广深港客运专线福田地下车站基坑施工对周边建筑物的影响分析及控制技术

王振卿，李权福

(1.中铁十五局集团公司，河南洛阳 471013;2.神华集团货车公司，北京 100011)

1 工程概况

广深港客运专线福田车站全长1 023 m，最深32.15 m、最宽78.86 m，站场规模4台8线。该地下车站基坑周边高楼林立，道路密集，工程地质、水文地质条件复杂。基坑周围相邻10多栋200 m左右的高层建筑，且距免税大厦仅为13.4 m，与地铁2号线、11号线垂直交叉。基坑开挖土石方183.3万m3。

本文结合福田站基坑开挖工程，提出建立该车站基坑盖挖逆作和明挖顺作两大工法及周围建筑物状况三维模型，通过仿真分析计算，按施工步骤和顺序模拟实时对照分析计算深基坑变形和对周边建筑物的影响程度，及时提出加强监控的重点部位及相应技术措施，从而进一步优化基坑开挖和支撑体系施工方案。

2 深基坑受荷分析方法

2.1 盖挖逆作法结构分析计算模型

采用一次加载计算法和增量法全过程分析法分别计算，采用增量法计算得到的结果要比一次性加载计算法要大。就连续墙而言在顶板连接处两种方法得到的结果大致相同，但在中板连接处用全过程分析模型得到的侧墙弯矩在数值上要大很多，到了底板连接处，侧墙弯矩的方向甚至发生了变化。一次加载计算法不能够很好反映结构的实际受力性态。盖挖逆作法采用增量法原理对结构进行全过程结构受力状态分析，结果表明，在与板的结合部位出现了负弯矩，从设计角度来看，则需要在负弯矩一侧增加配筋，这与顺作法结构存在较大区别。一般经验而言，采用顺作法在基坑深度范围内连续墙墙身几乎全部为正弯矩。

2.2 明挖顺作法结构分析计算模型

围护结构及支撑体系受力计算按施工过程进行。围护结构作为支挡结构，承受全部的水土压力及路面荷载。施工阶段受力分析模拟了施工过程，遵循“先变位，后支撑”的原则。根据地质情况取不同地质钻孔，主要采用同济启明星深基坑支护结构设计计算软件FRWS 2006进行结构计算，并采用理正深基坑FSPW、大型岩土工程分析有限元软件 Plaxis进行校核。

对侧向水土压力，施工阶段采用朗肯主动土压力，黏土层采用水土合算，其他土层采用水土分算。

3 施工过程结构受力变形及对周边建筑物影响的分析

3.1 盖挖逆作施工过程结构受力变形分析

设计中选取D区中的关键断面对顶板和中板的型钢梁、支座施工采用数值模拟的方法进行分析(图1)，以顶板及顶板型钢在施工过程中的受力和变形特征为例进行解析。

盖挖逆作车站结构的主要受力构件常兼有临时结构和永久结构的双重功能。结构受力与施工方法、开挖步骤和施工措施关系密切，且荷载效应有继承性。

3.1.1 顶板验算分析

图1 盖挖逆作施工过程结构受力变形分析数值模型

根据分析模型和设计的要求，建立顶板为矩形板的数值模型，并设定基本结构条件:顶板宽度为1 000 mm，厚度为1 200 mm，顶板混凝土强度等级 C40，fc=19.10 N/mm2，纵筋级别 HRB335，fy=300 N/mm2。计算结果如下:

1)顶板横向跨中最大弯矩设计值为2 772 kN·m，剪力设计值为84 kN。验算顶板正截面受弯承载力和裂缝宽度，截面承载力5 419.63 kN，正截面受弯承载力和配置钢筋均能满足要求。

2)顶板横向支座处弯矩设计值3 135 kN·m，剪力设计值4 012 kN。

3)顶板纵向跨中弯矩设计值1 033 kN·m，剪力设计值84 kN。

4)顶板纵向支座处弯矩设计值1 848 kN·m。

以上2)至4)项验算的要求为顶板正截面受弯承载力和裂缝宽度。通过模型分析，截面承载力、正截面受弯承载力和配置钢筋均能满足要求。

3.1.2 顶板型钢梁验算分析

1)纵向型钢梁验算分析

顶板纵向型钢梁截面为1 400 mm×2 200 mm，钢骨截面为800 mm×1 600 mm×40 mm×40 mm。采用LBW型钢混凝土组合结构计算软件计算，得到最大弯矩为8 421 kN·m。

2)横向型钢梁验算分析

顶板横向型钢梁截面为1 400 mm×2 500 mm，钢骨截面为800 mm×1 900 mm×30 mm×40 mm，C轴处局部钢骨截面为800 mm×1 900 mm×30 mm×60 mm。计算得到最大弯矩为－39 334 kN·m。

3.2 明挖顺作施工过程结构受力变形分析

3.2.1 内力计算结果

计算得到的地下连续墙位移、内力包络图见图2。支点反力见表1。

3.2.2 地表沉降计算

采用同济抛物线方法分别计算17种工况:开挖至2.8 m;安装1号支撑;开挖至10.8 m;安装2号支撑;开挖至19.2 m;安装3号支撑;开挖至26.6 m;安装4号支撑;开挖至31.9 m;底板完成;负二层中板完成;拆3号支撑;负一层中板完成;拆2号支撑;顶板完成;拆1号支撑;拆4号支撑。其中部分工况计算的地表沉降见图3。

图2 地连墙内力计算结果

表1 支点反力

图3 地表沉降分布

3.2.3 特殊地段计算

邻近的香格里拉饭店地段地质条件极差，距超高层建筑近，安全风险最高。分别采用一维和二维计算分析并互相校核。计算的地下连续墙剪力、弯矩包络图见图4。

图4 地下连续墙剪力、弯矩包络图

4 监测结果分析

4.1 围护结构变形对比分析

实际监测出的连续墙累计变形和理论计算值基本一致。如香格里拉饭店附近，理论变形为0～18.8 mm，最大变形约发生在26～27 m深处，实际监测变形为－4.04～24.87 mm，最大变形发生在25 m深处。

4.2 周边建筑物变形分析

通过对周边建筑物的沉降监测，发现建筑物沉降主要与自身基础类型、相对基坑深度、桩底持力层承载力大小等因素有关，围护结构变形在允许范围内时，建筑物沉降与围护结构变形关系不明显。以免税大厦和港中旅大厦为例予以说明。①免税大厦地上39层，地下3层，高160 m。基础为摩擦桩，埋深20～28 m，基坑底以上岩性为全风化花岗岩，强度底。距基坑约13.4 m。②港中旅大厦地上 24层，地下 3层，高110.7 m。基础为端承桩，埋深30.00～35.35 m，基坑底以下岩性为弱风化花岗岩，强度高。距基坑约16 m。

通过监测数据可以发现免税大厦沉降和差异沉降均较大，并且在结构完成后一定时间内，仍有小量沉降。最小沉降(J2测点)为－4.22 mm，最大沉降(J4测点)为－15.45 mm，最大差异沉降达11.23 mm。两点水平距离约69.5 m，倾斜0.16‰。港中旅大厦沉降和差异沉降均较小，主要发生在基坑开挖初期，很快趋于稳定。最小沉降(J7测点)为－3.80 mm，最大沉降(J2测点)为 －5.59 mm，最大差异沉降达1.79 mm。两点水平距离约58.6 m，倾斜0.03‰。可见，两者倾斜均远小于设计及规范要求的2‰。

基坑周边沉降最大位置一般不在基坑最近处，而是在距离基坑12～17 m，约0.5倍基坑深度附近，再向远处逐渐减小，在1倍基坑深度以外，几乎无沉降。

5 变形控制技术措施

5.1 周边土体预加固、隔离

基坑开挖前，对基坑周边建筑物较近的区域，采用格构式旋喷桩加袖阀注浆进行预加固。预加固范围尽量靠近建筑物，并与基坑边留一定缓冲区，形成隔离状态，使基坑变形尽量在缓冲区内消散，不致影响到建筑物主体。

5.2 跳仓、分层分段分区开挖、及时支撑

根据设计要求，将主体结构划分成若干个小段，每段长约20～30 m，盖挖逆作段按照跳仓原则，完成结构板后，利用已完成的结构板作为支撑，开挖剩余段落土体。

明挖顺作法施工时，自一端向另一端，分层分段台阶法开挖，基坑较宽时，横向再分区开挖，先挖中间再挖两边。到基底后，立即施工垫层，封闭基底。每开挖出一段，及时施工底板，严格控制底板与土方开挖间距，每隔两段底板预留一个后浇带。

5.3 预留反压土

福田站D区，盖挖逆作施工负三层时，为平衡C区土压力，预留邻近中隔墙的D1节段土体，开始从D2节段开挖，先施工偶数节段，再施工奇数节段，最后，待C区开挖二层后，再开挖D1节段。因底板下承台和接地系统施工周期较长，为避免负三层长期暴露，围护结构变形发展造成结构破坏，对负三层土体横向分区开挖，并在基坑两侧预留反压土，平衡基坑外侧土压力，降低围护结构变形。

6 结语

福田地下车站大型深基坑施工时，通过对盖挖逆作和明挖顺作两大工法三维模拟计算综合分析结构受力与变形。根据模型计算结果及时针对性地调整开挖节奏，严格控制各项监测指标，使之满足设计及规范的要求，最大限度地降低了对周边建筑物的影响，确保了基坑及周边建筑物的安全。

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