相邻深基坑同期施工支护方案优化研究

2018-07-02马兆海

水利与建筑工程学报 2018年3期

马兆海

(中铁十四局隧道集团有限公司，山东济南 250101)

国民经济的快速增长，带来城市地铁修建的热潮。在寸土寸金的城市核心地带修建地铁，建设者们往往面临在有限空间内发挥出土体最佳利用效果的问题[1-2]。地铁基坑通常有深、大、建设周期长、周边环境复杂等特点，所以在土建施工阶段如何将工程风险降到最低，是地铁工作者首要考虑的问题[3-4]。济南东部核心区的发展逐年提速，伴随着R3线的开工建设，沿线周边存在诸多高层建筑以及规模较大的地下空间，对于相邻且同期实施的地铁深基坑与高层建筑深基坑案例时有发生。寻求经济性最佳且安全性最高的支护方式，对于基坑开挖变形控制以及节约国家人力物力等资源具有重要意义[5-7]。

根据已有资料，国内学者对相邻深基坑同期建设有了初步研究，例如，徐伟等[8-9]对软土特大深基坑同期施工过程监测数据进行分析，发现狭长基坑中部变形呈增大趋势，而边角位置变形影响较小。翟杰群等[10]对相邻深基坑中采用隔离桩进行了研究，发现隔离桩的长度、结构形式对隔离效果均有很大影响。阮含婷等[11]对相邻设计坑共同开挖进行了研究，发现相邻基坑影响范围约为基坑宽度的一半，且支护结构形式对影响效果作用显著。陈萍等[12]对相邻超大深基坑同步开挖进行了设计研究，分别设计了隔离桩、注浆加固等措施，发现刚性隔离效果较好。史海莹等[13]对相邻深基坑同步开挖进行了研究，发现在确保围护结构承载力的同时应采取防止坑间土体流失的措施，才能更好的保证基坑的稳定性。

研究学者对相邻深基坑建设作了一些研究，但针对上部为碎石层，下部为中风化石灰岩的“上软下硬”基坑研究较少。济南地区地质条件复杂多变，存在诸多不良地质，基坑开挖对周边扰动较为剧烈。本文以济南R3线奥体中心西站基坑开挖为工程背景，研究地铁基坑与高层建筑基坑共建条件下，不同支护方案的经济性与安全性，为济南地铁基坑的建设提供帮助。

1 工程概况

1.1 工程地质概况

车站开挖由上至下设计土层为：杂填土。①1层、黄土⑧层、粉质黏土1层、碎石1层、粉质黏土4层、中风化石灰岩、灰岩破碎层、全风化泥灰岩层、强风化泥灰岩层、中风化泥灰岩层。

杂填土①2层结构松散，自稳能力差，受扰动后力学性质较差，作为基坑边坡土层易坍塌，施工时应及时支护并加强支护措施。黄土为非自重湿陷黄土，局部具湿陷性；粉质黏土1层、粉质黏土4层，自稳能力一般，易发生坍塌；碎石1层黏聚力较差，易坍塌；全风化泥灰岩层岩芯风化成砂土状，施工扰动，易垮塌。基坑范围内局部存在溶洞及灰岩破碎体，开挖过程中易塌落。基坑范围内存在上部土层下部基岩的情况，通过现场地质调绘及区域地质资料，该区域岩层倾角约5°～8°，整体较平缓，基坑开挖过程中，施工扰动后局部岩面较陡部位上部土层可能沿基岩面滑动。车站地层物理参数如表1所示。

表1 岩土层物理力学参数

1.2 车站概况及周边环境特点

该站是济南地铁R3线与M3线的换乘站，车站沿奥体西路南北向敷设，位于黄金时代广场西侧。车站总长度354.6 m，标准段总宽度22.9 m，标准段基坑深度16.6 m～25.7 m，地面南高北低，地势高差较大，富土厚度地势高差较大，覆土厚度3.1 m～5.3 m，车站主体为地下两层三跨岛式站台车站。围护结构采用钻孔桩+内支撑支护体系、临近黄金时代基坑段采用桩+锚索支护体系。主体结构采用钢筋混凝土箱形框架结构，纵向标准柱跨为9.75 m。主体结构外侧设半包防水层。

如图1所示，经十路与奥体西路交叉路口的东北象限为现状黄金时代广场，西北象限为现状加油站和成城大厦，西南象限为转山，东南象限为济南市奥林匹克中心，周边均已实现规划。其中拟开工黄金时代A座(45层，200 m，筏板基础，3层地下室)基坑深17 m～20 m(与地铁基坑同深)，与地铁基坑间距约12.0 m。东侧已建成成城大厦(27层)基坑(坑深13.5 m，采用放坡+锚杆)距离结构外皮14.1 m，基坑锚杆少部分已进入结构围护桩内，施工时，需根据现场情况及定位进行局部破除。

图1基坑平面位置关系

2 支护方案选择

地铁基坑与黄金时代基坑建设单位分别为两家，导致两基坑存在建设界面，因此不能将两个基坑合并为一个异形基坑。在施工时序上，两车站同期施工，地铁基坑开挖深度较建筑基坑深(地铁基坑深21.2 m，建筑基坑深20.4 m)，且两基坑距离仅有5.5 m。两坑之间的土质与周边土质相同，由上往下依次为杂填土、黄土、粉质黏土、碎石层和中风化石灰岩，其中杂填土厚度2 m左右。考虑到经济性和安全按，提出三种支护方案。

方案1：两基坑均打设围护桩，围护桩参数为Ф1.0 m@1.5 m的钻孔灌注桩，地铁基坑灌注桩长度为27 m，建筑基坑灌注桩长度为26 m。围护桩顶部挡土墙采用C30混凝土；混凝土支撑采用800 mm×800 mm，钢支撑采用Ф609 mm的钢管支撑，壁厚t=16 mm。冠梁采用1.0 m×1.0 m的C40混凝土。临时立柱采用两种桩之间夹土，考虑到厚度不大，作用在两边围护桩的侧土压力较小。根据土压力计算，围护桩底部最大土压力为P=ξρgh=162 kN，其支护断面如图2所示。

图2支护方案1形式

方案2：两基坑均打设围护桩，桩参数与方案1等同。两种桩之间通过冠梁依靠钢梁连接，钢梁为壁厚5 cm的普通钢正方形断面空心结构，截面尺寸为高度×宽度=600 mm×600 mm，水平间距为1.0 m。在施工钢梁时，将表层杂填土进行清理，深度与钢梁高度等同。钢梁两端通过预埋钢筋与冠梁受力筋焊接在一起，钢梁顶部预冠梁顶部高度齐平，具体参数见图3中的大样图。共建段地铁基坑西侧围护采用锚索支护。

图3支护方案2形式

方案3：两基坑均打设围护桩，两种桩之间采用钢梁连接，钢梁参数与方案2等同。两基坑之间的桩身采用对拉锚索，由上至下锚索共设两道，两道锚索水平间距相同，均为1.5 m，同围护桩间距等同。第一道锚索距地面6 m，第二道距离地面深度12 m。锚索采用3Фs15.2钢绞线，锚固体直径为15 cm，两端固定在钢腰梁上；腰梁采用2[16a的普通槽钢，基坑两侧腰梁和锚索参数等同(见图4)。

图4支护方案3形式

3 仿真分析

3.1 模型建立

采用数值模拟手段对基坑开挖支护方案的稳定性进行分析，利用FLAC3D有限差分法计算软件建立三维数值模型，如图5所示为基坑开挖仿真模型。为减弱模型尺寸对模拟结果的影响，扩大模型宽度和高度，建立宽度×高度为80 m×60 m的三维模型[14-16]。模型总计52 350个单元,105 220个节点。模型下部为固定铰支座边界条件，四周均为水平链杆边界条件。在FLAC3D软件中，有塑性模型组，其中摩尔库伦模型可以模拟普通土壤和岩石的力学行为，如边坡稳定和地下开挖，可描绘松散胶结材料(黏土、粉质黏土、碎石层、岩层)的应力应变关系，因此根据地层参数将所有地层定义为摩尔-库仑模型，并根据每一层地勘参数对其进行赋值。基坑的围护桩、冠梁和腰梁采用实体单位模拟，对拉锚索采用Cable单元模拟。

图5三维数值模型

3.2 方案位移规律分析

3.2.1 方案1稳定性分析

图6为方案1下的基坑水平位移云图，由图6可以看出两基坑之间的土体(侧壁Ⅱ、Ⅲ)水平位移较大，其最大水平位移为52 mm，方向朝基坑内发展。根据《建筑基坑支护技术规程》[17](JGJ 120—2012)规范，对于安全等级为一级的排桩支护基坑，其安全变形允许值为50 cm，且设计人员认为，该基坑地质条件复杂，控制值应取80%，因此安全允许值为42 mm；相对于侧壁Ⅰ，最大水平位移为24 mm，可判断出该支护方案下，基坑间的土体处于不安全状态。由图6桩身水平位移曲线也可判断出，该方案下，桩身最大水平位移值为49 mm，位置发生在距桩顶11 m位置处。同时，侧壁Ⅱ和侧壁Ⅲ处的围护桩水平位移曲线呈对称状态，说明两桩之间土体几乎呈散落状态，侧压力系数等同。

图6方案1水平位移云图

3.2.2 方案2稳定性分析

图7为方案2下模型水平位移云图，该模型下基坑壁Ⅰ与方案1变形相似，最大变形值同样为24 mm；此时两基坑之间的土体的变形规律差异性较大，在横梁连接的加固作用下，基坑顶部土体位移受到限制，变形值较小；根据图9桩身水平位移可知，桩顶部水平位移值降低至8 mm，但桩身中部和下部受到中间土体的压力，且未有效的限制措施，导致水平位移较大，其数值为38 mm。该方案下，基坑仍处于较危险状态。

图7方案2水平位移云图

3.2.3 改进方案2稳定性分析

图8为横梁+对拉锚索加固方案下基坑水平位移发展规律位移云图，由图8可以看出，方案3下，基坑壁Ⅱ只在加固结构之间出现微小水平变形，其最大数值为16 mm，且基坑壁Ⅲ水平位移也较小。可见，在桩身增加对拉锚索，可有效限制两桩之间的土体变形，提高基坑稳定性，在技术层面，该方案可行。

3.2.4 各方案下支护桩变形规律

两基坑间的支护桩水平位移值直接反应坑壁的稳定状态，如图9所示，为3种方案下基坑壁Ⅰ、Ⅱ下桩的水平位移曲线。由图9可以看出，方案1中围护桩顶部出现较大水平位移，且由上至下逐渐减少，顶部最大位移值为49 mm；方案2中，桩顶之间设置横梁，限制了桩顶部位移，在距离桩顶13 m位置处，水平位移最大，最大值为38 mm，即横梁可降低桩身部分危险状态，但对于深部土体位移无明显限制效果；方案3中，桩身水平位移明显减少，在顶部横梁及腰部对拉锚索的加固下，桩身整体水平位移均降低，在第一道和第二道对拉锚索之间的桩身位移最大，数值仅为16 mm。