超深地铁基坑支护方案研究及实测分析

沈霄云

（1.中国电建华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省智慧轨道交通工程技术研究中心，浙江 杭州 311225）

1 概述

随着中国城镇化建设的不断推进，居民汽车保有量逐年提高，交通拥堵问题逐渐凸显。地铁作为利用地下空间的公共交通工具，使城市交通网络更加立体化，在一定程度上化解了交通压力。但是随着地铁建设规模不断扩大，地铁基坑深度也不断加深。更深的基坑需要抵抗更大的土压力，更高的水头差，基坑风险急剧增加。这就对设计者提出更高的要求，基坑设计不仅要求安全合理可靠，也要求更经济合理。

常规的地下车站设计，以杭州地铁为例，主要以多道混凝土支撑结合多道钢支撑的方案。因为随着基坑加深，钢支撑的支撑强度已无法满足，需要采用混凝土支撑来抵抗更大土压力，但是混凝土支撑施工进度缓慢，后期凿除不仅影响工期且造成较多废弃工程。常规坑底加固采用搅拌桩或者旋喷桩等水泥土加固，但是超深基坑导致加固垂直度精度下降，且成桩质量也下降。超深基坑比一般基坑内外水头差更大，使围护接缝的击穿率大大提高。

因此，超深基坑较一般基坑施工难度更大，施工风险也更大，如何通过合理经济的设计方案来确保安全是摆着设计师面前的难题。

本文通过对杭州地铁官河站设计方案的分析和实测数据的研究探讨一种合理的深基坑设计方案。

2 工程概况

杭州地铁官河站为地下四层岛式车站，埋深约32.7m，结构底板地层为粉质粘土和粘土。

图1 车站总平面图

3 设计方案优化

①多道支撑结合局部逆做楼板的“两明两暗”方案。常规深基坑设计一般采用明挖顺做，在周边条件不允许的情况下，会采用逆做法施工。本设计方案在研究中避免混凝土支撑后期凿除中产生废弃工程，将第二、三层楼板提前施工。

设计中采取如下措施：

a.两道楼板在基坑开挖中作为内支撑，抵抗围护变形，临时格构柱和地下连续墙支撑这两道楼板；

b.考虑到后期结构受力减少转换，格构柱永久和临时结合，格构柱在永久阶段结合结构柱设置（如图2）；

c.地下墙采用逆作法叠合墙的理念，将楼板钢筋采用接驳器的形式预埋入地墙内。基坑开挖阶段支承楼板及上方施工荷载，主体结构中，结合内衬墙形成抵抗结构侧向变形。这样既能解决逆做楼板竖向承载力的问题，也能减少内衬墙的厚度，减少混凝土用量。

地层物理力学性质表 表1

图2 格构柱永久结合混凝土柱

图3 局部楼板逆作法施工顺序

支撑体系调整为两道混凝土支撑+6道钢支撑+两道逆做楼板。

通过以上方案不仅能提高支撑整体刚度，且能减少后期凿除工作量，提高施工进度。

②格构式地下连续墙。本基坑浅层有近15m的砂性土，之下为24m深的深厚淤泥质土。结构底板座落在⑥2粉质粘土和⑧1粘土上。这两层土为杭州比较常见的软弱土，尤其在底板施做时会产生较大结构变形。因此，常规会考虑一定的坑底水泥土加固。但是本基坑深度较深，一般的搅拌桩和旋喷桩无法保证垂直度，且加固效果也较差。本次方案考虑采用格构式地下连续墙，通过采用提前在坑底设置一定地下墙，保证坑底的侧向抵抗变形能力。

图5 格构式地下连续墙详图

4 监测方案

因为本项目基坑为狭长矩形，为了使监测数据分析具有代表性，现选取基坑长边中点，基坑长边1/4处和基坑端部三个典型断面进行分析，即最不利的第二、四、八等三个单元的监测断面进行数据分析。

分析内容主要包括四个方面：墙体测斜、支撑轴力、土体测斜和地表沉降。其中墙体测斜和支撑轴力主要反映基坑本身的安全及变形情况，土体测斜和地表沉降则主要反映基坑开挖对周边环境的影响。

图6 监测横断面图

5 监测结果分析

5.1 墙体测斜

选取最不利的第二、四、八三个单元的监测断面（如图 7、8、9）。

由于后期监测中未保护好测点，3月12日之后无法进行测斜采集。

从三个测点的数据可以看出，混凝土支撑结合第四道钢支撑，施做完后围护结构变形有所减少，在下二层底板浇筑后，围护变形进一步减少。

图7 第二单元墙体变形最大值变化

图8 第四单元墙体变形最大值变化

图9 第八单元墙体变形最大值变化

但是在下三层底板浇筑后，围护变形并没预想的减少，反而不断增大。主要原因在于两道楼板施工后，开挖面已达到25m，尤其穿过两道板，到下方架设钢支撑，难度较大，且架设时间由原来8h增加到24h甚至更长，等钢支撑架设上后，往往围护已发生较大变形。因此，变形呈现不断上升的趋势。钢支撑架设完后，变形又得到控制，甚至底板施做完后也未发生较大变形。

监测项目 表2

图10 第二单元第一道混凝土支撑变化

图11 第四单元第一道混凝土支撑变化

图12 第八单元第一道混凝土支撑变化

以上分析可以看出，墙体测斜管能够直接反映地下连续墙的变形，且对开挖工况最敏感，能够直接反映基坑的变形情况。

结构楼板作为支撑结构能提供较大刚度，且能对围护变形进行有效控制，但是两道结构楼板的设置，严重影响了后续钢支撑的施工，反而会造成结构更大变形。坑底采用格构式地下连续墙，在一定程度上减少了坑底的变形。

5.2 混凝土支撑轴力

选取既最不利的第二、四、八三个单元第一道混凝土支撑轴力变化（详见图10、11、12）。

在杭州地区，第一道混凝土支撑进场因基底地层较软弱，经常会出现受拉的情况。从以上三个单元的第一道支撑数据可以看出，在第五道钢支撑施工之前，混凝土支撑呈现出接近2000kN的拉力。这说明，下二层底板刚度较大可作为围护转动的支点，结合第五道钢支撑及下面几道支撑的轴力，形成抵抗矩，使第一道混凝土支撑拉力逐渐减少。

而第三道和第四道钢支撑之间的第二道混凝土支撑，因其刚度较小，在土压力影响下，无法作为稳定的支点。

因此，支撑轴力与墙体测斜类似，都能直接迅速的反映基坑开挖工况和基坑本身的安全性。

逆做楼板的设置，能有效减少围护向外倾斜的被动破坏趋势，减少第一道混凝土支撑拉力，提高围护结构的稳定性。

5.3 第一道钢支撑轴力

选取最不利的第二、四、八三个单元第一道钢支撑轴力变化（详见图13、14、15）。

图13 第二单元第一道钢支撑变化

图14 第四单元第一道钢支撑变化

图15 第八单元第一道钢支撑变化

钢支撑轴力对初始预加的要求较高。从三个位置的第一道钢支撑轴力的变化可以看出。

①第八单元预加轴力220kN，约为设计要求预加轴力的1/3，导致基坑开挖中轴力一直较小，无法超过预加轴力，这就是施工中常见的支撑无法发挥作用。

②第四单元预加轴力400kN，约为设计要求预加轴力的0.8，钢支撑充分受力，支撑轴力不断变大，甚至承担部分其他支撑的轴力，但是支撑充分发挥作用。

③第二单元预加轴力450kN，约为设计要求预加轴力的0.75，钢支撑充分受力，最终达到设计轴力，效果较好。

常规施工中，预加轴力一般取设计轴力的50%～80%，因为钢支撑架设的原因，轴力在支撑顶紧前，会有一定轴力消散，因此最终预加轴力的大小，直接决定钢支撑的作用。

5.4 土体测斜

选取最不利的第二、四、八三个单元土体测斜的变化（详见图 16、17、18）。

图16 第二单元土体变形最大值变化

图17 第四单元土体变形最大值变化

图18 第八单元土体变形最大值变化

土体侧向位移对开挖工况不敏感，而是随着基坑开挖的过程逐渐发展，甚至在基坑封底后仍有一定程度的发展。

6 结论

根据对杭州地铁官河站的34m超深基坑支护方案和监测数据的分析：

①超深基坑采用多道支撑结合逆做楼板的设计方案，能有效控制围护结构变形，提高围护结构的稳定性。

逆做楼板，因其开孔率有限，尤其两道逆做楼板，对下方钢支撑的架设造成较大影响。

逆做楼板受制于永久结构，无法按计算调整架设位置。以官河站为例，车站32m深，设四层，地下四层结构层高超过8m，结合钢支撑无法及时架设，抵抗变形能力反而减小。

因此，逆做楼板不宜过多，同时应考虑下阶段支撑架设的便利性，才能实现有效控制变形。

②格构式地下连续墙对坑底施工，有一定作用，但是本工程无法对比试验，因此，需进一步研究其发挥作用的机理。

③钢支撑轴力很大程度取决于消散后预加轴力的大小，因此，施工中做好支撑轴力消散后的附加，能更好的发挥钢支撑的作用。

④土体侧向位移对开挖工况不敏感，而是随着基坑开挖的过程逐渐发展，甚至在基坑封底后仍有一定程度的发展。