地鐵車站深基坑支護(hù)體系及應(yīng)急處置分析

張 召， 張文一， 鮑 凱， 師 海

（1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)正由點(diǎn)—線—面向區(qū)塊化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，表現(xiàn)出空間規(guī)模大、結(jié)構(gòu)跨度大、地下超深度、圍護(hù)支護(hù)復(fù)雜、開(kāi)挖步序多等特點(diǎn)，城市地下空間的建設(shè)已進(jìn)入全新發(fā)展時(shí)代[1～2]?；庸こ套鳛槌鞘械叵驴臻g開(kāi)發(fā)的重要組成，通常依靠臨時(shí)或永久支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)承載周圍土體壓力，在開(kāi)挖過(guò)程中形成安全可靠的地下空間。目前，新的建設(shè)理念、建設(shè)規(guī)模等對(duì)基坑工程提出了更高要求，特別是高標(biāo)準(zhǔn)的深、大、異形基坑工程建設(shè)尤具挑戰(zhàn)[3～4]。城市基坑工程通常處于建筑物和城市生命線工程的密集地區(qū)，對(duì)基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)和控制措施提出了更高要求[5～6]，目前研究已取得一些成果。針對(duì)強(qiáng)透水地層深基坑地下水控制問(wèn)題，在滿足抗突涌（抗?jié)B流）穩(wěn)定性前提下，采用懸掛式止水帷幕+坑內(nèi)降水的地下水控制方案，可有效止水且能較好地控制周邊地面沉降[7～8]；同時(shí)，已有研究顯示，地下連續(xù)墻具有剛度大、可有效控制基坑變形、止水效果好以及施工工藝成熟等諸多優(yōu)勢(shì)[9]。不同的地質(zhì)環(huán)境的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和措施各不相同。

本文以太原地鐵2號(hào)線一期工程晉陽(yáng)街站深基坑為研究對(duì)象，基于基坑開(kāi)挖過(guò)程中地下連續(xù)墻墻體變形和地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過(guò)大的原因并提出采取補(bǔ)撐及坑內(nèi)水平注漿堵漏的方式對(duì)地下連續(xù)墻接縫漏水進(jìn)行處理等應(yīng)急處置措施。建立數(shù)值模型對(duì)應(yīng)急處置措施進(jìn)行分析，為措施的有效性提供了理論依據(jù)，研究成果可為后續(xù)類似工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供參考。

1 工程概況

晉陽(yáng)街站為太原地鐵2 號(hào)線與3 號(hào)線同期實(shí)施的T形換乘車站。2號(hào)線車站主體為明挖地下2層（換乘節(jié)點(diǎn)處地下3 層）島式車站，雙柱三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)231.30 m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬23.1 m，總高14.99 m，頂板覆土約4.0 m，底板埋深約19.6 m；3 號(hào)線車站主體為明挖地下3層島式車站，雙柱三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)166.78 m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬23.3 m，總高22.17 m，頂板覆土約5.4 m，底板埋深約27.9 m，見(jiàn)圖1。

圖1 晉陽(yáng)街車站布設(shè)

采用明挖法先期施工2 號(hào)線部分，基坑長(zhǎng)度213.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.1 m，深約19.6 m，采用800 mm地下連續(xù)墻+3 道鋼支撐；盾構(gòu)下沉基坑寬27.2 m，深約21.2 m，采用800 mm 地下連續(xù)墻+3 道支撐，其中第1道為混凝土撐，第2、3道為鋼支撐。見(jiàn)圖2。

圖2 基坑橫剖面

2 深基坑變形監(jiān)測(cè)

先開(kāi)挖南北兩段基坑，再開(kāi)挖中間換乘節(jié)點(diǎn)處基坑，見(jiàn)圖3。

圖3 基坑平面及測(cè)點(diǎn)布置

在施工南側(cè)基坑盾構(gòu)井段時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB-04-03 變形突增且有加劇發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，圍護(hù)墻體水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)3#變形超過(guò)預(yù)警值。

基坑于3 月25 日開(kāi)挖至第3 道支撐下0.5 m 位置處，3 月26 日地下連續(xù)墻接縫處發(fā)生漏水，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的注漿堵漏處理，但3月29日墻體水平位移突然增至53.55 mm，超過(guò)30 mm、最大變形速率3 mm/d 的控制值。3 月26 日—3 月29 日地表沉降從3.6 mm 突增至24.1 mm并持續(xù)增加達(dá)到56.6 mm，見(jiàn)圖4和見(jiàn)圖5。

圖4 墻體水平位移變化曲線

圖5 地表沉降變化曲線

3 深基坑失穩(wěn)原因和應(yīng)急處置

3.1 失穩(wěn)原因分析

除測(cè)點(diǎn)DB-04-03 和3#變形超限外；3 月26 日—3月29 日，S2-9 支撐軸力由633.62 kN 突增至2 157.41 kN。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)，基坑軸力控制值為1 491 ～1 739.5 kN（60% 承 載力 設(shè)計(jì)值～70% 承 載 力設(shè) 計(jì)值），支撐軸力較控制值小，未施加足夠的預(yù)加力，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形增大，導(dǎo)致軸力超過(guò)控制值，原因如下：

1）該處基坑實(shí)施時(shí)，預(yù)加軸力未達(dá)到允許設(shè)計(jì)值即繼續(xù)向下開(kāi)挖，導(dǎo)致該處地下連續(xù)墻變形增大，致使兩幅墻間接縫漏水；

2）處理漏水過(guò)程中向鋼支撐S2-9、S2-10 處地下連續(xù)墻后土體注漿，產(chǎn)生的附加應(yīng)力導(dǎo)致軸力增大，基坑變形持續(xù)增大。

3.2 應(yīng)急處置措施

1）在基坑南端第2 道鋼支撐S2-9、S3-10 中間位置增加鋼支撐S3-9-1，作為安全儲(chǔ)備，施加50%設(shè)計(jì)預(yù)加軸力并安裝軸力計(jì)監(jiān)測(cè)。

2）基坑第3 道鋼支撐S3-9、S3-10 立即架設(shè)。施工至4月2日，地下連續(xù)墻變形及地面沉降減緩，地下連續(xù)墻變形控制在54.34 mm 左右，地面沉降控制在55.2 mm 左右。施工結(jié)束地下連續(xù)墻變形為54.65 mm，地面沉降為58 mm。

4 深基坑應(yīng)急處置的優(yōu)化

4.1 數(shù)值模型的建立

為分析補(bǔ)撐措施的有效性，采用數(shù)值模型的建立二維模型。考慮邊界效應(yīng)，建立的模型尺寸為120 m×48.6 m，模型底邊界為固定鉸支座，各方向沒(méi)有位移，模型上邊界為自由邊界，模型4個(gè)側(cè)面為滾軸支座，無(wú)側(cè)面的平面法向位移。土體本構(gòu)采用Mohr-Coulomb理論，考慮坑內(nèi)土體受基坑開(kāi)挖卸載的影響，土層彈性參數(shù)取值以基坑底部為分界線，基坑底部以上土層的彈性參數(shù)取值為實(shí)際測(cè)量值的3 倍，基坑底部以下土層的彈性參數(shù)取值為實(shí)際測(cè)量值的5倍。地下連續(xù)墻及支撐采用梁?jiǎn)卧M。第1道混凝土撐及地下連續(xù)墻的彈性模量取值為30 GPa，泊松比均取0.3。見(jiàn)表1和圖6。

表1 土層的基本物理參數(shù)

圖6 數(shù)值模型

4.2 分析工況

為進(jìn)一步優(yōu)化補(bǔ)撐措施，分析兩種工況。

1）工況一：基坑開(kāi)挖至第3 道支撐下0.5 m，見(jiàn)表2。

表2 工況一

2）工況二：補(bǔ)充一道鋼支撐，基坑開(kāi)挖至基底，見(jiàn)表3。

表3 工況二

4.3 結(jié)果分析

工況一地下連續(xù)墻變形呈兩端小中間大的拋物線形，最大變形54 mm，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值53.55 mm吻合且變形規(guī)律相同，說(shuō)明該模型接近實(shí)際工況。見(jiàn)圖7。

圖7 工況一地下連續(xù)墻變形

工況二地下連續(xù)墻最大變形59 mm。按施工計(jì)劃，基坑于4月2日可開(kāi)挖至坑底，變形速率約為1 mm/d，滿足地下連續(xù)墻變形最大速率3 mm/d的控制要求，表明所采取的應(yīng)急處置措施可靠、有效。見(jiàn)圖8。

圖8 工況二地下連續(xù)墻變形

5 結(jié)論

1）基坑工程中支撐的預(yù)加軸力應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，如不滿足，需分析其原因，在未達(dá)到設(shè)計(jì)要求預(yù)加軸力時(shí)，不能繼續(xù)開(kāi)挖。

2）地下連續(xù)墻接縫漏水處理建議采用坑內(nèi)水平注漿堵漏的方式；墻后土體地面豎向注漿會(huì)導(dǎo)致該土體產(chǎn)生附加應(yīng)力，致使支撐軸力繼續(xù)增大，支撐有失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

3）在基坑施工過(guò)程中，應(yīng)盡量減少無(wú)支撐暴露的時(shí)間，加快底板澆筑，防止因土體流變而產(chǎn)生過(guò)大的位移。

4）數(shù)值分析在處理基坑風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可作為風(fēng)險(xiǎn)措施的依據(jù)，對(duì)措施的有效性進(jìn)行預(yù)判。