处理既有基坑锚索侵入地铁基坑的方案设计

付一平， 张呈祥， 尹 俊， 顾 蓉， 张 安

(中铁工程设计院有限公司上海分公司， 上海 200000)

0 引言

随着我国城市地下空间的开发，城市地铁建设发展迅猛，地铁车站基坑越来越多的出现在城市中心区及人口密集区，给地铁建设与设计带来了许多新的技术问题。在盾构隧道施工过程中，由于已有建筑物基坑锚索未拔除，影响隧道盾构施工的情况屡见不鲜，吕建凯[1]、傅春青[2]针对隧道盾构区间遇到锚索障碍物群的问题进行了研究，通过采用人工挖探井、液压千斤顶拔锚法，成功将盾构前方锚索全部清除，消除了盾构在锚索区群内掘进的风险； 林生凉[3]、王欣[4]、乔海洪[5]分别针对福州及石家庄地铁某盾构区间遇到锚索障碍物的问题进行了研究，通过采用全套管全回转钻机切索法破除锚索障碍物的技术，解决了锚索阻碍盾构施工的问题； 李广良[6]以郑州地铁1号线某盾构区间遇锚索障碍物群为研究对象，在竖井内采用轻型拔锚机通过人工挖孔的方式清除锚索，解决了大面积深埋锚索对盾构施工的影响，避免了大面积开挖拔除锚索对周边环境造成的影响。对于已建建筑物锚索未拔除影响盾构区间施工的问题，已有较多成功案例。

然而，对于在建住宅基坑因建筑设计方案调整无法继续施工，其采用的可回收锚索侵入地铁车站基坑内，导致地铁车站基坑无法施工的情况，相关工程案例较少，在后期车站基坑开挖过程中，邻近存在既有基坑的情况更是毫无案例可寻。在确保既有基坑安全稳定的前提下回收锚索，并在后续车站主体基坑开挖过程中保证两处基坑的安全与稳定，是一项新的任务难题。为此，本文以昆明轨道交通4号线某地铁车站工程为例，对于侵入车站基坑的既有基坑锚索，采取针对性设计处理方案，在不影响既有基坑安全、稳定的前提下，拔除锚索，并完成地铁车站地下连续墙施工及基坑开挖工作。

1 工程概况

昆明轨道交通4号线某车站位于昆明市普吉路与二环北路交叉口西北侧规划绿地内，车站沿二环北路北侧呈东西向布置，车站上方为规划道路。地铁车站总长185.0 m，宽约20.0 m，基坑标准段深约12.5 m。基坑场地内土层物理力学参数如表1所示。

表1 土体物理力学参数

地铁车站北侧为某工程既有基坑，最近处距离车站基坑13.89 m。既有基坑采用钻孔桩+可回收锚索围护体系，现开挖深度约8 m，由于其工程建筑设计方案调整，既有基坑无法继续施工。既有基坑锚索侵入车站基坑，影响地下连续墙施工范围长约80 m，导致车站地下连续墙无法施工。既有基坑锚索与车站地下连续墙平面关系如图1所示。

2 设计难点及处理方案比选

2.1 设计难点

1)既有基坑采用钻孔桩+可回收锚索支护型式，基坑东侧紧邻城市主干道普吉路，道路交通繁忙，路下管线密集，确保回收锚索后既有基坑自身的安全与稳定成为重要设计问题。

图1 既有基坑锚索与车站地下连续墙关系平面图

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

2)由于既有基坑施工进度缓慢，车站基坑施工进度迅速，如何确保车站基坑开挖期间既有基坑与车站基坑的双重安全与稳定，又是一个设计难题。

2.2 设计方案比选分析

为解决上述设计难题，通过方案比选的方式，选取最为经济可靠的设计方案。具体方案情况如下。

1)方案1： 对既有基坑采取部分回填措施。由于该既有基坑开挖暴露时间已达2年，基坑自身安全稳定性下降，采取基坑部分回填措施后可确保基坑自身的安全，对周边环境影响也会降至最小，同时也能保证车站基坑在开挖期间的安全与稳定。此方案需与既有基坑业主沟通协商，基坑部分回填后需待车站基坑结构完成后才可继续开挖[7]，且既有基坑需重新进行支护方案设计。

2)方案2： 既有基坑内增加内支撑。利用既有基坑钻孔桩围护结构，基坑内部增设2道混凝土内支撑，待内支撑施作完毕后，回收锚索。此设计方案能够有效控制基坑变形，避免方案1中基坑部分回填及再次开挖的施工工序，同时也能保证既有基坑的安全与稳定，但调整后的支护结构方案同样需花费高额施工费用。

3)方案3： 向车站基坑侧放坡。利用既有基坑与车站基坑中间的富余空地，采取向车站方向放坡，并在既有基坑内回填部分土方，对影响车站地下连续墙施工范围内的锚索进行拔除。此方案可以保证既有基坑的安全与稳定，同时与方案2比较，可以大大减少因既有基坑围护方案调整所带来的高额处理费用。但由于既有基坑距离车站基坑最近处约14 m，此方案在后期车站基坑开挖期间，由于车站地下连续墙后方有效土压力的减小，可能会对车站基坑产生安全隐患。

3种设计处理方案对比结果如表2所示。

表2 设计方案比选

3 设计方案

通过方案比选与研究，为保证车站基坑及既有基坑的安全与稳定，并考虑相关经济性等因素，经与既有基坑业主方沟通与协调，采取方案3。具体措施步续如下： 1)对既有基坑顶部土方采取1∶1.5放坡，并在边坡处喷射150 mm厚的C20混凝土，内配钢筋网片； 2)根据既有基坑最新地下室坑底标高，基坑内回填厚1.37 m的土方并压实； 3)在既有基坑坡顶、底处设置排水沟； 4)拔除最下道锚索，土方回填至既有基坑最新坑底设计标高, 并对土方进行压实； 5)回填梯形土方至第2道锚索后拔除回收第2道锚索； 6)梯形土方回填至设计标高，拔除回收第1道锚索； 7)破除围护桩及止水帷幕至边坡底部，并增设冠梁。

为了保证车站基坑在开挖期间的安全与稳定，更改车站基坑围护结构设计方案[8-11]，原车站基坑设计方案采用地下连续墙+3道内支撑的支护型式(首道为混凝土支撑，其余为钢支撑)，现方案调整为地下连续墙+3道内支撑的支护型式(第1、2道为混凝土支撑，第3道为钢支撑)。锚索拔除后既有基坑与车站基坑剖面如图2所示。

图2 锚索拔除后既有基坑与车站基坑关系剖面图(单位： mm)

4 模拟计算

4.1 模型选取

为确保既有基坑及车站基坑的安全，合理反映基坑开挖卸载对周边环境产生的附加变形影响，通过采用二维弹塑性有限元分析方法，利用PLAXIS软件模拟基坑体系非线性变形下的坑周地层应力场和位移场，对既有基坑锚索拔除及车站基坑开挖施工进行模拟。

建模范围为车站基坑开挖影响范围内5倍开挖深度的土体，根据以往工程经验、实测数据以及该工程的规模，此范围已基本满足模拟土体的空间半无限体特性。围护和支撑结构均采用弹塑性Beam单元模型来模拟。Beam单元为3节点平面单元，弹塑性模型可以较好地模拟结构非线性力学特性。土体采用15节点平面单元及摩尔-库仑(理想弹塑性)材料模型来模拟。计算参数按实际地勘报告数据选取。计算分析通过分荷载步求解来模拟施工工况，通过单元的“激活和冻结”手段来模拟锚索拔除及土体开挖的过程[12-15]。

4.2 模拟结果

4.2.1 既有基坑锚索拔除模拟结果

利用PLAXIS有限元方法模拟锚索拔除过程，既有基坑最大水平位移和最大垂直位移分别如图3和图4所示。根据图3和图4模拟计算结果可知： 既有基坑因锚索拔除引起围护结构及土层产生的最大水平位移为16.4 mm，放坡段顶部最大水平位移为8.4 mm，车站外侧土体最大沉降量为16.3 mm，既有基坑内土体最大沉降量为16.3 mm。

图3 既有基坑最大水平位移图(单位： mm)

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

图4 既有基坑最大垂直位移图(单位： mm)

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

4.2.2 基坑开挖期间模拟结果

车站基坑地下连续墙围护结构水平位移和车站基坑最大垂直位移分别如图5和图6所示。根据图5和图6有限元计算结果可知： 因车站基坑开挖而引起车站地下连续墙产生的最大水平位移为25.5 mm，车站外侧土体最大沉降量为38.4 mm，既有基坑内土体最大沉降量为20.2 mm，车站基坑内土体最大隆起量为79.5 mm。

4.2.3 数值模拟结果分析

根据模拟计算结果，既有基坑因锚索拔除引起自身围护结构产生的最大水平位移为16.4 mm，小于设计控制要求(20 mm)，坑内土体最大沉降量为16.3 mm，也小于设计控制要求(20 mm)； 车站基坑开挖期间地下连续墙最大水平位移为25.5 mm，小于设计控制要求(30 mm)，坑外土体最大沉降量为38.4 mm，小于设计控制要求(50 mm)，既有基坑内土体最大沉降量为20.2 mm，也小于设计控制要求(30 mm)。综上，既有基坑内锚索拔除后的围护结构变形量满足设计要求，而且在车站基坑开挖期间，既有基坑与车站基坑均能安全、稳定，采取的既有基坑锚索拔除的设计方案是可行的。

图5 车站基坑地下连续墙最大水平位移图(单位： 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 现场监测结果

现场监测数据选自距离既有基坑最近处的地下连续墙最不利监测点，即测斜最大变形处。将数值计算结果与现场实际监测结果进行对比，结果如表3所示。可以看出，既有基坑放坡段最大水平位移为5 mm，实测数据略小于模拟计算结果(8.4 mm)，实测坑外土体竖向最大沉降为43.8 mm，略大于模拟结果(38.4 mm)，这是由于此处为既有基坑施工便道，重型车辆及机械均从此处经过导致的。

表3数值模拟结果与监测结果对比

Table 3 Comparison between numerical simulation results and site monitoring results

mm

地下连续墙墙身侧向位移随开挖深度的变化如图7所示。从图7中也可看出，距既有基坑最近处车站基坑地下连续墙的最大变形量为27 mm，略大于模拟结果值(25.5 mm)，但在设计要求(≤30 mm)的控制范围之内(由于此处墙体内测斜管底部被堵，故监测数据按墙顶变形为0点进行测量控制，墙底变形量为17.4 mm，墙底变形量与计算结果存在偏差)。

图 7 墙身侧向位移随基坑开挖深度的变化

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

从对比结果可以看出，现场实际监测数据与模拟结果较为吻合，利用有限元模拟可以较为准确地预测实际工程的施工结果，为工程施工提供参考依据。

6 结论与建议

1)对影响车站主体基坑地下连续墙施工的既有基坑支护方式进行更改，利用既有基坑与车站基坑中间的富余空地，采取向车站方向按1∶1.5坡度放坡，并在既有基坑内回填土方的设计方案，对既有基坑锚索进行拔除，顺利完成车站主体基坑地下连续墙合拢，解决了既有基坑锚索影响车站基坑地下连续墙施工的问题。

2)既有基坑离车站主体基坑最近处约14 m，为保证车站基坑在开挖期间内的安全，将第2道钢支撑调整为混凝土支撑，避免出现车站地下连续墙邻近既有基坑侧可能因有限土压力问题引起的安全隐患，保证车站基坑的安全与稳定。

3)根据PLAXIS有限元模拟结果可知，既有基坑因锚索拔除引起围护桩体最大变形为16.4 mm，放坡段顶部最大水平位移为8.4 mm，坡顶土体最大沉降量为16.3 mm，车站主体基坑开挖期间地下连续墙最大变形为25.5 mm，地表土体最大沉降量为38.4 mm，模拟结果满足设计要求，可为施工提供相关参考依据。

4)根据现场监测结果，在车站主体基坑开挖至坑底工况下，既有基坑放坡段实际最大水平位移为5 mm，距既有基坑最近处车站基坑地下连续墙最大变形为27 mm，实际监测数据与有限元模拟结果较为吻合，车站基坑与既有基坑均安全、稳定。

5)车站基坑北侧既有基坑锚索拔除虽已完成，车站主体结构也已施工完毕，但在轨道交通建设筹划初期，应对沿线周边建(构)筑物进行充分调查，必要时应调整站位，避免类似情况的出现。

6)两处基坑中间最近距离约为14 m，车站基坑开挖期间存在两侧土压力不一致的问题，后续建议对有效土压力与支撑抗力间的关系作进一步研究。