某邻近地铁超大软土深基坑支护设计分析

杨世华

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年来，随着城市的不断发展，地铁轨道交通建设规模越来越大，邻近地铁的基坑也日益增多。基坑开挖往往会对邻近的地铁车站和隧道带来某种程度的安全隐患，尤其对软土地区，影响更大。基此，国家也出台了相关规范，对地铁隧道的变形要求极其严格。因此，选择合理有效的基坑支护设计方案和施工措施，控制基坑开挖对地铁结构变形的影响，确保地铁的安全使用，已成为当前工程界必须解决的问题和研究的热点[1-3]。

本文以福州某邻近地铁超大软土深基坑为例，提出了围护桩+一道钢筋混凝土内支撑+坑内被动区土体加固的设计方案，并采用大型有限元软件Midas GTS NX模拟计算了该基坑开挖对邻近地铁的影响，并将计算结果和监测数据进行对比，为类似邻近地铁软土深基坑工程的设计和施工提供借鉴。

1 工程概况

该工程位于福州市晋安区，设两层地下室，基坑呈不规则形状，长边长约200m，短边宽约170m，周长约720m，面积约2.7万m2，基坑开挖深度约9.8m。

场地南侧临近福马路和在建的地铁2号线，地下室外墙距离地铁2#线车站和隧道约29m～50m(<50m属于地铁保护范围)；北侧为埠兴路；东侧为空地，西侧均为已建厂房。

基坑与地铁关系平面图如图1所示。

2 工程及水文地质条件

基坑开挖范围内的影响土层主要有：①杂填土，厚约1.10m～4.80m；②淤泥，厚8.70m～25.70m；③含碎卵石砾(中)砂，厚0.40m～9.60m；④粉质粘土，厚1.30m～17.90m；⑤淤泥质土，厚1.90m～29.80m；⑤-1碎卵石，厚0.50m～5.10m；⑥粉(砂)质粘土，厚1.50m～12.00m；⑦碎卵石，厚0.90m～9.20m。

对基坑开挖有影响的含水层为③含碎卵石砾(中)砂层。该层稳定水位埋深1.20m～1.80m，水头标高约4.54m～5.83m，渗透系数k=11.14m/d。

3 基坑支护设计方案选型

3.1 基坑支护工程难点

(1)基坑规模大：基坑面积达2.7万m2，属大型基坑。

(2)基坑开挖深度深：基坑深度达9.8m，属一级深基坑。

(3)地质条件差：基坑开挖范围内为深厚淤泥层，该土层呈流塑状态，具有强度低、易扰动、易变形等特点，大大增加了设计难度。

(4)环境保护要求高：基坑南侧为已建的地铁2号线，地铁隧道与该工程地下室外墙最近距离29m，在地铁保护区(<50m)范围内，需严格控制基坑变形。因此，2号线轨道区间为该工程基坑开挖过程中的重点保护对象，保护要求较高。

(5)工期紧，进度要求高：该工程为商业性工程，对工期要求较紧。

3.2 支护结构

针对该工程的难点，基坑支护设计采取了相应的措施，以确保整个基坑工程安全、顺利、快速进行。基坑支护采用围护桩加一道钢筋混凝土内支撑形式，并对被动区土体进行了加固；同时，结合支撑系统设计了栈桥板，方便土方开挖和运输，以满足工期要求。

3.2.1支护结构设计

(1)围护桩

基坑南侧邻近地铁，环境保护要求较高。因此，该围护桩采用直径较大的钢筋混凝土灌注桩，以提高支护结构刚度，减少变形。通过理正深基坑软件初步计算确定，为使围护结构变形控制在20mm之内，灌注桩直径需1000mm，桩间距为1200mm。为满足基坑整体稳定性要求，桩长需穿透软土层进入相对好土层，最长达46m。止水帷幕采用φ850@600三轴搅拌桩，并在灌注桩和三轴搅拌桩之间增设一排高压旋喷桩，以尽量减少基坑漏水的风险。邻近地铁侧基坑支护剖面图如图2所示。

其余几侧远离地铁，不在地铁保护区范围内，且周边环境相对简单，对变形控制要求不高。为缩短工期、节约造价，围护桩采用SMW工法桩，三轴搅拌桩为φ850@600，内插HN700×300型钢，兼顾挡土和止水功能。

图2 邻近地铁侧基坑支护剖面图

(2)支撑体系

基坑开挖深度9.8m，且基坑开挖范围内为深厚淤泥层，按常规设计需采用两道支撑体系，若按常规则将大大增加施工工期，满足不了该工程工期进度要求。因此，设计在增加其他安全措施前提下，采用了一道钢筋混凝土支撑体系。①采用上部放坡形式，将支撑梁标高降低2m，以减少围护桩跨度；②增设被动区土体加固，以提高被动区土压力；从这2个方面减少围护桩弯矩和桩身变形。支撑采用角撑+对撑+桁架撑的布置形式，该形式安全可靠、造价经济、有较大的出土空间；同时，结合支撑梁设计了行车栈板，以方便土方开挖和运输。支撑具体布置形式如图3所示。

(3)坑内被动区土体加固

由于基坑开挖范围内存在深厚淤泥层，支撑体系采用一道内支撑，为控制围护结构变形，并对坑内被动区土体采用单轴双向搅拌桩进行加固。该搅拌桩属新技术，质量较有保证。靠近地铁侧加固宽度9m、深度8m；其余位置加固宽度6m、深度6m，采用格栅状布置。支撑平面布置如图3所示。

图3 支撑平面布置图

3.2.2支护结构施工要求

由于该基坑范围较大，支撑梁长度大，弹性变形较大，为了控制地铁一侧变形，采用不均匀开挖方式，远离地铁位置先开挖，靠近地铁一侧后开挖，尽量减少基坑开挖对已建地铁2号线的影响，要求基坑土方开挖顺序从北至南，即北侧先行开挖，南侧最后开挖。同时，要求开挖至基底后，及时浇筑垫层，施工底板尽量缩短基坑暴露的时间，以控制土体变形。

4 有限元数值模拟分析

为了较准确评估分析该基坑工程的围护结构变形情况，以及基坑开挖对邻近地铁隧道和车站的影响程度，该工程采用大型有限元软件Midas GTS NX对基坑开挖进行数值模拟分析，计算模型如图4所示。

图4 有限元数值模型

4.1 模型尺寸和边界

根据基坑开挖对周边的影响范围，合理选取模型尺寸可减少边界条件对计算结果的影响，计算模型尺寸为400m(X)×380m(Y)×65m(Z)。模型4个侧面约束水平方向( x 和 y)的位移，底部固定。

4.2 本构模型和单元类型

土体采用3D实体单元模拟，坑内被动区加固土体采用实体单元模拟，本构模型为修正摩尔库伦硬化模型；围护桩刚度等效为地连墙，宽度0.789m，采用板单元模拟；隧道衬砌采用板单元模拟，本构模型为线弹性模型；冠梁、支撑采用梁单元模拟，本构模型为线弹性模型。用界面单元模拟支护结构与土体的相互作用。

围护桩与地连墙刚度换算公式如下：

4.3 计算参数

土层计算参数如表1所示，围护结构及隧道衬砌计算参数如表2所示。

表1 土层计算参数

表2 围护结构及隧道衬砌计算参数

4.4 计算结果

图5为基坑开挖到坑底时的土体竖向变形云图。根据计算结果，基坑开挖至基底后，坑内土出现大面积回弹，大部分区域回弹量约28mm，围护桩边土体回弹量最大，回弹量最大值达39mm。

坑外地表沉降呈现明显的空间效应，越靠近基坑中部，沉降越大，沉降最大值为23mm。

图5 土体竖向位移(Z方向)云图

图6 基坑支护结构水平位移(X方向)云图

图6和图7分别为基坑开挖至坑底时，基坑围护桩X方向和Y方向水平变形云图。根据计算结果，该围护桩最大水平位移位于基坑底附近。东侧、西侧和北侧围护桩(SMW工法桩)桩身水平位移最大值约为30mm，南侧(邻近地铁隧道)围护桩(灌注桩)桩身水平位移最大值约为17mm，均满足相关规范要求。

图7 基坑支护结构水平位移(Y方向)云图

图8 隧道变形水平位移(X方向)云图

图9 隧道变形水平位移(Y方向)云图

图10 隧道纵向拱顶Z向位移云图

图8～图10为基坑开挖至坑底时的隧道变形云图。因轨道主要位于基坑的侧向，地铁水平位移受基坑开挖影响较大，轨道竖向位移受基坑开挖影响较小。根据计算结果显示，变形以Y向侧向变形为主，变形方向指向基坑开挖区域，最大侧向变形为2.6mm，沉降变形1.3mm。由于最大差异变形点之间的距离大于200m，最大差异变形小于0.13mm/10m，满足规范要求的4.0mm/10m。

图11～图13为基坑开挖至坑底时地铁车站结构X、Y、Z方向的变形云图。计算结果表明，X方向变形不足1mm，Y方向(指向基坑开挖区域)最大变形为3mm，Z方向最大变形为1mm，变形较小，均满足相关规范变形控制要求。

图11 地铁车站结构水平位移(X方向)云图

图12 地铁车站结构水平位移(Y方向)云图

图13 地铁车站结构Z向位移云图

5 监测结果

该基坑工程面积较大，深度较深，破坏后果非常严重，为保证基坑和相邻地铁安全，必须对基坑和地铁进行监测，以指导基坑工程顺利实施。

监测项目主要有：围护桩深层水平位移、坡顶水平位移和沉降、桩身应力、支撑梁应力、立柱竖向位移、周边道路和地面沉降、地下水位、地铁车站和轨道区间变形。目前该工程地下室已施工完成，根据监测结果显示，支护结构变形和受力正常，地铁车站和隧道变形正常，均满足相关规范要求。

5.1 围护桩桩身水平位移

图14为基坑开挖至坑底时南侧(邻近地铁)围护桩深层水平位移曲线图，从图14中可以看出，围护桩最大水平位移约为19.76mm，与有限元计算值17mm较为相符。

图14 CX10(地铁侧) 图15 CX2(非地铁侧)

图15为基坑开挖至坑底时其余位置(非靠近地铁侧)的围护桩深层水平位移曲线图。从图15中可以看出，围护桩最大水平位移约为39.35mm，相比有限元计算值30mm稍大些。

从围护桩深层水平位移曲线可以看出，变形曲线呈弓形，最大水平位移均位于地面以下约10m位置，即开挖面附近，监测变形数据符合桩撑支护结构理论和实际变形情况。

5.2 地铁车站和轨道区间变形

南侧地铁车站和轨道变形监测结果表明，其变形主要发生在基坑开挖阶段，基坑开挖至坑底，地铁车站累计最大水平位移量为 2.5mm，竖向位移量为0.9mm；地铁轨道累计最大水平位移量为 3.1mm，竖向位移量为1.2mm。在基坑工程施工期间，地铁车站和轨道的变形均较小，均小于《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T202-2013)规定的安全控制指标值(预警值均为10mm)，表明该变形处于可控状态，未对其产生不良影响。这也说明该基坑工程支护设计方案是成功的，地铁车站和轨道得到了很好的保护。

6 结论

(1)监测结果表明，该工程采用围护桩+一道钢筋混凝土内支撑+坑内被动区土体加固支护形式是成功可行的，既缩短了工期，又对地铁起到了很好的保护作用，值得同类工程借鉴和参考。

(2)邻近地铁一侧的围护桩采用刚度较大的灌注桩，坑内采用搅拌桩加固，可有效控制围护结构变形，减少对邻近地铁的影响。

(3)土方开挖时应先行开挖远离地铁侧的土方，后开挖靠近地铁一侧的土方，利用基坑的空间和时间效应来减少邻近地铁一侧围护结构的变形。

(4)数值计算结果与实测值较为吻合，表明数值计算模型合理可靠，精度较高。采用三维有限元软件分析基坑开挖对相邻地铁车站和隧道的影响程度，是一种有效可行的分析手段。