緊鄰地鐵車站深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)分析

薛九天

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市軌道交通和城市地下軌道交通的建設(shè)深入推進(jìn)，深基坑緊鄰地鐵車站建設(shè)的情況日益增多[1-3]。緊臨既有地鐵車站的基坑施工必定會(huì)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，如何將影響控制在安全范圍內(nèi)，保證地鐵的正常運(yùn)營(yíng)，成為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的重中之重。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)緊臨地鐵結(jié)構(gòu)的基坑設(shè)計(jì)案例多集中在地鐵單側(cè)。任亞亮針對(duì)相鄰深基坑開(kāi)挖存在交叉工況問(wèn)題，采用有限元數(shù)值模擬,得出受影響車站基坑圍護(hù)立柱樁差異變形，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)附加措施的有效性[4]。李陽(yáng)在基坑設(shè)計(jì)中采用剛度較大的支護(hù)體系和遵循時(shí)空效應(yīng)原理的開(kāi)挖工況，運(yùn)用有限元計(jì)算軟件模擬基坑開(kāi)挖各個(gè)階段，分析了各工況下結(jié)構(gòu)和區(qū)間的變形[5]。學(xué)者們采用土體加固、分坑開(kāi)挖和不同土體卸載方式等手段，減小基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響。但對(duì)地鐵車站雙側(cè)基坑同時(shí)施工的設(shè)計(jì)案例較為少見(jiàn)。因此，本文以杭州某地下空間開(kāi)發(fā)工程為依托，對(duì)地鐵車站雙側(cè)基坑進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，為今后類似工程提供一定的參考。

1 概述

1.1 工程概況

本工程分為兩獨(dú)立地下空間H地塊和E地塊，均為地下2層停車庫(kù)并兼顧人防。整平地面標(biāo)高5.0 m，H地塊總建筑面積為21 040.76 m2，基坑坑底標(biāo)高為-6.3 m，挖深11.3 m，呈不規(guī)則梯形，周長(zhǎng)為321.7 m，面積約6 240 m2。E地塊總建筑面積為11 407.42 m2，基坑坑底標(biāo)高-6.4 m，挖深11.4 m，呈不規(guī)則梯形，周長(zhǎng)334.3 m，面積約7 051 m2。兩地塊周邊整體處于待開(kāi)發(fā)狀態(tài)，地下市政管線均已遷改。H地塊東側(cè)和E地塊西側(cè)緊鄰已建地鐵車站，車站圍護(hù)形式采用800 mm地連墻(墻頂標(biāo)高為4.500 m，墻底標(biāo)高為-25.000 m)，內(nèi)襯墻厚度為700 mm，已施工完成但未運(yùn)營(yíng)。周邊環(huán)境總平面圖如圖1所示。

1.2 工程水文地質(zhì)概況

場(chǎng)地屬于第四紀(jì)濱海湖沼相沉積平原地貌，場(chǎng)地東側(cè)、東南側(cè)表部?jī)A倒有大面積泥漿，場(chǎng)地中部回填有素填土，地面起伏相對(duì)較大，地面高程位于2.07 m～6.75 m。場(chǎng)區(qū)地層可分10個(gè)工程地質(zhì)層、22個(gè)亞層。各層巖土工程特性及分布特征自上而下分別描述如下：

①2層雜填土：灰黃色，稍濕，松散。主要由碎塊石組成，含少量黏性土，層厚為0.30 m～6.30 m。

④1層粉質(zhì)黏土：青灰色，可塑～硬塑。層厚為0.40 m～7.80 m，全場(chǎng)分布。

④2層粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土：灰褐色，軟塑。層厚為0.60 m～10.40 m。

⑤1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色，飽和，流塑，層頂標(biāo)高-14.51 m～-3.45 m。

⑥層粉質(zhì)黏土：青灰色，可塑～硬塑，層頂標(biāo)高-19.58 m～-6.27 m。

⑦粉質(zhì)黏土:灰色，飽和，軟塑。層頂標(biāo)高-25.71 m～-14.82 m。

⑧1粉質(zhì)黏土夾粉砂：灰色，飽和，可塑。層頂標(biāo)高-29.28 m～-18.42 m。

⑧3層圓礫：灰色，很濕，中密，以圓礫為主，成分以石英砂巖、凝灰?guī)r為主。

場(chǎng)地淺部土層中分布有潛水，水位埋藏較淺，水位距地表為0.00 m～3.600 m，相當(dāng)于85國(guó)家高程的-0.39 m～5.85 m之間，該層潛水補(bǔ)給來(lái)源主要有大氣降水入滲及地表水側(cè)向補(bǔ)給，其排泄方式以蒸發(fā)消耗為主。淺部土層中的潛水位埋深，一般離地表面0.3 m～1.5 m，年平均地下水位離地表面0.5 m～0.7 m。

場(chǎng)地下部⑧2層粉砂、⑧3層圓礫層為承壓含水層，分布較廣泛而連續(xù)，其上覆黏性土層構(gòu)成了承壓含水層頂板。承壓含水層頂板距離地表按25 m、地下室基坑開(kāi)挖按15 m計(jì)算,承壓水不會(huì)對(duì)基坑產(chǎn)生突涌、底板隆起等影響。

場(chǎng)區(qū)土層主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 工程特點(diǎn)

H，E地塊基坑開(kāi)挖面積大，深度深。存在軟弱淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，地質(zhì)情況復(fù)雜，地下水位較高。周邊場(chǎng)地環(huán)境較差，北側(cè)和東側(cè)均存在深度15 m左右的已建地下室。

綜合考慮基坑及周邊環(huán)境情況，結(jié)合規(guī)范要求，本項(xiàng)目基坑等級(jí)定為一級(jí)。

2.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

本工程緊鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)兩側(cè)，總體方案采用兩側(cè)基坑同時(shí)開(kāi)挖施工，車站兩側(cè)基坑同步卸載，淺部約5 m深度采用放坡開(kāi)挖，在車站兩側(cè)同步開(kāi)挖。淺坑下約6 m深坑采用φ600@800 mm鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水，結(jié)合一道混凝土水平支撐和斜拋撐。為保證車站的穩(wěn)定性，深度5 m處結(jié)合地鐵地下連續(xù)墻設(shè)置混凝土圍檁，增設(shè)水平支撐及斜拋撐，車站兩側(cè)地塊坑內(nèi)留土，間隔調(diào)挖施工底板。

基坑支撐平面布置見(jiàn)圖2。

車站位置橫剖面設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖3。

3 計(jì)算分析

采用同濟(jì)啟明星FRWS8.2進(jìn)行斜拋撐與水平撐計(jì)算分析?；由疃?1 m，上部5 m深度采用放坡開(kāi)挖卸土，下部采用樁撐體系[6]。

水平撐計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

水平撐計(jì)算結(jié)果包絡(luò)如圖5所示。

斜拋撐計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6所示。

斜拋撐計(jì)算結(jié)果包絡(luò)如圖7所示。

水平撐剖面最大水平位移為7.8 mm，最大彎矩為126.6 kN·m，最大剪力為55.6 kN。

斜拋撐剖面最大水平位移為7.9 mm，最大彎矩為243.9 kN·m，最大剪力為83.2 kN。

采用Plaxis有限元模擬軟件，土體采用自帶的土體硬化(HS)模型，土體HS模型相關(guān)參數(shù)[7]：Eoed=(1.0～1.2)ES；E50=(1.0～2.0)Eoed；Eur= (7.0～10.0)E50；圍護(hù)及車站結(jié)構(gòu)剛度根據(jù)截面尺寸計(jì)算。二維模型尺寸為水平方向150 m，豎直方向43.9 m。模型底部的約束條件為水平、豎直方向都固定，兩側(cè)約束條件為水平方向固定，豎直方向自由。地面超載取20 kPa。選取最不利斷面，一側(cè)斜撐一側(cè)對(duì)稱卸土至第一道支撐[8]。計(jì)算模型見(jiàn)圖8。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，計(jì)算分析根據(jù)實(shí)際施工工況分步為：(工況1)自重應(yīng)力場(chǎng)平衡，(工況2)施工地鐵車站，(工況3)EH地塊同時(shí)開(kāi)挖第一層土，(工況4)E地塊施工第一道支撐，(工況5)E地塊中間土方開(kāi)挖，(工況6)E地塊施工斜拋撐[9]。計(jì)算結(jié)果如圖9，圖10所示。

不同工況計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 各個(gè)工況計(jì)算結(jié)果 mm

車站結(jié)構(gòu)最大水平位移為10.43 mm，最大豎向位移4.72 mm，根據(jù)地鐵保護(hù)條例，本基坑開(kāi)挖方案對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響均處于可控范圍，滿足軌道交通設(shè)施變形控制和GB 50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范的要求[10]。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)杭州市某緊鄰地鐵車站的基坑工程，結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況，通過(guò)采用啟明星計(jì)算軟件并利用Plaxis有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)地鐵車站兩側(cè)基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明：1)地鐵車站兩側(cè)對(duì)稱部分卸土，施工過(guò)程中分層對(duì)稱開(kāi)挖。2)合理利用地鐵圍護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)置水平支撐和斜拋撐。3)地塊底板分塊施工，地鐵結(jié)構(gòu)外側(cè)留土掏槽分塊施工底板等設(shè)計(jì)方案可有效控制基坑施工對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響，將車站位移控制在保護(hù)范圍內(nèi)。該文為后期類似工程提供了設(shè)計(jì)參考和借鑒。