地铁基坑工程坑中坑影响下的支护结构设计探析

2020-03-27吴子淇

工程建设与设计 2020年4期

吴子淇

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津300308）

1 引言

在地铁建设实际工程中，常遇到需要在深（大）基坑内进行二次开挖得到内部小坑来容纳局部结构的情况，或地铁与市政工程共建的情况，或“十”字换乘车站的方案。这些都会涉及坑中坑问题，但目前相关规范中没有涉及坑中坑具体情况，导致在实际工程中设计人员缺少依据，往往低估甚至于忽略坑中坑的不利影响，使基坑围护设计方案安全度不足，从而产生基坑失稳事故的发生。

2 坑中坑对基坑工程的影响

通常采用库伦土压力理论或朗肯土压力理论计算作用在基坑围护结构上的土压力值，但理论的假设与实际情况有一定的出入。一些试验结果证明，库仑土压力理论在计算主动土压力时，与实际较为接近；计算被动土压力时，其计算结果与实际相比往往偏大。郎肯理论由于没有考虑墙背边界条件，其计算结果与实际比较往往主动土压力偏大，而被动土压力偏小。故而在实际应用中，尤其针对软土地层，周边环境复杂的，多按郎肯土压力理论计算，有利于基坑的安全。对于存在坑中坑的基坑，由于2 种经典理论采用的是半无限土体的假设条件，而对较浅基坑被动区土体由于坑中坑的存在，属于有限土体范畴；对较深基坑主动区土体由于浅基坑的先期开挖，土体的固结影响，这些都会影响基坑计算模型的边界条件，而且大都为不利影响[1～3]。

3 坑中坑对基坑支护结构影响的应对措施

3.1 小型坑中坑

为满足地铁车站建筑使用功能，常需在主体深（大）基坑内进行二次开挖得到内部小坑，来容纳电梯井、集水井等局部结构（措施）的情况，这类坑中坑相对于深（大）基坑，体量小，二次开挖深度浅。

在设计上，合理布置坑中坑位置，尽量远离围护结构；优化局部结构体量，尽量做到坑中坑平面规则、深度浅，以减小坑中坑对支护结构的影响。视地层及周边环境的情况，采取必要的措施。在饱和黏土地层，周边环境较简单，可采取坑内放坡开挖；在软土地层，粉砂含水地层，周边环境复杂的，坑中坑影响范围内需采取地层加固措施。另外，应明确施工顺序，基坑开挖至设计标高后，尽快完成垫层施作，再进行二次基坑开挖。

3.2 较大、长条型坑中坑

以某地铁车站为例，车站主体沿城市主干道布置，另该主干道规划地下车行道。为合理利用城市地下空间，采取二者共建方案，同期明挖施工，另因二者宽度需要较大，为合理优化工程造价及工期，采取坑中坑支护方案。结构地下1 层为规划车行道；地下2 层为地铁站厅层；地下3 层为地铁站台层。顶板覆土2.5m，地下1 层底板埋深9.5m，地下3 层底板埋深23m。基坑支护根据承载能力极限状态进行设计，分别进行承载力计算和稳定性及变形验算。确保支护结构稳定，不产生倾覆、滑移和局部失稳，支撑系统不失稳。

根据经典的郎肯土压力理论，被动区无限土体滑裂面与水平面夹角，即剪切破坏角为45°+φ/2（φ 为土的内摩擦角）。针对本站浅基坑，被动区土体受坑中坑的影响，有限范围土体的土压力是小于普通半无限连续土体的土压力，即被动区土压力计算取值与实际相比偏大，对基坑安全是不利的，导致如抗倾覆安全系数（桩墙内侧被动区抗倾覆作用力矩总和/桩墙外侧主动区抗倾覆作用力矩总和）计算结果与实际相比偏大[4]。

对于内坑（坑中坑），由于外坑（浅基坑）开挖卸荷的影响，坑底以下的土体处于超固结状态，坑中坑的开挖将使作用在坑中坑围护体上的土压力由静止的侧向土压力分布曲线向主动土压力曲线发展，即按普通基坑计算方法得出的内坑外侧土压力与实际作用在内坑桩墙外侧的土压力相比偏小，这对基坑安全是不利的，导致如抗倾覆安全系数计算结果与实际相比也偏大[5]。

故而计算过程中需注意这些影响因素，对输入计算软件的参数进行修正。同时，为改善边界条件而采取措施，如浅基坑坑底土体加固措施，加强被动区土体；加强坑中坑支护结构的整体刚度。本站最终基坑支护方案主要图1 所示，外坑支护方案为SMW 工法桩+内支撑（第一道为混凝土支撑，设置临时立柱），坑底搅拌桩加固（厚度3m）。内坑支护方案为地连墙（浅基坑范围内为素混凝土）+内支撑（第一道为混凝土支撑，设置临时立柱）。如基坑周边环境复杂，地质条件较差，还可外坑坑底素混凝土垫层内增设构造钢筋。

3.3“十”字换乘节点坑中坑

以某“十”字换乘地铁车站为例，主要分析平面上坑中坑带来的不利影响及应对措施。车站与远期地铁线“十”字换乘，换乘节点处同期施工，采取坑中坑支护方案。

一般基坑支护结构，内支撑两端的受力是对等的，是一种平衡状态。而对于车站换乘节点坑中坑（斜撑支护体系），支撑两端的墙体所受土压力差异明细，必然会导致所受土压力较小的墙体向坑外移动，外侧土体隆起，墙体所受土压力值逐渐增大；同时，所受土压力较大的墙体向坑内移动，外侧土体下沉，墙体所受土压力值逐渐减小，直到二者达到新的平衡为止。而这些对基坑安全都是不利的[6]。

图1 某地铁车站主体围护结构横断面图

针对这类情况，可采取坑中坑坑外主动区土体加固措施，换乘段外转角处采用地层加固措施，加强坑中坑支护结构刚度（围护结构为地连墙，坑内第一道支撑采取混凝土支撑，设置封闭混凝土腰梁），另计算单根支撑弹性支点刚度系数时，对支撑不动点调整系数合理取值。地质条件允许的话，也可取消斜撑设置，长边采取对撑设置，短边处采取锚杆（锁）支护体系。