列優(yōu)化，最終通過方案的優(yōu)化分析，圓滿完成設(shè)計施工任務(wù)。另外，項目實(shí)施過程中，除根據(jù)規(guī)范（張旭等，2008）對基坑、周邊地面、構(gòu)筑物及管線等進(jìn)行了常規(guī)監(jiān)測外，還對既有地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了專項監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容涵蓋軌道結(jié)構(gòu)豎向變形、隧道結(jié)構(gòu)收斂、線路鋼軌位移及接觸網(wǎng)收斂檢測等（鄭剛等，2016），收集了大量資料數(shù)據(jù)（圖4）。

表1 某支護(hù)設(shè)計成本評估表Tab.1 Supporting design cost analysis table

圖3 基坑隧道平面位置關(guān)系圖Fig. 3 Plan of the relationship between foundation pit and tunnel

圖4 典型隧道基坑位置關(guān)系剖面圖Fig.4 Section plan of the typical relationship between foundation pit and tunnel

5 結(jié)語

與既有地鐵結(jié)構(gòu)臨近深大基坑工程設(shè)計方案的優(yōu)化分析是一個系統(tǒng)性工程，通過對單個工程的優(yōu)化分析，可進(jìn)一步提高該類型基坑支護(hù)設(shè)計的整體水平。研究課題結(jié)合北京地區(qū)經(jīng)常采用的支護(hù)工藝、施工工法及區(qū)域性水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件的特點(diǎn)等，對已經(jīng)出現(xiàn)的與既有地鐵結(jié)構(gòu)臨近深大基坑工程根據(jù)空間位置關(guān)系及相互間的影響進(jìn)行了初步分類，指出了設(shè)計方案優(yōu)化的內(nèi)容、階段劃分及優(yōu)化流程，總結(jié)通過對不同類型支護(hù)方案優(yōu)化后的反演驗證優(yōu)化分析的效果，從而可進(jìn)一步提高類似工程的設(shè)計水平，更好的評估新開挖基坑對既有地鐵站體及附屬結(jié)構(gòu)影響的程度，掌握新開挖基坑對既有地鐵站體及附屬結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，將是一種行之有效的設(shè)計水平提升手段。

徐楊青，1997. 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計計算[J]. 巖土力學(xué)，19(2)：57-61.

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余曉琳，2010. 基坑施工對下方運(yùn)營地鐵隧道影響的研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，10(23)：5662-5667.

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Discussion on the Optim ization M ethod of Deep Foundation Pit Supporting Design near Subways

REN Guisheng

(Beijing Geo-engineering Company, Beijing 100143 )

Supporting design of foundation pit should consider various factors, if not, there are two kinds of situation—too risky situation or too safe situation to appear easily. In this paper, the design optim ization of foundation pit supporting is discussed. The foundation pit is divided into three types according to the spatial position between the foundation pit and the subway. The stage division and process of design optim ization are defned as an example. It is pointed out that the overall level of supporting design of foundation pit can be further improved by the accumulation of the optim ization experience of a number of individual projects.

Foundation pit supporting design; Subw ay; Optim ization of foundation pit supporting design; Monitoring

A

1007-1903（2017）02-0113-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.023

任貴生（1978- ），男，碩士，主要研究方向為巖土工程。E-mail：regs@163.com