超大型深基坑施工對周圍地鐵運營影響分析

□文/張旭東

1 工程概況

天津市某大型房地產(chǎn)項目地處市中心繁華地段，總建筑面積約52萬m2，其中地下建筑面積約16萬m2。該工程由9棟樓座、3棟塔樓以及兩層連通式地下車庫組成，除南側(cè)三個樓座外，其余各樓座及塔樓均位于基坑內(nèi)部，地下車庫一層層高5.5 m，地下二層層高3.8 m，筏板基礎(chǔ)。該工程基坑形狀不規(guī)則，開挖面積約7.7萬m2，周長約1 441 m，屬于超大型深基坑?；拥撞繕?biāo)高-13.400 m，基坑范圍內(nèi)存在局部深坑。

2 周圍環(huán)境

基坑周邊為規(guī)劃道路，北側(cè)距基坑邊約30 m為地鐵站高架橋橋墩，東側(cè)主路便道邊距基坑邊約15 m，南側(cè)主路便道邊距基坑邊約45 m，東側(cè)為規(guī)劃中的擬建道路，緊鄰周邊工地施工現(xiàn)場，西北側(cè)距基坑約25 m為一片老建筑群。

3 水文地質(zhì)條件

天津的地下水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，主要受基底構(gòu)造、氣象、地形、地貌以及地層巖性等多方面因素影響。場地內(nèi)表層地下水主要由大氣降水補給，受季節(jié)性影響較大，一般變幅在0.30～1.10 m/a，主要以蒸發(fā)形式排泄。地基土60 m 以上范圍主要由潛水含水層和承壓含水層組成，其中兩層承壓含水層水頭標(biāo)高對應(yīng)的大沽標(biāo)高分別約為-1.1、-1.5 m。

4 支護設(shè)計方案

由于該項目北側(cè)緊鄰地鐵站及高架橋，對變形控制要求較高，基坑北側(cè)及西北角采用地下連續(xù)墻+TRD水泥土連續(xù)墻的圍護結(jié)構(gòu)形式，兩道鋼筋混凝土做支撐，北側(cè)地下連續(xù)墻厚800 mm，西北角地下連續(xù)墻厚1 000 mm，TRD 能夠預(yù)防地下連續(xù)墻可能出現(xiàn)的漏水情況，同時在地下連續(xù)墻成槽期間對周邊環(huán)境起到保護作用。地下連續(xù)墻作為臨時結(jié)構(gòu)使用，接頭采用鎖口管的形式?；?xùn)|側(cè)、南側(cè)和西側(cè)周邊環(huán)境相對簡單，采取灌注樁+TRD水泥土連續(xù)墻的圍護結(jié)構(gòu)形式，兩道鋼筋混凝土做支撐。見圖1。

圖1 設(shè)計方案平面

圖1 中：1-1 剖面基坑開挖深度為13.4 m，采用?1 000 mm@1 200 mm 的鉆孔灌注樁，坑下嵌固深度12.9 m，有效樁長25 m 厚1 000 mm，坑下嵌固深度12.9 m，有效樁長25 m；3-3剖基坑開挖深度13.4 m，采用地下連續(xù)墻+兩道混凝土支撐的形式，地下連續(xù)墻厚800 mm，坑下嵌固深度12.9 m，有效樁長25 m。

由于周邊環(huán)境較為復(fù)雜，采用兩層支撐形式：第一層水平支撐設(shè)置在地下一層頂板以上1.0 m 帽梁位置處，第二層水平支撐設(shè)置在地下二層頂板以上1.5 m處。第一道水平支撐在地下一層頂板完成換撐后方可拆除，第二道水平支撐在地下二層頂板完成換撐后方可拆除。

由于基坑面積較大，在進行支護設(shè)計時，要充分考慮對支撐剛度的要求。為方便施工，采用桁架環(huán)梁式支撐系統(tǒng)，主要有桁架式對撐、輻射撐、角撐和局部單環(huán)環(huán)梁支撐等形式，以便能提供最大的施工敞開空間。支承柱采用常規(guī)灌注樁+鋼格構(gòu)的形式。見圖2。

圖2 基坑水平支撐系統(tǒng)平面

5 止水及排水措施

采用封閉TRD水泥土連續(xù)墻作為止水帷幕，坑內(nèi)降排水根據(jù)開挖、加撐步驟分階段、分梯次進行?；觾?nèi)設(shè)大口井降水，開挖施工前，需提前進行30 d以上的降水工作。在坑底標(biāo)高處沿基坑周邊做寬300 mm、深400 mm的等粒徑碎石盲溝，盲溝距支護樁＞1 000 mm，使其與降水井相連，構(gòu)成降排水系統(tǒng)。降水井采用?500 mm 水泥礫石濾水管；管壁、管底包多層土工布及等粒徑碎石，透水直徑≮800 mm；公寓、寫字樓區(qū)域降水井深21 m，局部電梯位置降水井深24 m，其余降水井深18 m。在基坑周邊設(shè)潛水觀測井和承壓水觀測井，潛水觀測井井深16 m，承壓水觀測井井深25 m，井口高出地面0.5 m并加活蓋以防堵塞（井口一節(jié)為水泥管）。

6 計算模型建立

采用有限元分析軟件，對工程建立整體三維模型進行計算分析。X軸為延基坑南側(cè)邊界方向，Y軸為垂直基坑南側(cè)邊界方向，Z軸為豎直方向，考慮消除邊界效應(yīng)影響，模型尺寸為750 m×650 m×80 m，建立10 節(jié)點四面體單元，共劃分單元265 496 個，節(jié)點415 002 個。模型計算時認(rèn)為各土層呈勻質(zhì)水平層狀分布，同一土層為各向同性，結(jié)構(gòu)體的變形和受力均考慮在彈性范圍之內(nèi)，只考慮坑內(nèi)疏干降水，坑內(nèi)降水的塑性按照不排水進行計算，分三層開挖。模擬時考慮坑外水頭保持不變，坑內(nèi)水頭在開挖前降至開挖面以下，地下連續(xù)墻底部與開挖面之間的坑內(nèi)土體水頭采用線性差值進行計算，以此模擬坑內(nèi)疏干降水對水頭變化的影響。模型底面每個方向均約束，四個側(cè)面均做法向約束，頂面為自由面，其余方向自由無約束。見圖3和圖4。

圖3 計算幾何模型

圖4 計算模型網(wǎng)格

7 計算結(jié)果分析

7.1 土體豎向變形分析

計算結(jié)果表明，坑外沉降均是靠近基坑各邊中部較大、基坑角處較小，沉降最大值出現(xiàn)在各邊中部附近。見圖5和圖6。

圖5 基坑開挖完成后土體變形

圖6 基坑頂板施工完成后土體變形

由圖5 和圖6 可知，在基坑第三層土開挖完成后，周邊土體沉降有了較大增加，坑底土體隆起也對應(yīng)出現(xiàn)了較大增加，隆起并未出現(xiàn)在基坑中部，這是由于在開挖完第三步后，圍護墻出現(xiàn)較大變形，擠壓其周邊土體，致使周邊土體產(chǎn)生較大變形。在基坑開挖后施工頂、中、底板的過程中坑外土體的沉降與坑內(nèi)土體的隆起變化較小。

上述變形規(guī)律由以下幾方面原因引起：首先，在模擬過程中設(shè)置的是每一個開挖步坑內(nèi)土一次性挖完，之后一次性加撐，這是最不利的一種工況，對基坑周邊地鐵車站與區(qū)間的影響最大，施加支撐在所有土體開挖完成后進行，加撐之前坑內(nèi)外土體都會受到較大擾動，導(dǎo)致變形增大；其次，本基坑規(guī)模極大，后兩步土體開挖的間距分別為5.9、6.2 m，特別是基坑開挖完成后，第二道撐距離坑底6.7 m，由此造成開挖至坑底后土體出現(xiàn)較大變形。

7.2 基坑圍護結(jié)構(gòu)變形分析

整個基坑采用兩種圍護結(jié)構(gòu)形式：一種是鉆孔灌注樁?1 000 mm@1 200 mm，主要在基坑遠離地鐵區(qū)域處；一種是地下連續(xù)墻，主要在靠近地鐵區(qū)域處，其中地下連續(xù)墻又有兩種厚度，分別為800、1 000 mm。因此，將圍護結(jié)構(gòu)分為三類，見圖7。

圖7 圍護結(jié)構(gòu)分布

針對圖7，分析各重點工況圍護結(jié)構(gòu)在X和Y方向變形情況。見表1。

表1 三類圍護墻法向變形 mm

三類圍護墻的變形均滿足≤30 mm的控制要求；三類圍護墻在開挖完第一層土后，最大變形均出現(xiàn)在墻頂，這是由于第一層開挖時沒有水平支撐，懸臂開挖造成；三類圍護墻在X與Y方向的變形均在第三步開挖完成后出現(xiàn)了較大增加，與坑內(nèi)外土體變形情況對應(yīng)且原因相同，均是由于第二道撐距離坑底相對較遠所致；1 m厚地下連續(xù)墻在X與Y方向的變形較另兩類墻小，0.8 m厚地下連續(xù)墻與鉆孔灌注樁在X與Y方向的變形值相當(dāng)，說明這兩類墻抵抗土體變形的能力相當(dāng)。

7.3 基坑施工結(jié)束對地鐵影響分析

整個工程施工完成后車站主體橋樁、承臺、附屬結(jié)構(gòu)及區(qū)間橋樁和承臺主要控制指標(biāo)變形值、既有地鐵結(jié)構(gòu)變形值和兩者累加值見表2。

表2 基坑施工完成后變形

表2 中既有結(jié)構(gòu)沉降和沉降累加值出現(xiàn)了負(fù)數(shù)。這是由于既有車站結(jié)構(gòu)與區(qū)間結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)為隆起，雖然基坑開挖時這些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定量的沉降，但最終的豎向變形仍表現(xiàn)為隆起所致。

8 結(jié)語

1）數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，基坑開挖過程會對周邊地鐵車站主體結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)以及區(qū)間高架橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，但沉降、隆起和水平位移等各項變形指標(biāo)均在變形控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

2）車站主體結(jié)構(gòu)和區(qū)間高架橋結(jié)構(gòu)距離基坑相對較遠，屬于弱影響區(qū)，基坑工程對其變形影響較小，均滿足控制值和報警值的要求。

3）車站附屬結(jié)構(gòu)距離基坑最小凈距為12.53 m，不在0.7H（H為基坑深度）范圍內(nèi)，但是屬于基坑主影響區(qū)域且基礎(chǔ)采用柱下條形基礎(chǔ)；雖然水平位移遠低于控制值及報警值，絕對沉降值在控制值及報警值范圍之內(nèi)，但已接近報警值。根據(jù)既有結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，結(jié)合控制變形與報警變形值，建議采取一定的預(yù)處理及應(yīng)急措施，靠近基坑側(cè)空地內(nèi)盡量不加施工堆載，以控制基坑施工對既有地鐵線的影響，確保地鐵運營安全。

4）在保證施工質(zhì)量的前提下，待基坑分區(qū)域開挖至基底后，應(yīng)盡量加快混凝土墊層施工速度，減小時間影響效應(yīng)。

5）本工程支護方案可為地鐵沿線附近超大深基坑工程提供技術(shù)參考。