楊世華

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來，隨著城市的不斷發(fā)展，地鐵軌道交通建設(shè)規(guī)模越來越大，鄰近地鐵的基坑也日益增多?；娱_挖往往會(huì)對(duì)鄰近的地鐵車站和隧道帶來某種程度的安全隱患，尤其對(duì)軟土地區(qū)，影響更大。基此，國(guó)家也出臺(tái)了相關(guān)規(guī)范，對(duì)地鐵隧道的變形要求極其嚴(yán)格。因此，選擇合理有效的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案和施工措施，控制基坑開挖對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形的影響，確保地鐵的安全使用，已成為當(dāng)前工程界必須解決的問題和研究的熱點(diǎn)[1-3]。

本文以福州某鄰近地鐵超大軟土深基坑為例，提出了圍護(hù)樁+一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐+坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體加固的設(shè)計(jì)方案，并采用大型有限元軟件Midas GTS NX模擬計(jì)算了該基坑開挖對(duì)鄰近地鐵的影響，并將計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，為類似鄰近地鐵軟土深基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1 工程概況

該工程位于福州市晉安區(qū)，設(shè)兩層地下室，基坑呈不規(guī)則形狀，長(zhǎng)邊長(zhǎng)約200m，短邊寬約170m，周長(zhǎng)約720m，面積約2.7萬m2，基坑開挖深度約9.8m。

場(chǎng)地南側(cè)臨近福馬路和在建的地鐵2號(hào)線，地下室外墻距離地鐵2#線車站和隧道約29m～50m(<50m屬于地鐵保護(hù)范圍)；北側(cè)為埠興路；東側(cè)為空地，西側(cè)均為已建廠房。

基坑與地鐵關(guān)系平面圖如圖1所示。

2 工程及水文地質(zhì)條件

基坑開挖范圍內(nèi)的影響土層主要有：①雜填土，厚約1.10m～4.80m；②淤泥，厚8.70m～25.70m；③含碎卵石礫(中)砂，厚0.40m～9.60m；④粉質(zhì)粘土，厚1.30m～17.90m；⑤淤泥質(zhì)土，厚1.90m～29.80m；⑤-1碎卵石，厚0.50m～5.10m；⑥粉(砂)質(zhì)粘土，厚1.50m～12.00m；⑦碎卵石，厚0.90m～9.20m。

對(duì)基坑開挖有影響的含水層為③含碎卵石礫(中)砂層。該層穩(wěn)定水位埋深1.20m～1.80m，水頭標(biāo)高約4.54m～5.83m，滲透系數(shù)k=11.14m/d。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案選型

3.1 基坑支護(hù)工程難點(diǎn)

(1)基坑規(guī)模大：基坑面積達(dá)2.7萬m2，屬大型基坑。

(2)基坑開挖深度深：基坑深度達(dá)9.8m，屬一級(jí)深基坑。

(3)地質(zhì)條件差：基坑開挖范圍內(nèi)為深厚淤泥層，該土層呈流塑狀態(tài)，具有強(qiáng)度低、易擾動(dòng)、易變形等特點(diǎn)，大大增加了設(shè)計(jì)難度。

(4)環(huán)境保護(hù)要求高：基坑南側(cè)為已建的地鐵2號(hào)線，地鐵隧道與該工程地下室外墻最近距離29m，在地鐵保護(hù)區(qū)(<50m)范圍內(nèi)，需嚴(yán)格控制基坑變形。因此，2號(hào)線軌道區(qū)間為該工程基坑開挖過程中的重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象，保護(hù)要求較高。

(5)工期緊，進(jìn)度要求高：該工程為商業(yè)性工程，對(duì)工期要求較緊。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)

針對(duì)該工程的難點(diǎn)，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)采取了相應(yīng)的措施，以確保整個(gè)基坑工程安全、順利、快速進(jìn)行?；又ёo(hù)采用圍護(hù)樁加一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐形式，并對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行了加固；同時(shí)，結(jié)合支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)了棧橋板，方便土方開挖和運(yùn)輸，以滿足工期要求。

3.2.1支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)圍護(hù)樁

基坑南側(cè)鄰近地鐵，環(huán)境保護(hù)要求較高。因此，該圍護(hù)樁采用直徑較大的鋼筋混凝土灌注樁，以提高支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，減少變形。通過理正深基坑軟件初步計(jì)算確定，為使圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制在20mm之內(nèi)，灌注樁直徑需1000mm，樁間距為1200mm。為滿足基坑整體穩(wěn)定性要求，樁長(zhǎng)需穿透軟土層進(jìn)入相對(duì)好土層，最長(zhǎng)達(dá)46m。止水帷幕采用φ850@600三軸攪拌樁，并在灌注樁和三軸攪拌樁之間增設(shè)一排高壓旋噴樁，以盡量減少基坑漏水的風(fēng)險(xiǎn)。鄰近地鐵側(cè)基坑支護(hù)剖面圖如圖2所示。

其余幾側(cè)遠(yuǎn)離地鐵，不在地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，且周邊環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)變形控制要求不高。為縮短工期、節(jié)約造價(jià)，圍護(hù)樁采用SMW工法樁，三軸攪拌樁為φ850@600，內(nèi)插HN700×300型鋼，兼顧擋土和止水功能。

圖2 鄰近地鐵側(cè)基坑支護(hù)剖面圖

(2)支撐體系

基坑開挖深度9.8m，且基坑開挖范圍內(nèi)為深厚淤泥層，按常規(guī)設(shè)計(jì)需采用兩道支撐體系，若按常規(guī)則將大大增加施工工期，滿足不了該工程工期進(jìn)度要求。因此，設(shè)計(jì)在增加其他安全措施前提下，采用了一道鋼筋混凝土支撐體系。①采用上部放坡形式，將支撐梁標(biāo)高降低2m，以減少圍護(hù)樁跨度；②增設(shè)被動(dòng)區(qū)土體加固，以提高被動(dòng)區(qū)土壓力；從這2個(gè)方面減少圍護(hù)樁彎矩和樁身變形。支撐采用角撐+對(duì)撐+桁架撐的布置形式，該形式安全可靠、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、有較大的出土空間；同時(shí)，結(jié)合支撐梁設(shè)計(jì)了行車棧板，以方便土方開挖和運(yùn)輸。支撐具體布置形式如圖3所示。

(3)坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體加固

由于基坑開挖范圍內(nèi)存在深厚淤泥層，支撐體系采用一道內(nèi)支撐，為控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，并對(duì)坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體采用單軸雙向攪拌樁進(jìn)行加固。該攪拌樁屬新技術(shù)，質(zhì)量較有保證?？拷罔F側(cè)加固寬度9m、深度8m；其余位置加固寬度6m、深度6m，采用格柵狀布置。支撐平面布置如圖3所示。

圖3 支撐平面布置圖

3.2.2支護(hù)結(jié)構(gòu)施工要求

由于該基坑范圍較大，支撐梁長(zhǎng)度大，彈性變形較大，為了控制地鐵一側(cè)變形，采用不均勻開挖方式，遠(yuǎn)離地鐵位置先開挖，靠近地鐵一側(cè)后開挖，盡量減少基坑開挖對(duì)已建地鐵2號(hào)線的影響，要求基坑土方開挖順序從北至南，即北側(cè)先行開挖，南側(cè)最后開挖。同時(shí)，要求開挖至基底后，及時(shí)澆筑墊層，施工底板盡量縮短基坑暴露的時(shí)間，以控制土體變形。

4 有限元數(shù)值模擬分析

為了較準(zhǔn)確評(píng)估分析該基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況，以及基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道和車站的影響程度，該工程采用大型有限元軟件Midas GTS NX對(duì)基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 有限元數(shù)值模型

4.1 模型尺寸和邊界

根據(jù)基坑開挖對(duì)周邊的影響范圍，合理選取模型尺寸可減少邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算模型尺寸為400m(X)×380m(Y)×65m(Z)。模型4個(gè)側(cè)面約束水平方向( x 和 y)的位移，底部固定。

4.2 本構(gòu)模型和單元類型

土體采用3D實(shí)體單元模擬，坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)加固土體采用實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型為修正摩爾庫倫硬化模型；圍護(hù)樁剛度等效為地連墻，寬度0.789m，采用板單元模擬；隧道襯砌采用板單元模擬，本構(gòu)模型為線彈性模型；冠梁、支撐采用梁?jiǎn)卧M，本構(gòu)模型為線彈性模型。用界面單元模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相互作用。

圍護(hù)樁與地連墻剛度換算公式如下：

4.3 計(jì)算參數(shù)

土層計(jì)算參數(shù)如表1所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及隧道襯砌計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表1 土層計(jì)算參數(shù)

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)及隧道襯砌計(jì)算參數(shù)

4.4 計(jì)算結(jié)果

圖5為基坑開挖到坑底時(shí)的土體豎向變形云圖。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基坑開挖至基底后，坑內(nèi)土出現(xiàn)大面積回彈，大部分區(qū)域回彈量約28mm，圍護(hù)樁邊土體回彈量最大，回彈量最大值達(dá)39mm。

坑外地表沉降呈現(xiàn)明顯的空間效應(yīng)，越靠近基坑中部，沉降越大，沉降最大值為23mm。

圖5 土體豎向位移(Z方向)云圖

圖6 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移(X方向)云圖

圖6和圖7分別為基坑開挖至坑底時(shí)，基坑圍護(hù)樁X方向和Y方向水平變形云圖。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該圍護(hù)樁最大水平位移位于基坑底附近。東側(cè)、西側(cè)和北側(cè)圍護(hù)樁(SMW工法樁)樁身水平位移最大值約為30mm，南側(cè)(鄰近地鐵隧道)圍護(hù)樁(灌注樁)樁身水平位移最大值約為17mm，均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖7 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移(Y方向)云圖

圖8 隧道變形水平位移(X方向)云圖

圖9 隧道變形水平位移(Y方向)云圖

圖10 隧道縱向拱頂Z向位移云圖

圖8～圖10為基坑開挖至坑底時(shí)的隧道變形云圖。因軌道主要位于基坑的側(cè)向，地鐵水平位移受基坑開挖影響較大，軌道豎向位移受基坑開挖影響較小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，變形以Y向側(cè)向變形為主，變形方向指向基坑開挖區(qū)域，最大側(cè)向變形為2.6mm，沉降變形1.3mm。由于最大差異變形點(diǎn)之間的距離大于200m，最大差異變形小于0.13mm/10m，滿足規(guī)范要求的4.0mm/10m。

圖11～圖13為基坑開挖至坑底時(shí)地鐵車站結(jié)構(gòu)X、Y、Z方向的變形云圖。計(jì)算結(jié)果表明，X方向變形不足1mm，Y方向(指向基坑開挖區(qū)域)最大變形為3mm，Z方向最大變形為1mm，變形較小，均滿足相關(guān)規(guī)范變形控制要求。

圖11 地鐵車站結(jié)構(gòu)水平位移(X方向)云圖

圖12 地鐵車站結(jié)構(gòu)水平位移(Y方向)云圖

圖13 地鐵車站結(jié)構(gòu)Z向位移云圖

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果

該基坑工程面積較大，深度較深，破壞后果非常嚴(yán)重，為保證基坑和相鄰地鐵安全，必須對(duì)基坑和地鐵進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以指導(dǎo)基坑工程順利實(shí)施。

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有：圍護(hù)樁深層水平位移、坡頂水平位移和沉降、樁身應(yīng)力、支撐梁應(yīng)力、立柱豎向位移、周邊道路和地面沉降、地下水位、地鐵車站和軌道區(qū)間變形。目前該工程地下室已施工完成，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和受力正常，地鐵車站和隧道變形正常，均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

5.1 圍護(hù)樁樁身水平位移

圖14為基坑開挖至坑底時(shí)南側(cè)(鄰近地鐵)圍護(hù)樁深層水平位移曲線圖，從圖14中可以看出，圍護(hù)樁最大水平位移約為19.76mm，與有限元計(jì)算值17mm較為相符。

圖14 CX10(地鐵側(cè)) 圖15 CX2(非地鐵側(cè))

圖15為基坑開挖至坑底時(shí)其余位置(非靠近地鐵側(cè))的圍護(hù)樁深層水平位移曲線圖。從圖15中可以看出，圍護(hù)樁最大水平位移約為39.35mm，相比有限元計(jì)算值30mm稍大些。

從圍護(hù)樁深層水平位移曲線可以看出，變形曲線呈弓形，最大水平位移均位于地面以下約10m位置，即開挖面附近，監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)符合樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)理論和實(shí)際變形情況。

5.2 地鐵車站和軌道區(qū)間變形

南側(cè)地鐵車站和軌道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，其變形主要發(fā)生在基坑開挖階段，基坑開挖至坑底，地鐵車站累計(jì)最大水平位移量為 2.5mm，豎向位移量為0.9mm；地鐵軌道累計(jì)最大水平位移量為 3.1mm，豎向位移量為1.2mm。在基坑工程施工期間，地鐵車站和軌道的變形均較小，均小于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T202-2013)規(guī)定的安全控制指標(biāo)值(預(yù)警值均為10mm)，表明該變形處于可控狀態(tài)，未對(duì)其產(chǎn)生不良影響。這也說明該基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)方案是成功的，地鐵車站和軌道得到了很好的保護(hù)。

6 結(jié)論

(1)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該工程采用圍護(hù)樁+一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐+坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體加固支護(hù)形式是成功可行的，既縮短了工期，又對(duì)地鐵起到了很好的保護(hù)作用，值得同類工程借鑒和參考。

(2)鄰近地鐵一側(cè)的圍護(hù)樁采用剛度較大的灌注樁，坑內(nèi)采用攪拌樁加固，可有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，減少對(duì)鄰近地鐵的影響。

(3)土方開挖時(shí)應(yīng)先行開挖遠(yuǎn)離地鐵側(cè)的土方，后開挖靠近地鐵一側(cè)的土方，利用基坑的空間和時(shí)間效應(yīng)來減少鄰近地鐵一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

(4)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為吻合，表明數(shù)值計(jì)算模型合理可靠，精度較高。采用三維有限元軟件分析基坑開挖對(duì)相鄰地鐵車站和隧道的影響程度，是一種有效可行的分析手段。