相鄰深基坑同期施工支護(hù)方案優(yōu)化研究

馬 兆 海

(中鐵十四局隧道集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)南 250101)

國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，帶來城市地鐵修建的熱潮。在寸土寸金的城市核心地帶修建地鐵，建設(shè)者們往往面臨在有限空間內(nèi)發(fā)揮出土體最佳利用效果的問題[1-2]。地鐵基坑通常有深、大、建設(shè)周期長、周邊環(huán)境復(fù)雜等特點，所以在土建施工階段如何將工程風(fēng)險降到最低，是地鐵工作者首要考慮的問題[3-4]。濟(jì)南東部核心區(qū)的發(fā)展逐年提速，伴隨著R3線的開工建設(shè)，沿線周邊存在諸多高層建筑以及規(guī)模較大的地下空間，對于相鄰且同期實施的地鐵深基坑與高層建筑深基坑案例時有發(fā)生。尋求經(jīng)濟(jì)性最佳且安全性最高的支護(hù)方式，對于基坑開挖變形控制以及節(jié)約國家人力物力等資源具有重要意義[5-7]。

根據(jù)已有資料，國內(nèi)學(xué)者對相鄰深基坑同期建設(shè)有了初步研究，例如，徐偉等[8-9]對軟土特大深基坑同期施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)狹長基坑中部變形呈增大趨勢，而邊角位置變形影響較小。翟杰群等[10]對相鄰深基坑中采用隔離樁進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隔離樁的長度、結(jié)構(gòu)形式對隔離效果均有很大影響。阮含婷等[11]對相鄰設(shè)計坑共同開挖進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)相鄰基坑影響范圍約為基坑寬度的一半，且支護(hù)結(jié)構(gòu)形式對影響效果作用顯著。陳萍等[12]對相鄰超大深基坑同步開挖進(jìn)行了設(shè)計研究，分別設(shè)計了隔離樁、注漿加固等措施，發(fā)現(xiàn)剛性隔離效果較好。史?，摰萚13]對相鄰深基坑同步開挖進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載力的同時應(yīng)采取防止坑間土體流失的措施，才能更好的保證基坑的穩(wěn)定性。

研究學(xué)者對相鄰深基坑建設(shè)作了一些研究，但針對上部為碎石層，下部為中風(fēng)化石灰?guī)r的“上軟下硬”基坑研究較少。濟(jì)南地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，存在諸多不良地質(zhì)，基坑開挖對周邊擾動較為劇烈。本文以濟(jì)南R3線奧體中心西站基坑開挖為工程背景，研究地鐵基坑與高層建筑基坑共建條件下，不同支護(hù)方案的經(jīng)濟(jì)性與安全性，為濟(jì)南地鐵基坑的建設(shè)提供幫助。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

車站開挖由上至下設(shè)計土層為：雜填土。①1層、黃土⑧層、粉質(zhì)黏土1層、碎石1層、粉質(zhì)黏土4層、中風(fēng)化石灰?guī)r、灰?guī)r破碎層、全風(fēng)化泥灰?guī)r層、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r層、中風(fēng)化泥灰?guī)r層。

雜填土①2層結(jié)構(gòu)松散，自穩(wěn)能力差，受擾動后力學(xué)性質(zhì)較差，作為基坑邊坡土層易坍塌，施工時應(yīng)及時支護(hù)并加強(qiáng)支護(hù)措施。黃土為非自重濕陷黃土，局部具濕陷性；粉質(zhì)黏土1層、粉質(zhì)黏土4層，自穩(wěn)能力一般，易發(fā)生坍塌；碎石1層黏聚力較差，易坍塌；全風(fēng)化泥灰?guī)r層巖芯風(fēng)化成砂土狀，施工擾動，易垮塌。基坑范圍內(nèi)局部存在溶洞及灰?guī)r破碎體，開挖過程中易塌落?；臃秶鷥?nèi)存在上部土層下部基巖的情況，通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪及區(qū)域地質(zhì)資料，該區(qū)域巖層傾角約5°～8°，整體較平緩，基坑開挖過程中，施工擾動后局部巖面較陡部位上部土層可能沿基巖面滑動。車站地層物理參數(shù)如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 車站概況及周邊環(huán)境特點

該站是濟(jì)南地鐵R3線與M3線的換乘站，車站沿奧體西路南北向敷設(shè)，位于黃金時代廣場西側(cè)。車站總長度354.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬度22.9 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度16.6 m～25.7 m，地面南高北低，地勢高差較大，富土厚度地勢高差較大，覆土厚度3.1 m～5.3 m，車站主體為地下兩層三跨島式站臺車站。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁+內(nèi)支撐支護(hù)體系、臨近黃金時代基坑段采用樁+錨索支護(hù)體系。主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)，縱向標(biāo)準(zhǔn)柱跨為9.75 m。主體結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)半包防水層。

如圖1所示，經(jīng)十路與奧體西路交叉路口的東北象限為現(xiàn)狀黃金時代廣場，西北象限為現(xiàn)狀加油站和成城大廈，西南象限為轉(zhuǎn)山，東南象限為濟(jì)南市奧林匹克中心，周邊均已實現(xiàn)規(guī)劃。其中擬開工黃金時代A座(45層，200 m，筏板基礎(chǔ)，3層地下室)基坑深17 m～20 m(與地鐵基坑同深)，與地鐵基坑間距約12.0 m。東側(cè)已建成成城大廈(27層)基坑(坑深13.5 m，采用放坡+錨桿)距離結(jié)構(gòu)外皮14.1 m，基坑錨桿少部分已進(jìn)入結(jié)構(gòu)圍護(hù)樁內(nèi)，施工時，需根據(jù)現(xiàn)場情況及定位進(jìn)行局部破除。

圖1基坑平面位置關(guān)系

2 支護(hù)方案選擇

地鐵基坑與黃金時代基坑建設(shè)單位分別為兩家，導(dǎo)致兩基坑存在建設(shè)界面，因此不能將兩個基坑合并為一個異形基坑。在施工時序上，兩車站同期施工，地鐵基坑開挖深度較建筑基坑深(地鐵基坑深21.2 m，建筑基坑深20.4 m)，且兩基坑距離僅有5.5 m。兩坑之間的土質(zhì)與周邊土質(zhì)相同，由上往下依次為雜填土、黃土、粉質(zhì)黏土、碎石層和中風(fēng)化石灰?guī)r，其中雜填土厚度2 m左右?？紤]到經(jīng)濟(jì)性和安全按，提出三種支護(hù)方案。

方案1：兩基坑均打設(shè)圍護(hù)樁，圍護(hù)樁參數(shù)為Ф1.0 m@1.5 m的鉆孔灌注樁，地鐵基坑灌注樁長度為27 m，建筑基坑灌注樁長度為26 m。圍護(hù)樁頂部擋土墻采用C30混凝土；混凝土支撐采用800 mm×800 mm，鋼支撐采用Ф609 mm的鋼管支撐，壁厚t=16 mm。冠梁采用1.0 m×1.0 m的C40混凝土。臨時立柱采用兩種樁之間夾土，考慮到厚度不大，作用在兩邊圍護(hù)樁的側(cè)土壓力較小。根據(jù)土壓力計算，圍護(hù)樁底部最大土壓力為P=ξρgh=162 kN，其支護(hù)斷面如圖2所示。

圖2支護(hù)方案1形式

方案2：兩基坑均打設(shè)圍護(hù)樁，樁參數(shù)與方案1等同。兩種樁之間通過冠梁依靠鋼梁連接，鋼梁為壁厚5 cm的普通鋼正方形斷面空心結(jié)構(gòu)，截面尺寸為高度×寬度=600 mm×600 mm，水平間距為1.0 m。在施工鋼梁時，將表層雜填土進(jìn)行清理，深度與鋼梁高度等同。鋼梁兩端通過預(yù)埋鋼筋與冠梁受力筋焊接在一起，鋼梁頂部預(yù)冠梁頂部高度齊平，具體參數(shù)見圖3中的大樣圖。共建段地鐵基坑西側(cè)圍護(hù)采用錨索支護(hù)。

圖3支護(hù)方案2形式

方案3：兩基坑均打設(shè)圍護(hù)樁，兩種樁之間采用鋼梁連接，鋼梁參數(shù)與方案2等同。兩基坑之間的樁身采用對拉錨索，由上至下錨索共設(shè)兩道，兩道錨索水平間距相同，均為1.5 m，同圍護(hù)樁間距等同。第一道錨索距地面6 m，第二道距離地面深度12 m。錨索采用3Фs15.2鋼絞線，錨固體直徑為15 cm，兩端固定在鋼腰梁上；腰梁采用2[16a的普通槽鋼，基坑兩側(cè)腰梁和錨索參數(shù)等同(見圖4)。

圖4支護(hù)方案3形式

3 仿真分析

3.1 模型建立

采用數(shù)值模擬手段對基坑開挖支護(hù)方案的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，利用FLAC3D有限差分法計算軟件建立三維數(shù)值模型，如圖5所示為基坑開挖仿真模型。為減弱模型尺寸對模擬結(jié)果的影響，擴(kuò)大模型寬度和高度，建立寬度×高度為80 m×60 m的三維模型[14-16]。模型總計52 350個單元,105 220個節(jié)點。模型下部為固定鉸支座邊界條件，四周均為水平鏈桿邊界條件。在FLAC3D軟件中，有塑性模型組，其中摩爾庫倫模型可以模擬普通土壤和巖石的力學(xué)行為，如邊坡穩(wěn)定和地下開挖，可描繪松散膠結(jié)材料(黏土、粉質(zhì)黏土、碎石層、巖層)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，因此根據(jù)地層參數(shù)將所有地層定義為摩爾-庫侖模型，并根據(jù)每一層地勘參數(shù)對其進(jìn)行賦值。基坑的圍護(hù)樁、冠梁和腰梁采用實體單位模擬，對拉錨索采用Cable單元模擬。

圖5三維數(shù)值模型

3.2 方案位移規(guī)律分析

3.2.1 方案1穩(wěn)定性分析

圖6為方案1下的基坑水平位移云圖，由圖6可以看出兩基坑之間的土體(側(cè)壁Ⅱ、Ⅲ)水平位移較大，其最大水平位移為52 mm，方向朝基坑內(nèi)發(fā)展。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[17](JGJ 120—2012)規(guī)范，對于安全等級為一級的排樁支護(hù)基坑，其安全變形允許值為50 cm，且設(shè)計人員認(rèn)為，該基坑地質(zhì)條件復(fù)雜，控制值應(yīng)取80%，因此安全允許值為42 mm；相對于側(cè)壁Ⅰ，最大水平位移為24 mm，可判斷出該支護(hù)方案下，基坑間的土體處于不安全狀態(tài)。由圖6樁身水平位移曲線也可判斷出，該方案下，樁身最大水平位移值為49 mm，位置發(fā)生在距樁頂11 m位置處。同時，側(cè)壁Ⅱ和側(cè)壁Ⅲ處的圍護(hù)樁水平位移曲線呈對稱狀態(tài)，說明兩樁之間土體幾乎呈散落狀態(tài)，側(cè)壓力系數(shù)等同。

圖6方案1水平位移云圖

3.2.2 方案2穩(wěn)定性分析

圖7為方案2下模型水平位移云圖，該模型下基坑壁Ⅰ與方案1變形相似，最大變形值同樣為24 mm；此時兩基坑之間的土體的變形規(guī)律差異性較大，在橫梁連接的加固作用下，基坑頂部土體位移受到限制，變形值較??；根據(jù)圖9樁身水平位移可知，樁頂部水平位移值降低至8 mm，但樁身中部和下部受到中間土體的壓力，且未有效的限制措施，導(dǎo)致水平位移較大，其數(shù)值為38 mm。該方案下，基坑仍處于較危險狀態(tài)。

圖7方案2水平位移云圖

3.2.3 改進(jìn)方案2穩(wěn)定性分析

圖8為橫梁+對拉錨索加固方案下基坑水平位移發(fā)展規(guī)律位移云圖，由圖8可以看出，方案3下，基坑壁Ⅱ只在加固結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)微小水平變形，其最大數(shù)值為16 mm，且基坑壁Ⅲ水平位移也較小。可見，在樁身增加對拉錨索，可有效限制兩樁之間的土體變形，提高基坑穩(wěn)定性，在技術(shù)層面，該方案可行。

3.2.4 各方案下支護(hù)樁變形規(guī)律

兩基坑間的支護(hù)樁水平位移值直接反應(yīng)坑壁的穩(wěn)定狀態(tài)，如圖9所示，為3種方案下基坑壁Ⅰ、Ⅱ下樁的水平位移曲線。由圖9可以看出，方案1中圍護(hù)樁頂部出現(xiàn)較大水平位移，且由上至下逐漸減少，頂部最大位移值為49 mm；方案2中，樁頂之間設(shè)置橫梁，限制了樁頂部位移，在距離樁頂13 m位置處，水平位移最大，最大值為38 mm，即橫梁可降低樁身部分危險狀態(tài)，但對于深部土體位移無明顯限制效果；方案3中，樁身水平位移明顯減少，在頂部橫梁及腰部對拉錨索的加固下，樁身整體水平位移均降低，在第一道和第二道對拉錨索之間的樁身位移最大，數(shù)值僅為16 mm。

圖8 方案3水平位移云圖

圖9各方案樁身水平位移規(guī)律

4 結(jié) 論

通過對相鄰深基坑支護(hù)方案下圍護(hù)樁水平變形分析，研究了各方案下基坑穩(wěn)定性，得到以下結(jié)論和建議。

(1) 基坑只采用圍護(hù)樁，樁間無加固措施且無對稱的支護(hù)下，基坑側(cè)壁土體水平位移較大，基坑安全穩(wěn)定性差，易造成斷樁和基坑坍塌等危險。

(2) 兩基坑樁頂部設(shè)置橫連梁，可限制樁頂部土體水平位移，但樁中部受到側(cè)土壓力仍發(fā)生較大變形，基坑安全系數(shù)低。

(3) 樁頂部及腰部均設(shè)置為連接結(jié)構(gòu)，可有效限制兩基坑間土體變形，將側(cè)土壓力均勻傳遞至圍護(hù)結(jié)構(gòu)，該方案基坑安全性較高，圍護(hù)樁水平變形最小。目前該基坑處于施工階段，后期應(yīng)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，以驗證方案可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王安明,張淋柄.基坑樁錨支護(hù)變形監(jiān)測與數(shù)值模擬研究[J].水利與建筑工程學(xué)報,2015,13(6):25-29，117.

[2] 朱彥鵬,楊校輝,周 勇,等.蘭州地鐵車站深基坑支護(hù)選型分析與數(shù)值模擬研究[J].水利與建筑工程學(xué)報,2016,14(1):55-59.

[3] 齊振宇.基坑不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析[J].水利與建筑工程學(xué)報,2017,15(1):199-203.

[4] 左 方.基坑開挖對鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響[J].水利與建筑工程學(xué)報,2017,15(2):105-110.

[5] 宋玉香,張亞輝,劉 勇.基于壓力拱理論的圍巖壓力計算研究[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報,2017,33(2):45-51.

[6] 張亞輝,宋玉香,郭唯偉,等.地鐵車站對臨近場地地震反應(yīng)譜影響分析[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報,2017,33(3):43-48.

[7] 周志廣.沈陽地鐵開挖引發(fā)地面沉降的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反分析[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報,2014,30(4):8-12.

[8] 徐 偉,夏喬網(wǎng),徐鵬飛,等.軟土地基臨江特大型相鄰深基坑同期施工監(jiān)測分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2013,32(S1):2676-2683.

[9] 孟偉波，鄭鈺濤，陳有亮.不同開挖方式對軟土區(qū)深基坑連續(xù)墻變形的影響分析[J].水資源與水工程學(xué)報，2017,18(3):216-220.

[10] 翟杰群,賈 堅,謝小林.隔離樁在深基坑開挖保護(hù)相鄰建筑中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報,2010,6(1):162-166.

[11] 阮含婷,趙劍豪,黃偉達(dá),等.相鄰深基坑共同開挖設(shè)計分析[J].巖土工程學(xué)報,2010,32(S1):146-150.

[12] 陳 萍,王衛(wèi)東,丁建峰.相鄰超大深基坑同步開挖的設(shè)計與實踐[J].巖土工程學(xué)報,2013,35(S2):555-558.

[13] 史?，?葛朝林,劉 征,等.相鄰深基坑同步開挖的相互影響研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2015,11(S1):183-188.

[14] 陳 晨.不同偏壓高度對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析[J].公路工程,2011,36(1):116-118，133.

[15] 徐 燁,馮仁麟,吳躍華.地鐵車站偏載深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J].城市軌道交通研究,2012,15(9):43-48.

[16] 梁師俊,朱海東,趙 波.城市隧道小間距相鄰深基坑施工監(jiān)測分析[J].施工技術(shù),2016,45(1):103-108.

[17] 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程：JGJ 120—2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.