某紧邻地铁深基坑支护设计及监测分析

王秀丽，舒丽红，何春保

( 1．西安铁路职业技术学院，陕西西安　710600; 2．华南农业大学水利与土木工程学院，广东广州　510642)



某紧邻地铁深基坑支护设计及监测分析

王秀丽1，舒丽红1，何春保2

( 1．西安铁路职业技术学院，陕西西安710600; 2．华南农业大学水利与土木工程学院，广东广州510642)

摘要:某深基坑工程紧邻地铁车站一侧，由于受场地限制，必须利用既有车站连续墙作为支护结构的一部分，而其它侧根据相应地质条件采用旋挖桩加内支撑及预应力锚索的综合支护方案。为了准确分析基坑开挖对地铁车站和隧道结构的影响，按照基坑三维实体结构建立计算模型，进行三维有限元分析。同时，为了确保施工安全，在施工期间对基坑周边的沉降、水平位移和内支撑轴力等进行了监测。计算和实测结果表明:基坑支护变形和受力满足规范要求。基坑支护结构设计方案是可行的，可供类似工程参考。

关键词:深基坑工程基坑支护设计计算监测

1　工程概况

某银行大厦项目位于深圳市福田中心区鹏程一路与深南大道交汇处东北角，主体建筑由主塔楼和辅助裙房组成，采用型钢混凝土框架结构，总建筑面积108 726 m2。主塔楼地上37层，总高度178. 85 m，裙房地上5层，高度23. 65 m，地下室共有4层，主体基坑开挖深度20. 75～21. 50 m。

场地内分布的地层主要有人工填土层、第四系冲洪积层、残积层，下伏基岩为燕山晚期花岗岩。岩土物理力学指标如表1所示。

表1岩土层物理力学指标

场地地下水类型以潜水为主，主要赋存于第四系各地层中，受场地东侧地铁施工降水影响，场地地下水位埋深较大，一般介于7. 60～13. 50 m。地下水对混凝土及钢筋有弱腐蚀性。

场地周边环境复杂，东侧为深圳地铁3号线福田车站及少年宫～福田盾构区间，南侧为深南大道辅道及地铁地下通道，西侧为鹏程一路和深圳广电大厦。

设计施工难点主要有两个方面:

1)基坑东侧临近地铁隧道和地铁福田站，必须控制基坑开挖对其的影响。

2)基坑东侧南段由于旋挖桩施工空间不足，需利用地铁福田站原有连续墙(厚度800 mm)作为围护结构。

2　设计方案

考虑到周边地铁车站、盾构及地下通道影响，基坑支护安全等级取为一级，采用内支撑体系进行基坑支护。其中:①基坑东侧北段及基坑南侧采用旋挖咬合桩作为围护结构;②基坑东侧南段征得地铁公司同意后利用该车站原有连续墙(厚度800 mm)作为围护结构，同时为保持地铁车站受力平衡，基坑内支撑轴线标高与地铁三号线福田站楼板轴线标高相一致;③基坑南侧临近深南大道辅道，支护结构外侧深度5. 6 m位置存在一拟建地铁福田站人行通道，因此基坑支护亦采用咬合桩，桩底入基坑底6. 0 m;④基坑西侧及北侧场地较空旷，采用旋挖桩+桩间旋喷止水。

根据地铁公司要求，本基坑在利用福田站地下连续墙作为围护结构时，应避免在该连续墙上植筋。为保证该支护段基坑腰梁不产生竖向位移，在内支撑与腰梁位置设置竖向18#工字钢，工字钢底部入坑底5. 0 m。基坑支护平面布置见图1，剖面设计见图2。

图1基坑支护平面及控制测点布置(单位: mm)

图2基坑支护剖面(单位: mm)

3　三维有限元分析

为了加强对地铁结构的保护，利用Ansys软件建立三维有限元分析模型详细分析基坑开挖对地铁隧道的影响。其中:

①支撑梁(钢筋混凝土矩形梁)，采用Beam3梁单元模型，截面尺寸为0. 8 m×1. 0 m;

②支撑立柱(直径0. 8 m旋挖桩)，采用Pipe16管单元模型;

③基坑腰梁，采用Beam3梁单元模型，截面尺寸0. 8 m×1. 0 m;

④基坑支护桩(桩径1. 2 m的旋挖桩)，采用Shell壳单元模型进行近似模拟，单元厚度0. 8 m;

⑤地铁车站楼板，模型采用Shell壳单元进行模拟，顶板、底板及楼板厚度均按0. 5 m考虑;

⑥地铁车站外墙，车站西侧外墙为0. 8 m厚地下连续墙+ 0. 4 m厚衬墙，东侧外墙为直径1. 2 m钻孔桩+ 0. 4 m厚衬墙。模型采用Shell壳单元进行模拟，厚度均按0. 8 m考虑。

主要计算条件设置:①基坑支撑立柱底端位移、支护桩底端位移、车站连续墙及旋挖桩底端位移、车站在模型中截断的断面Y方向位移均取为0;②根据各剖面反力计算结果，第1至第3道支撑冠(腰)梁的均布荷载分别为372. 75，792. 9及497. 0 kN/m;③考虑地铁福田车站东侧为新近回填的证交所基坑，对地铁顶板、楼板自上到下施加对应基坑位置50%的均布力，即分别为186. 38，396. 45及248. 5 kN/m。三维有限元模型如图3所示。

图3有限元计算模型

计算得到的围护结构、内支撑结构和地铁车站的位移如表2所示，表中支护结构的位移方向均向坑内。

表2主要结构位移计算结果

综合计算结果，得到内支撑最大弯矩为780. 5 kN·m，支护结构最大位移为20. 3 mm。地铁隧道和福田车站最大位移为6. 48 mm，远小于地铁变形控制标准值15～20 mm。

4　监测方案与监测结果分析

4. 1监测方案

根据本基坑场地条件和基坑设计和监测相关规范要求，主要监测以下内容:①围护结构水平位移;②基坑沉降;③支撑轴力;④水位和周边建筑物、道路、管线变形等。主要测点布置如图1所示。

监测频率为:①基坑开挖期间2次/1 d，底板施工完后1次/2 d;②监测频率可根据监测数据变化或异常情况进行调整。

监测控制标准如下:

1)基坑坑顶最大水平位移允许值为0. 25% H(坑深)即45 mm，最大沉降允许值为45 mm。

2)基坑东侧北段临近地铁盾构区间，基坑坑底位置支护桩水平变形量≤15 mm，将地铁轨道变形控制在允许范围内。

3)基坑东侧南段临近地铁福田站，地铁连续墙水平变形量≤5 mm。

4)基坑变形警戒值取上述允许值的80%。

4. 2监测结果

1)坑顶沉降

基坑边共布置12个沉降监测点，测得的主要测点坑顶沉降如图4所示。

图4沉降变化曲线

基坑边沉降最大为10. 25 mm，满足基坑沉降的控制标准要求。

2)支撑轴力

内支撑结构上主要布置12组支撑轴力监测点，测得的主要测点支撑轴力如图5所示。

支撑轴力比较离散，支撑轴力变化主要发生在前期土方开挖阶段( 2012年3月—2012年11月)，底板和地下室施工期间( 2012年11月以后)变化较为稳定，ZL12- 2测点最大值1 687 kN，小于计算值3 220 kN，说明本项目基坑实际受力情况小于设计荷载，基坑支撑受力较为安全。

图5支撑轴力曲线

3)水平位移

共布置10个水平位移监测点，测得的主要测点坑顶水平位移如图6所示。

图6水平位移变化曲线

监测表明基坑水平位移主要发生在土方开挖阶段，基坑开挖结束后位移趋于稳定，最大位移发生在基坑西侧，达到了9. 5 mm，小于三维有限元计算结果( 20. 3 mm)，远小于位移控制值0. 25% H( 45 mm)，说明基坑实际变形与设计参数和现场实际施工情况相关，实际受力比理论计算要小。

4)围护结构倾斜

共布置7个围护结构倾斜监测点，测得的地铁结构主要测点CX03倾斜情况如图7所示。

图7测斜孔不同深度水平位移变化曲线

测试数据表明:在基坑支撑点有明显的变形拐点;地铁福田车站总的变形量较小，最大约为6. 2 mm，与有限元分析结果基本相近，较好地保证了车站的正常使用。

5　结语

1)本项目采用Ansys软件进行基坑支护结构与地铁车站三维模拟分析，外荷载为通过剖面计算结果转化的均布荷载(车站东侧外荷载减半)，并根据实际情况设定边界条件，基坑坑顶最大位移约为20. 3 mm，坑边最大沉降为10. 25 mm，分别小于规范要求的一级基坑0. 25% H和30 mm的要求，计算结果表明基本符合工程实际。

2)在场地有限的情况下，利用既有地铁车站连续墙结构作为支护结构，通过合理设置支撑位置，保持地铁结构的受力均衡，能够较好地解决紧邻地铁深基坑工程施工空间限制问题。

3)三维有限元分析和实测数据表明该方案利用地铁车站连续墙作为基坑围护结构是合理的，满足地铁结构受力和位移控制要求，确保了该项目的顺利实施。本项目可为今后类似工程提供借鉴。

参考文献

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［11］中华人民共和国住房和城乡建设部．JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．

(责任审编孟庆伶)

Support design of certain deep foundation pit near metro structure and its monitoring analysis

WANG Xiuli1，SHU Lihong1，HE Chunbao2
( 1．Xi'an Railway Vocational＆Technical Institute，Xi'an Shaanxi 710600，China; 2．College of Water Conservancy and Civil Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou Guangdong 510642，China)

Abstract:Constrained by space limitations，the deep foundation pit project closed to the metro station side made use of the existing station diaphragm wall as retaining structure，and rotating drill pile with interior support and prestressed anchor cable were used in the other sides according to geological conditions．T he key of the foundation pit project was how to control the affect of foundation pit excavation on metro structure．In order to accurately analysis the influence of foundation excavation on metro station and tunnel structures，3D finite element model was established based on the foundation pit 3D solid model．A monitoring system including the settlement of foundation pit，horizontal displacement，and axial force of interior supporting structure was proposed to ensure the construction safety．T he results and measured data according to design scheme of foundation pit show that the support deformation and force meet the criterion request，and the supporting structure scheme is feasible．T his design project can be a reference for similar engineering．

Key words:Deep foundation pit; Foundation supporting structure; Design and calculation; M onitoring

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0080-04

作者简介:王秀丽( 1973—)，女，副教授。

收稿日期:2015-09-16;修回日期: 2015-11-26

中图分类号:TU94+2

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．20