付一平， 張呈祥， 尹 俊， 顧 蓉， 張 安

(中鐵工程設(shè)計院有限公司上海分公司， 上海 200000)

0 引言

隨著我國城市地下空間的開發(fā)，城市地鐵建設(shè)發(fā)展迅猛，地鐵車站基坑越來越多的出現(xiàn)在城市中心區(qū)及人口密集區(qū)，給地鐵建設(shè)與設(shè)計帶來了許多新的技術(shù)問題。在盾構(gòu)隧道施工過程中，由于已有建筑物基坑錨索未拔除，影響隧道盾構(gòu)施工的情況屢見不鮮，呂建凱[1]、傅春青[2]針對隧道盾構(gòu)區(qū)間遇到錨索障礙物群的問題進(jìn)行了研究，通過采用人工挖探井、液壓千斤頂拔錨法，成功將盾構(gòu)前方錨索全部清除，消除了盾構(gòu)在錨索區(qū)群內(nèi)掘進(jìn)的風(fēng)險； 林生涼[3]、王欣[4]、喬海洪[5]分別針對福州及石家莊地鐵某盾構(gòu)區(qū)間遇到錨索障礙物的問題進(jìn)行了研究，通過采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)切索法破除錨索障礙物的技術(shù)，解決了錨索阻礙盾構(gòu)施工的問題； 李廣良[6]以鄭州地鐵1號線某盾構(gòu)區(qū)間遇錨索障礙物群為研究對象，在豎井內(nèi)采用輕型拔錨機(jī)通過人工挖孔的方式清除錨索，解決了大面積深埋錨索對盾構(gòu)施工的影響，避免了大面積開挖拔除錨索對周邊環(huán)境造成的影響。對于已建建筑物錨索未拔除影響盾構(gòu)區(qū)間施工的問題，已有較多成功案例。

然而，對于在建住宅基坑因建筑設(shè)計方案調(diào)整無法繼續(xù)施工，其采用的可回收錨索侵入地鐵車站基坑內(nèi)，導(dǎo)致地鐵車站基坑無法施工的情況，相關(guān)工程案例較少，在后期車站基坑開挖過程中，鄰近存在既有基坑的情況更是毫無案例可尋。在確保既有基坑安全穩(wěn)定的前提下回收錨索，并在后續(xù)車站主體基坑開挖過程中保證兩處基坑的安全與穩(wěn)定，是一項(xiàng)新的任務(wù)難題。為此，本文以昆明軌道交通4號線某地鐵車站工程為例，對于侵入車站基坑的既有基坑錨索，采取針對性設(shè)計處理方案，在不影響既有基坑安全、穩(wěn)定的前提下，拔除錨索，并完成地鐵車站地下連續(xù)墻施工及基坑開挖工作。

1 工程概況

昆明軌道交通4號線某車站位于昆明市普吉路與二環(huán)北路交叉口西北側(cè)規(guī)劃綠地內(nèi)，車站沿二環(huán)北路北側(cè)呈東西向布置，車站上方為規(guī)劃道路。地鐵車站總長185.0 m，寬約20.0 m，基坑標(biāo)準(zhǔn)段深約12.5 m?；訄龅貎?nèi)土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

地鐵車站北側(cè)為某工程既有基坑，最近處距離車站基坑13.89 m。既有基坑采用鉆孔樁+可回收錨索圍護(hù)體系，現(xiàn)開挖深度約8 m，由于其工程建筑設(shè)計方案調(diào)整，既有基坑無法繼續(xù)施工。既有基坑錨索侵入車站基坑，影響地下連續(xù)墻施工范圍長約80 m，導(dǎo)致車站地下連續(xù)墻無法施工。既有基坑錨索與車站地下連續(xù)墻平面關(guān)系如圖1所示。

2 設(shè)計難點(diǎn)及處理方案比選

2.1 設(shè)計難點(diǎn)

1)既有基坑采用鉆孔樁+可回收錨索支護(hù)型式，基坑?xùn)|側(cè)緊鄰城市主干道普吉路，道路交通繁忙，路下管線密集，確保回收錨索后既有基坑自身的安全與穩(wěn)定成為重要設(shè)計問題。

圖1 既有基坑錨索與車站地下連續(xù)墻關(guān)系平面圖

Fig. 1 Plan relationship between cables of existing foundation pit and underground diaphragm wall of metro station foundation pit

2)由于既有基坑施工進(jìn)度緩慢，車站基坑施工進(jìn)度迅速，如何確保車站基坑開挖期間既有基坑與車站基坑的雙重安全與穩(wěn)定，又是一個設(shè)計難題。

2.2 設(shè)計方案比選分析

為解決上述設(shè)計難題，通過方案比選的方式，選取最為經(jīng)濟(jì)可靠的設(shè)計方案。具體方案情況如下。

1)方案1： 對既有基坑采取部分回填措施。由于該既有基坑開挖暴露時間已達(dá)2年，基坑自身安全穩(wěn)定性下降，采取基坑部分回填措施后可確?；幼陨淼陌踩?，對周邊環(huán)境影響也會降至最小，同時也能保證車站基坑在開挖期間的安全與穩(wěn)定。此方案需與既有基坑業(yè)主溝通協(xié)商，基坑部分回填后需待車站基坑結(jié)構(gòu)完成后才可繼續(xù)開挖[7]，且既有基坑需重新進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計。

2)方案2： 既有基坑內(nèi)增加內(nèi)支撐。利用既有基坑鉆孔樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑內(nèi)部增設(shè)2道混凝土內(nèi)支撐，待內(nèi)支撐施作完畢后，回收錨索。此設(shè)計方案能夠有效控制基坑變形，避免方案1中基坑部分回填及再次開挖的施工工序，同時也能保證既有基坑的安全與穩(wěn)定，但調(diào)整后的支護(hù)結(jié)構(gòu)方案同樣需花費(fèi)高額施工費(fèi)用。

3)方案3： 向車站基坑側(cè)放坡。利用既有基坑與車站基坑中間的富余空地，采取向車站方向放坡，并在既有基坑內(nèi)回填部分土方，對影響車站地下連續(xù)墻施工范圍內(nèi)的錨索進(jìn)行拔除。此方案可以保證既有基坑的安全與穩(wěn)定，同時與方案2比較，可以大大減少因既有基坑圍護(hù)方案調(diào)整所帶來的高額處理費(fèi)用。但由于既有基坑距離車站基坑最近處約14 m，此方案在后期車站基坑開挖期間，由于車站地下連續(xù)墻后方有效土壓力的減小，可能會對車站基坑產(chǎn)生安全隱患。

3種設(shè)計處理方案對比結(jié)果如表2所示。

表2 設(shè)計方案比選

3 設(shè)計方案

通過方案比選與研究，為保證車站基坑及既有基坑的安全與穩(wěn)定，并考慮相關(guān)經(jīng)濟(jì)性等因素，經(jīng)與既有基坑業(yè)主方溝通與協(xié)調(diào)，采取方案3。具體措施步續(xù)如下： 1)對既有基坑頂部土方采取1∶1.5放坡，并在邊坡處噴射150 mm厚的C20混凝土，內(nèi)配鋼筋網(wǎng)片； 2)根據(jù)既有基坑最新地下室坑底標(biāo)高，基坑內(nèi)回填厚1.37 m的土方并壓實(shí)； 3)在既有基坑坡頂、底處設(shè)置排水溝； 4)拔除最下道錨索，土方回填至既有基坑最新坑底設(shè)計標(biāo)高, 并對土方進(jìn)行壓實(shí)； 5)回填梯形土方至第2道錨索后拔除回收第2道錨索； 6)梯形土方回填至設(shè)計標(biāo)高，拔除回收第1道錨索； 7)破除圍護(hù)樁及止水帷幕至邊坡底部，并增設(shè)冠梁。

為了保證車站基坑在開挖期間的安全與穩(wěn)定，更改車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案[8-11]，原車站基坑設(shè)計方案采用地下連續(xù)墻+3道內(nèi)支撐的支護(hù)型式(首道為混凝土支撐，其余為鋼支撐)，現(xiàn)方案調(diào)整為地下連續(xù)墻+3道內(nèi)支撐的支護(hù)型式(第1、2道為混凝土支撐，第3道為鋼支撐)。錨索拔除后既有基坑與車站基坑剖面如圖2所示。

圖2 錨索拔除后既有基坑與車站基坑關(guān)系剖面圖(單位： mm)

4 模擬計算

4.1 模型選取

為確保既有基坑及車站基坑的安全，合理反映基坑開挖卸載對周邊環(huán)境產(chǎn)生的附加變形影響，通過采用二維彈塑性有限元分析方法，利用PLAXIS軟件模擬基坑體系非線性變形下的坑周地層應(yīng)力場和位移場，對既有基坑錨索拔除及車站基坑開挖施工進(jìn)行模擬。

建模范圍為車站基坑開挖影響范圍內(nèi)5倍開挖深度的土體，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)、實(shí)測數(shù)據(jù)以及該工程的規(guī)模，此范圍已基本滿足模擬土體的空間半無限體特性。圍護(hù)和支撐結(jié)構(gòu)均采用彈塑性Beam單元模型來模擬。Beam單元為3節(jié)點(diǎn)平面單元，彈塑性模型可以較好地模擬結(jié)構(gòu)非線性力學(xué)特性。土體采用15節(jié)點(diǎn)平面單元及摩爾-庫侖(理想彈塑性)材料模型來模擬。計算參數(shù)按實(shí)際地勘報告數(shù)據(jù)選取。計算分析通過分荷載步求解來模擬施工工況，通過單元的“激活和凍結(jié)”手段來模擬錨索拔除及土體開挖的過程[12-15]。

4.2 模擬結(jié)果

4.2.1 既有基坑錨索拔除模擬結(jié)果

利用PLAXIS有限元方法模擬錨索拔除過程，既有基坑最大水平位移和最大垂直位移分別如圖3和圖4所示。根據(jù)圖3和圖4模擬計算結(jié)果可知： 既有基坑因錨索拔除引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土層產(chǎn)生的最大水平位移為16.4 mm，放坡段頂部最大水平位移為8.4 mm，車站外側(cè)土體最大沉降量為16.3 mm，既有基坑內(nèi)土體最大沉降量為16.3 mm。

圖3 既有基坑最大水平位移圖(單位： mm)

Fig. 3 Maximum horizontal displacement of existing foundation pit(unit: mm)

圖4 既有基坑最大垂直位移圖(單位： mm)

Fig. 4 Maximum vertical displacement of existing foundation pit(unit: mm)

4.2.2 基坑開挖期間模擬結(jié)果

車站基坑地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和車站基坑最大垂直位移分別如圖5和圖6所示。根據(jù)圖5和圖6有限元計算結(jié)果可知： 因車站基坑開挖而引起車站地下連續(xù)墻產(chǎn)生的最大水平位移為25.5 mm，車站外側(cè)土體最大沉降量為38.4 mm，既有基坑內(nèi)土體最大沉降量為20.2 mm，車站基坑內(nèi)土體最大隆起量為79.5 mm。

4.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬計算結(jié)果，既有基坑因錨索拔除引起自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大水平位移為16.4 mm，小于設(shè)計控制要求(20 mm)，坑內(nèi)土體最大沉降量為16.3 mm，也小于設(shè)計控制要求(20 mm)； 車站基坑開挖期間地下連續(xù)墻最大水平位移為25.5 mm，小于設(shè)計控制要求(30 mm)，坑外土體最大沉降量為38.4 mm，小于設(shè)計控制要求(50 mm)，既有基坑內(nèi)土體最大沉降量為20.2 mm，也小于設(shè)計控制要求(30 mm)。綜上，既有基坑內(nèi)錨索拔除后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量滿足設(shè)計要求，而且在車站基坑開挖期間，既有基坑與車站基坑均能安全、穩(wěn)定，采取的既有基坑錨索拔除的設(shè)計方案是可行的。

圖5 車站基坑地下連續(xù)墻最大水平位移圖(單位： mm)

Fig. 5 Maximum horizontal displacement of underground diaphragm wall of metro station foundation pit (unit: mm)

Fig. 6 Maximum vertical displacement of metro station foundation pit (unit: mm)

5 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)選自距離既有基坑最近處的地下連續(xù)墻最不利監(jiān)測點(diǎn)，即測斜最大變形處。將數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，既有基坑放坡段最大水平位移為5 mm，實(shí)測數(shù)據(jù)略小于模擬計算結(jié)果(8.4 mm)，實(shí)測坑外土體豎向最大沉降為43.8 mm，略大于模擬結(jié)果(38.4 mm)，這是由于此處為既有基坑施工便道，重型車輛及機(jī)械均從此處經(jīng)過導(dǎo)致的。

表3數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比

Table 3 Comparison between numerical simulation results and site monitoring results

mm

地下連續(xù)墻墻身側(cè)向位移隨開挖深度的變化如圖7所示。從圖7中也可看出，距既有基坑最近處車站基坑地下連續(xù)墻的最大變形量為27 mm，略大于模擬結(jié)果值(25.5 mm)，但在設(shè)計要求(≤30 mm)的控制范圍之內(nèi)(由于此處墻體內(nèi)測斜管底部被堵，故監(jiān)測數(shù)據(jù)按墻頂變形為0點(diǎn)進(jìn)行測量控制，墻底變形量為17.4 mm，墻底變形量與計算結(jié)果存在偏差)。

圖 7 墻身側(cè)向位移隨基坑開挖深度的變化

Fig. 7 Lateral displacements of underground diaphragm wall vs. foundation pit excavation depths

從對比結(jié)果可以看出，現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果較為吻合，利用有限元模擬可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測實(shí)際工程的施工結(jié)果，為工程施工提供參考依據(jù)。

6 結(jié)論與建議

1)對影響車站主體基坑地下連續(xù)墻施工的既有基坑支護(hù)方式進(jìn)行更改，利用既有基坑與車站基坑中間的富余空地，采取向車站方向按1∶1.5坡度放坡，并在既有基坑內(nèi)回填土方的設(shè)計方案，對既有基坑錨索進(jìn)行拔除，順利完成車站主體基坑地下連續(xù)墻合攏，解決了既有基坑錨索影響車站基坑地下連續(xù)墻施工的問題。

2)既有基坑離車站主體基坑最近處約14 m，為保證車站基坑在開挖期間內(nèi)的安全，將第2道鋼支撐調(diào)整為混凝土支撐，避免出現(xiàn)車站地下連續(xù)墻鄰近既有基坑側(cè)可能因有限土壓力問題引起的安全隱患，保證車站基坑的安全與穩(wěn)定。

3)根據(jù)PLAXIS有限元模擬結(jié)果可知，既有基坑因錨索拔除引起圍護(hù)樁體最大變形為16.4 mm，放坡段頂部最大水平位移為8.4 mm，坡頂土體最大沉降量為16.3 mm，車站主體基坑開挖期間地下連續(xù)墻最大變形為25.5 mm，地表土體最大沉降量為38.4 mm，模擬結(jié)果滿足設(shè)計要求，可為施工提供相關(guān)參考依據(jù)。

4)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，在車站主體基坑開挖至坑底工況下，既有基坑放坡段實(shí)際最大水平位移為5 mm，距既有基坑最近處車站基坑地下連續(xù)墻最大變形為27 mm，實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果較為吻合，車站基坑與既有基坑均安全、穩(wěn)定。

5)車站基坑北側(cè)既有基坑錨索拔除雖已完成，車站主體結(jié)構(gòu)也已施工完畢，但在軌道交通建設(shè)籌劃初期，應(yīng)對沿線周邊建(構(gòu))筑物進(jìn)行充分調(diào)查，必要時應(yīng)調(diào)整站位，避免類似情況的出現(xiàn)。

6)兩處基坑中間最近距離約為14 m，車站基坑開挖期間存在兩側(cè)土壓力不一致的問題，后續(xù)建議對有效土壓力與支撐抗力間的關(guān)系作進(jìn)一步研究。