地鐵基坑工程坑中坑影響下的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計探析

吳子淇

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300308）

1 引言

在地鐵建設(shè)實際工程中，常遇到需要在深（大）基坑內(nèi)進行二次開挖得到內(nèi)部小坑來容納局部結(jié)構(gòu)的情況，或地鐵與市政工程共建的情況，或“十”字換乘車站的方案。這些都會涉及坑中坑問題，但目前相關(guān)規(guī)范中沒有涉及坑中坑具體情況，導(dǎo)致在實際工程中設(shè)計人員缺少依據(jù)，往往低估甚至于忽略坑中坑的不利影響，使基坑圍護設(shè)計方案安全度不足，從而產(chǎn)生基坑失穩(wěn)事故的發(fā)生。

2 坑中坑對基坑工程的影響

通常采用庫倫土壓力理論或朗肯土壓力理論計算作用在基坑圍護結(jié)構(gòu)上的土壓力值，但理論的假設(shè)與實際情況有一定的出入。一些試驗結(jié)果證明，庫侖土壓力理論在計算主動土壓力時，與實際較為接近；計算被動土壓力時，其計算結(jié)果與實際相比往往偏大。郎肯理論由于沒有考慮墻背邊界條件，其計算結(jié)果與實際比較往往主動土壓力偏大，而被動土壓力偏小。故而在實際應(yīng)用中，尤其針對軟土地層，周邊環(huán)境復(fù)雜的，多按郎肯土壓力理論計算，有利于基坑的安全。對于存在坑中坑的基坑，由于2 種經(jīng)典理論采用的是半無限土體的假設(shè)條件，而對較淺基坑被動區(qū)土體由于坑中坑的存在，屬于有限土體范疇；對較深基坑主動區(qū)土體由于淺基坑的先期開挖，土體的固結(jié)影響，這些都會影響基坑計算模型的邊界條件，而且大都為不利影響[1～3]。

3 坑中坑對基坑支護結(jié)構(gòu)影響的應(yīng)對措施

3.1 小型坑中坑

為滿足地鐵車站建筑使用功能，常需在主體深（大）基坑內(nèi)進行二次開挖得到內(nèi)部小坑，來容納電梯井、集水井等局部結(jié)構(gòu)（措施）的情況，這類坑中坑相對于深（大）基坑，體量小，二次開挖深度淺。

在設(shè)計上，合理布置坑中坑位置，盡量遠離圍護結(jié)構(gòu)；優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)體量，盡量做到坑中坑平面規(guī)則、深度淺，以減小坑中坑對支護結(jié)構(gòu)的影響。視地層及周邊環(huán)境的情況，采取必要的措施。在飽和黏土地層，周邊環(huán)境較簡單，可采取坑內(nèi)放坡開挖；在軟土地層，粉砂含水地層，周邊環(huán)境復(fù)雜的，坑中坑影響范圍內(nèi)需采取地層加固措施。另外，應(yīng)明確施工順序，基坑開挖至設(shè)計標高后，盡快完成墊層施作，再進行二次基坑開挖。

3.2 較大、長條型坑中坑

以某地鐵車站為例，車站主體沿城市主干道布置，另該主干道規(guī)劃地下車行道。為合理利用城市地下空間，采取二者共建方案，同期明挖施工，另因二者寬度需要較大，為合理優(yōu)化工程造價及工期，采取坑中坑支護方案。結(jié)構(gòu)地下1 層為規(guī)劃車行道；地下2 層為地鐵站廳層；地下3 層為地鐵站臺層。頂板覆土2.5m，地下1 層底板埋深9.5m，地下3 層底板埋深23m?；又ёo根據(jù)承載能力極限狀態(tài)進行設(shè)計，分別進行承載力計算和穩(wěn)定性及變形驗算。確保支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不產(chǎn)生傾覆、滑移和局部失穩(wěn)，支撐系統(tǒng)不失穩(wěn)。

根據(jù)經(jīng)典的郎肯土壓力理論，被動區(qū)無限土體滑裂面與水平面夾角，即剪切破壞角為45°+φ/2（φ 為土的內(nèi)摩擦角）。針對本站淺基坑，被動區(qū)土體受坑中坑的影響，有限范圍土體的土壓力是小于普通半無限連續(xù)土體的土壓力，即被動區(qū)土壓力計算取值與實際相比偏大，對基坑安全是不利的，導(dǎo)致如抗傾覆安全系數(shù)（樁墻內(nèi)側(cè)被動區(qū)抗傾覆作用力矩總和/樁墻外側(cè)主動區(qū)抗傾覆作用力矩總和）計算結(jié)果與實際相比偏大[4]。

對于內(nèi)坑（坑中坑），由于外坑（淺基坑）開挖卸荷的影響，坑底以下的土體處于超固結(jié)狀態(tài)，坑中坑的開挖將使作用在坑中坑圍護體上的土壓力由靜止的側(cè)向土壓力分布曲線向主動土壓力曲線發(fā)展，即按普通基坑計算方法得出的內(nèi)坑外側(cè)土壓力與實際作用在內(nèi)坑樁墻外側(cè)的土壓力相比偏小，這對基坑安全是不利的，導(dǎo)致如抗傾覆安全系數(shù)計算結(jié)果與實際相比也偏大[5]。

故而計算過程中需注意這些影響因素，對輸入計算軟件的參數(shù)進行修正。同時，為改善邊界條件而采取措施，如淺基坑坑底土體加固措施，加強被動區(qū)土體；加強坑中坑支護結(jié)構(gòu)的整體剛度。本站最終基坑支護方案主要圖1 所示，外坑支護方案為SMW 工法樁+內(nèi)支撐（第一道為混凝土支撐，設(shè)置臨時立柱），坑底攪拌樁加固（厚度3m）。內(nèi)坑支護方案為地連墻（淺基坑范圍內(nèi)為素混凝土）+內(nèi)支撐（第一道為混凝土支撐，設(shè)置臨時立柱）。如基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)條件較差，還可外坑坑底素混凝土墊層內(nèi)增設(shè)構(gòu)造鋼筋。

3.3“十”字換乘節(jié)點坑中坑

以某“十”字換乘地鐵車站為例，主要分析平面上坑中坑帶來的不利影響及應(yīng)對措施。車站與遠期地鐵線“十”字換乘，換乘節(jié)點處同期施工，采取坑中坑支護方案。

一般基坑支護結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐兩端的受力是對等的，是一種平衡狀態(tài)。而對于車站換乘節(jié)點坑中坑（斜撐支護體系），支撐兩端的墻體所受土壓力差異明細，必然會導(dǎo)致所受土壓力較小的墻體向坑外移動，外側(cè)土體隆起，墻體所受土壓力值逐漸增大；同時，所受土壓力較大的墻體向坑內(nèi)移動，外側(cè)土體下沉，墻體所受土壓力值逐漸減小，直到二者達到新的平衡為止。而這些對基坑安全都是不利的[6]。

圖1 某地鐵車站主體圍護結(jié)構(gòu)橫斷面圖

針對這類情況，可采取坑中坑坑外主動區(qū)土體加固措施，換乘段外轉(zhuǎn)角處采用地層加固措施，加強坑中坑支護結(jié)構(gòu)剛度（圍護結(jié)構(gòu)為地連墻，坑內(nèi)第一道支撐采取混凝土支撐，設(shè)置封閉混凝土腰梁），另計算單根支撐彈性支點剛度系數(shù)時，對支撐不動點調(diào)整系數(shù)合理取值。地質(zhì)條件允許的話，也可取消斜撐設(shè)置，長邊采取對撐設(shè)置，短邊處采取錨桿（鎖）支護體系。

4 結(jié)語

基坑工程作為一個涉及建設(shè)、勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)測等多專業(yè)的系統(tǒng)工程，影響因素眾多，本文基于多個工程項目的成功經(jīng)驗，從支護設(shè)計專業(yè)角度分析坑中坑對地鐵基坑支護結(jié)構(gòu)影響的各種不利影響，并提出應(yīng)對措施，對其予以歸類總結(jié)，以期對巖土工程師應(yīng)對該類困難時提供幫助。