地鐵車站深基坑拉槽分層開挖穩(wěn)定性分析

張念， 朱雪健， 萬飛

(1. 太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024；2. 安徽建筑大學(xué) 安徽省BIM工程中心， 安徽 合肥 230601；3. 合肥軌道交通集團有限公司， 安徽 合肥 230000；4. 交通運輸部公路科學(xué)研究所， 北京 100088)

地鐵車站多位于城市繁華地段，周邊建筑物及地下管線眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多采用明挖法進行施工[1-3].地鐵車站基坑多呈長條形、開挖體量大、施工空間狹小、施工工序繁多、組織管理難度大、施工效率低,傳統(tǒng)明挖法施工常常無法保證基坑工程的施工進度[4-6].基坑的開挖會引起地表的沉降，對圍護結(jié)構(gòu)要求比較高，保持基坑開挖的穩(wěn)定性非常重要[7].因此，工程技術(shù)人員需要一種既能保證基坑開挖的穩(wěn)定性又能提高施工效率的開挖方法.

新疆烏魯木齊地鐵1號線某車站為長條形，車站基坑處于無水砂卵石地層，底板最大埋深為18.65 m，開挖空間狹小，使用傳統(tǒng)施工開挖方法土方挖運效率較低，施工組織管理難度大，工期難以得到保證.目前，該地區(qū)沒有成功的工程經(jīng)驗可以參考，照搬其他地區(qū)的施工經(jīng)驗[8-13]又不能保證其工法的可靠性和經(jīng)濟性.因此，基于車站基坑土方開挖工程的特點，本文提出拉槽分層開挖方法，采用數(shù)值計算方法對拉槽分層開挖方法與傳統(tǒng)基坑開挖方法的穩(wěn)定性進行對比分析，并在施工過程中采用現(xiàn)場監(jiān)測手段對基坑的穩(wěn)定性進行測試，驗證拉槽分層開挖方法的可行性.

1 工程概述

車站為地下二層雙柱三跨島式車站，車站外包總長為229.5 m，標準段外包寬度為20.9 m，底板埋深16.26～18.65 m，有效站臺中心處的頂板覆土厚度約為3.1 m.該站有效站臺中心里程為YJDK1+587.275 m，車站設(shè)計起點里程為YJDK1+495.575 m，設(shè)計終點里程為YJDK1+725.075 m.

圖1 車站平面布置圖Fig.1 Layout diagram of station

車站平面布置圖，如圖1所示.車站站址周圍為規(guī)劃用地，無重要建筑，水文地質(zhì)單元為第4系孔隙潛水(貧富水)單元，勘察期間,勘探深度40 m內(nèi)未見地下水.

車站土建工程由主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)兩部分組成，采用明挖順做法施工，全外包防水做法，車站的圍護結(jié)構(gòu)形式為混凝土灌注樁排樁+內(nèi)支撐支護體系，樁間采用100 mm厚掛網(wǎng)噴射混凝土.基坑圍護冠梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm；中心標高為662.2 m;圍檁為雙拼45a工字鋼圍檁.一級保護的基坑圍護開挖深度約為16.3 m；圍護樁規(guī)格為Φ800@1 400，樁長為19.9 m；首道支撐為Φ600×16鋼管，標準段間距為6.0 m，中心標高為+662.2 m；第2,3道支撐為Φ600×16鋼管，標準段間距為3.0 m.特級保護的基坑圍護端頭井最深處約為19.8 m，中心標高為+656.1 m/+651.0 m；圍護樁規(guī)格為Φ800@1 100，始發(fā)點、接收點樁長分別為23.6，25.1 m；首道支撐為鋼筋混凝土支撐(與冠梁同步澆筑)，截面尺寸為800 mm×900 mm，中心標高為+662.2 m；第2,3道支撐為Φ600×16鋼管，標準段間距為3.0 m，中心標高為+655.7 m/+650.1 m.

灌注樁采用C30混凝土(水下澆筑時強度提高一級)；樁間噴射混凝土采用C25早強混凝土.鋼筋混凝土支撐、板撐和冠梁均采用C30混凝土；鋼圍檁與混凝土圍護樁之間的空隙用強度不低于C30的細石混凝土密實填嵌.

2 基坑土方施工問題

地鐵深基坑施工常受到交通組織需要及場地本身周圍環(huán)境的限制，使得基坑施工場地較小，場地內(nèi)的施工道路不能形成環(huán)路，從而對場地內(nèi)施工機械進出造成影響，較大影響施工的流暢性.該車站為鋼筋混凝土雙層框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)平面型式為長條形，該站基坑具有以下3個特點.

1) 內(nèi)支撐型式為對撐，端部為角撐；

2) 第2，3層鋼支撐水平間距密，層高小；

3) 基坑外圍場地狹窄，機械作業(yè)空間不足.

圖2 傳統(tǒng)開挖法施工剖面圖(單位：mm)Fig.2 Construction section diagram of traditional excavation method (unit: mm)

傳統(tǒng)開挖方法嚴格遵循先撐后挖的原則[14]，在架設(shè)鋼支撐后，挖機從一端的端頭井斜撐與對撐間的空隙吊入，并向另一端縱向分層開挖.傳統(tǒng)開挖方法雖可有效拓展開挖作業(yè)面，但僅適宜于深度較淺或外圍場地寬闊的基坑.當基坑深度超過一定深度后，土方需利用長臂挖機挖出，而長臂挖機的有效施工范圍又受到深度及周邊環(huán)境的限制，最后只能通過抓斗吊垂直運輸?shù)姆椒▽⑼练竭\出.

傳統(tǒng)開挖法施工剖面圖，如圖2所示.由圖2可知：在基坑外圍場地需要大量的出土機械來配合作業(yè)；由于施工場地空間有限，作業(yè)機械相互的運作往往會造成相互阻礙的現(xiàn)象，使得組織管理難度增大，施工效率低下[15]，無法保證基坑工程的施工進度.

3 拉槽分層開挖法

為解決基坑土方挖運問題，基于該基坑土方開挖工程特點提出拉槽分層開挖法.該方法的核心是在鋼支撐下方開挖一條梯形土槽，將其作為土方開挖和運輸通道.拉槽分層開挖法有如下2個技術(shù)優(yōu)點：

1) 基坑的開挖面由大里程端向小里程端后退，可利用土槽作為開挖和運輸通道，直接用挖機在鋼支撐標高下方將土方挖除，鋼支撐架設(shè)空間與挖機工作空間互不干擾，渣土車可直接駛?cè)腴_挖面，用挖掘機挖除土方后可直接裝車倒運土方，避免垂直運輸，較大減少基坑外作業(yè)機械數(shù)量，從而提高效率又降低成本.

2) 基坑開挖過程中，土槽作為施工便道直接延伸至開挖面，縮短挖掘機倒土的距離，解決基坑開挖暴露時間過長的問題.但從設(shè)計角度看也存在明顯的缺點，第1層支撐以下的第2，3，4層鋼支撐不能及時安裝，需等到該層土槽整體開挖完成后才能架設(shè)鋼支撐.在開挖土槽的時間內(nèi)，基坑兩側(cè)邊坡穩(wěn)定性主要依靠兩側(cè)土坡反壓作用，存在一定的安全隱患，因此，需對基坑施工過程的穩(wěn)定性進行分析.

4 基坑開挖穩(wěn)定性分析

采用數(shù)值模擬計算方法，研究拉槽分層開挖法施工過程中地表沉降和樁體水平位移最大值的變化規(guī)律，并與傳統(tǒng)開挖方法施工的穩(wěn)定性進行對比分析.

圖3 模型網(wǎng)格正視圖Fig.3 Front view diagram of model grid

4.1 拉槽分層模型

4.1.1 計算模型 采用Midas/GTS軟件進行模型的建立和計算.計算模型以基坑軸線方向為x軸，豎直方向為z軸，垂直于基坑壁方向為y軸，建模對象為車站基坑整體及其圍護結(jié)構(gòu).模型在y軸方向長為149 m，x軸方向?qū)挒?6 m，z軸方向高為80 m.此次計算模型共生成92 769個單元，18 836個節(jié)點，模型上表面即地表設(shè)為自由邊界，其余各外表面均約束法線方向的位移.模型網(wǎng)格正視圖，如圖3所示.

4.1.2 計算參數(shù) 計算模型中的各土層的計算參數(shù)根據(jù)烏魯木齊地鐵1號線沿線巖土工程勘察報告提供的參數(shù)選取，計算所采用的圍巖計算參數(shù)與結(jié)構(gòu)計算參數(shù)，分別如表1,2所示.表1,2中：H為土層厚度；E為彈性模量；γ為重度；υ為泊松比；C為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角.

表1 圍巖計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of surrounding

表2 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)Tab.2 Structure calculation parameters

4.1.3 施工過程模擬 計算模型中，拉槽開挖分段長度為9.0 m，開挖放坡為17.5°，開挖上層土的縱向拉槽至下層支撐下0.5 m，兩側(cè)預(yù)留反壓土，反壓土頂部預(yù)留2 m左右的寬平臺，為安裝圍檁及支撐人員提供作業(yè)面，反壓土邊坡按1.00∶0.75留設(shè)，上層鋼支撐安裝時間滯后下層1個拉槽開挖長度的時間，即每一開挖段施工時，同時施做上一段鋼圍檁和鋼支撐，每層拉槽開挖完畢后，兩側(cè)臺階按一次性開挖計算.第一層土方的開挖，如圖4所示.

(a) 拉槽開挖 (b) 兩側(cè)臺階開挖圖4 第一層土方的開挖Fig.4 First layer earth excavation

4.1.4 計算結(jié)果及分析 為了消除模型計算中邊界效應(yīng)的影響，數(shù)值模擬分析的目標面設(shè)在模型的中間部位x=18 m處.計算的主要目的是研究拉槽分層開挖法的地表沉降和樁體水平位移最大值的變化規(guī)律，主要有如下施工過程：工況1為地表開挖完畢；工況2為第1層土方開挖完畢；工況3為第2層土方開挖完畢；工況4為第3層土方開挖完畢.

1) 地表沉降.各工況下地表沉降情況，如圖5所示.圖5中：W為地表沉降量；η為云圖數(shù)值占比.由圖5可知：隨著基坑開挖深度的增加，基坑坑底隆起逐漸增大，基坑周邊地表沉降逐漸增大;工況1的地表沉降最大值約為-6.1 mm，出現(xiàn)在基坑側(cè)壁，地表沉降主要由鉆孔灌注樁的施工引起；工況2的地表沉降最大值約為-5.5 mm，距離基坑邊緣約為10.7 m；工況3的地表沉降最大值約為-7.1 mm，距離基坑邊緣約為10.6 m；工況4的地表沉降最大值約為-8.0 mm，距離基坑邊緣約為10.2 m,地表沉

(a) 工況1 (b) 工況2

(c) 工況3 (d) 工況4 圖5 各工況地層豎向位移Fig.5 Vertical displacement of stratum under each working condition

降的主要影響距基坑范圍約為23.2 m.

2) 樁體水平位移.各工況樁體水平位移，如圖6所示.圖6中：U為水平位移；

(a) 工況1 (b) 工況2

(c) 工況3 (d) 工況4 圖6 各工況樁體水平位移Fig.6 Horizontal displacement of pile under each working condition

由圖6可知：支護樁水平位移的最大值隨基坑開挖深度的增加而增大，支護樁水平位移最大值出現(xiàn)的位置由樁頂向樁體中部轉(zhuǎn)移；工況1的水平位移最大值約為2.6 mm，出現(xiàn)在樁頂處；工況2的水平位移最大值約為4.5 mm，出現(xiàn)在埋深6.5 m處；工況3的水平位移最大值約為6.4 mm，出現(xiàn)在埋深9.0 m處；工況4的水平位移最大值約為6.7 mm，出現(xiàn)在埋深10.3 m處，介于第2層鋼支撐和第3層鋼支撐之間.

4.2 穩(wěn)定性對比分析

傳統(tǒng)基坑開挖方法與拉槽分層開挖法的計算模型相同，僅在施工步驟上有所區(qū)別，因此只需要在計算模型中改變相關(guān)的計算參數(shù)即可.傳統(tǒng)基坑開挖方法分段長度為9.0 m，開挖放坡為17.5°，下層土體在上一層鋼支撐全部安裝后進行分段開挖，鋼支撐的安裝緊隨每個開挖段進行.

通過模型計算，得出拉槽分層開挖法地表沉降和樁體水平位移最大值分別為-8.0，-6.9 mm;傳統(tǒng)基坑開挖法地表沉降和樁體水平位移最大值分別為-6.9,5.9 mm.因此，在地表沉降方面，拉槽分層開挖法較傳統(tǒng)基坑開挖法的地表沉降值增大1.1 mm，增幅約15.9%；在樁體水平位移方面，拉槽分層開挖法較傳統(tǒng)基坑開挖法的樁體水平位移增大0.8 mm，增幅約13.6%.拉槽分層開挖法雖比傳統(tǒng)基坑開挖法引起地表沉降和支護結(jié)構(gòu)的變形大，但增幅并不大，引起地表沉降值僅為控制值的26.7%，樁體水平位移值僅為控制值的22.3%，滿足相關(guān)規(guī)范[16]規(guī)定的30 mm的要求.考慮到拉槽分層開挖法在施工組織管理和施工效率方面的優(yōu)勢，確定采用拉槽分層開挖法作為該車站深基坑的施工方法.

5 施工效果

為驗證基坑開挖方案的合理性，在采用拉槽開挖基坑施工全過程中，對圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境布置監(jiān)控測點進行監(jiān)控量測，監(jiān)測的項目主要包括地面沉降、樁體水平位移、樁頂水平位移、臨近管線變形、支撐軸力監(jiān)測、圍護樁內(nèi)鋼筋應(yīng)力等.選取地面沉降和樁體水平位移的監(jiān)測結(jié)果進行對比分析.

圖7 DB-06斷面地表沉降測點變形時態(tài)曲線Fig.7 Deformation time curves of DB-06 section surface settlement measuring point

圖8 基坑開挖過程中ZQT-14樁樁體水平位移Fig.8 Horizontal displacement of ZQT-14 pile during foundation pit excavation

1) 地面沉降監(jiān)測.在基坑2倍寬度范圍內(nèi)沿基坑長度方向每20 m設(shè)置觀測斷面(共14個斷面，編號DB-01～DB-14)，每個斷面設(shè)置10個測點，使用水準儀對內(nèi)地表進行地面沉降量監(jiān)測.施工過程中，車站地表沉降測點中有效測點的沉降值最大為-7.8 mm(出現(xiàn)在DB-06斷面的DB-06-10測點處)，其他斷面測點地表沉降量集中在-4～-3 mm之間，均符合規(guī)范要求.DB-06斷面是具有代表性的最大沉降值監(jiān)測測點，DB-06斷面地表沉降測點變形時態(tài)曲線，如圖7所示.

由圖7可知：所選取斷面的地表各測點沉降量隨時間增加而增大，即隨開挖深度的增大而增大，并且曲線呈現(xiàn)出階段性增大趨勢.

2) 樁體水平位移監(jiān)測.沿基坑周圍每20 m設(shè)置樁體位移監(jiān)測樁(共26根監(jiān)測樁體，編號ZQT-01～ZQT-26)，每個樁身自上而下設(shè)置43個測點，使用測斜管和測斜儀對樁身進行樁體水平位移量的監(jiān)測.在基坑開挖施工過程中，所監(jiān)測的各樁樁體位移量均較小，符合規(guī)范允許變形要求.基坑開挖過程中ZQT-14樁樁體水平位移，如圖8所示.圖8中：h為深度.

由圖8可知：選取的監(jiān)測樁體各測點位移隨開挖深度的增大而增大，其中，樁頂?shù)奈灰谱畲?，?.7 mm；隨著土方開挖深度的增大，位移逐漸向樁體中部移動，集中在樁體7～9 m處，樁體中部位移最大值為6.8 mm.

3) 監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果的對比.根據(jù)施工過程中監(jiān)測的結(jié)果顯示，車站地表沉降測點最大沉降值在施工過程中達到控制值的26%，大部分測點沉降值為控制值的10%～13.3%；樁體水平位移最大值為控制值的25.7%，監(jiān)測結(jié)果均滿足規(guī)范的要求.將拉槽開挖施工數(shù)值模擬計算的結(jié)果與現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)進行對比分析，地表沉降最大值和樁體水平位移分別為-8.0,6.7 mm(計算數(shù)據(jù))，-7.8,6.8 mm(監(jiān)測數(shù)據(jù)).因此，計算數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)接近，監(jiān)測結(jié)果驗證了拉槽開挖數(shù)值模型計算的準確性，進一步說明采用拉槽分層開挖法施工車站基坑的穩(wěn)定性是可以得到保證的.

從施工的效果來看，該施工方法確保了土方開挖進度，保證了兩側(cè)圍護樁均勻受力，并提供了支撐架設(shè)及噴混作業(yè)平臺.渣土車可直接開至基坑開挖面，減少土方倒運次數(shù)，提高土方開挖功效，減少開挖過程中挖掘機數(shù)量，機械成本得到有效控制.該施工方法能盡快為主體結(jié)構(gòu)施工提供工作面，形成流水作業(yè)，提高功效，保證鋼支撐架設(shè)時間.監(jiān)測結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果均顯示該施工方法可以保證車站基坑在施工過程中的穩(wěn)定性，說明了拉槽分層開挖施工方法在施工組織管理和施工效率方面優(yōu)勢明顯.

6 結(jié)束語

針對烏魯木齊地鐵1號線某車站基坑施工中遇到的挖運效率低的問題，提出了車站基坑拉槽分層開挖法.采用數(shù)值模擬計算方法對比分析了拉槽分層開挖方法與傳統(tǒng)基坑開挖方法施工過程基坑的穩(wěn)定性，說明了拉槽分層開挖方法的可行性.同時，結(jié)合該車站施工現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，驗證了拉槽分層開挖方法可以保證車站基坑開挖的穩(wěn)定性，同時，施工速度較快，保證了該車站基坑的施工安全與速度，達到了安全、高效施工的目的，在施工組織管理和施工效率方面優(yōu)勢明顯，可為類似工程提供參考.