考虑岩面埋深的地铁基坑支护分析

吴俊峰 徐淼升 郭剑锋

摘 要：浙中红层地区具有典型的土岩组合地质条件，经调查，在金华轨道交通深基坑工程中普遍存在地质条件和支护结构相似，但岩面埋深变化较大的情况，大部分基坑开挖深度范围内的强风化-中风化岩体占到总量的50%以上。鉴于土、岩物理力学特性差异明显，为分析不同岩面埋深对基坑支护工程的影响，本文以金华轨道典型土岩基坑支护工程为例，使用理正软件建立模型，分析了岩面埋深对支护结构稳定性、支撑轴力和地表变形的影响。取得的成果可为区域内类似工程设计施工提供指导建议。

关键词：岩面埋深;基坑支护;稳定性;地表变形

0 引言

随着地铁、管廊等城市地下空间建设的广泛开展，深基坑工程在我国已不是难题，但如何对不同地质条件下的基坑设计、施工进行优化一直是研究的热点。很多学者通过总结上海、杭州、宁波等地区的多种支护形式的基坑，来分析地质环境与围护结构变形的关系，提出丰富的优化成果[1]。雷刚[2]等依托青岛地铁1号线对土岩组合地层明挖基坑桩撑体系的设计进行了优化。黄敏[3]、郑学东[4]等使用有限元对土岩组合地层深基坑的开挖变形性状进行了研究。蔡景萍[5]、李淑[6]、李少波[7]、徐洪钟[8]对青岛、北京、厦门、南京等地土岩组合深基坑的嵌岩深度和地表变形进行了统计分析，成果丰富。金华等浙中城市具有典型的粉砂岩上覆粘土层的红层土岩组合结构，金义东轨道交通建设涉及到多个大型土岩组合深基坑项目，它们大都使用灌注桩加内支撑的围护结构形式，施工方便、支护效果较好，本文在此基础上使用数值计算对不同岩面埋深的深基坑稳定性和变形进行分析。

1 案例模型概况

1.1 围护结构简介

金华轨道某地下三层11 m岛式站台车站深基坑围护结构采用钻孔灌注桩+内支撑形式，桩径1 m，桩间距1.2 m，桩体嵌固深度为5 m，开挖深度约24 m，共设4道内支撑。第一道为砼支撑，第二、三、四道为钢支撑，各支撑间距分别为6.8 m、6.5 m、5.5 m。随基坑开挖，桩间土采用挂网喷射混凝土支护，典型围护剖面如图1所示。

1.2 工程地質条件

场地地层由上至下依次为：①素填土，层厚1.4 m～6.8 m;②粉砂，层厚0.6 m～1.3 m;③圆砾，层厚1.9 m～4.9 m;④强风化泥质粉砂岩，层厚0.4 m～2.0 m;⑤中风化泥质粉砂岩，层厚6.0 m～34.0 m。中风化泥质粉砂岩层顶面在地表以下约9 m处（土岩分界面），各土层物理力学参数指标如表1所示。

场地内水系属钱塘江水系范畴，地表水体发育不明显，距离最近的武义江约为400 m～500 m，武义江与本场地地下水水力联系一般。勘探深度范围内地下水类型主要可分为潜水和基岩裂隙水，水位埋深2.70 m～6.50 m。地下水位埋深和变化幅度受季节和大气降水的影响，动态变化大，水位变幅一般在1.0 m～3.0 m。

1.3 模型基本信息

本次使用理正深基坑软件建立分析模型，相关参数见表2，围护结构按平面问题进行分析，取“荷载-结构”模式，采用弹性有限元法进行结构计算。在施工阶段，按施工过程进行受力计算，开挖期间围护结构作为支挡结构，承受全部的水土压力及路面荷载。其受力分析模拟了施工过程，遵循“先变位，后支撑”的原则，在计算中计入结构的先期位移值及支撑变形。

2 岩面埋深模拟分析

该案例实际岩面埋深为9.2 m，现假设岩面埋深分别为6 m、15 m、20 m、25 m，其它条件不变，分别计算得到了不同岩面埋深条件下的围护结构深层水平位移、地面沉降、轴力、桩中弯矩和整体稳定性系数。

2.1 岩面埋深对整体稳定性的影响分析

总体上岩面埋深与稳定性系数成反比关系（见图2），当岩面埋深在15 m以内时，整体稳定性系数变化不大，在1.78～1.8之间，曲率较小;若岩面埋深超过15 m，则稳定性迅速降低，埋深25 m时仅为1.47;若岩面埋深低于坑底标高，则整体稳定性系数小于1，支护结构失稳。

2.2 岩面埋深对围护桩深层水平位移的影响分析

由图3可见，桩的深层水平位移随着岩面埋深增加而增大，两者大致呈线性正比关系。当岩面埋深为15 m时，桩位移20.4 mm，近实测位移的2倍;当岩面埋深25 m时，桩位移达到40.4 mm，处于危险状态，所以当岩面埋深位于坑底及以下时，应增加支护措施，如增加桩体和支撑结构刚度、增加支撑道数、增加锚索支护或者采取其他加固措施，以减小围护结构的深层水平位移，保证结构安全。

2.3 岩面埋深对地表沉降的影响分析

总体上两者成正比关系，地表沉降量随着岩面埋深的增加而增大（见图4），大致呈线性增加，当岩面埋深为20 m时，地面沉降量达到46 mm，已超过该项监测控制值6 mm，须引起重视。此时基坑整体稳定性较好，但为更好的控制地表沉降量，减少施工对周边环境的影响，建议在岩面埋深为基坑开挖深度的0.6～0.8倍时，优化围护结构的支撑布置，增加支撑道数、加强支撑或者桩体刚度以减少地表沉降。

2.4 岩面埋深对支撑轴力的影响分析

根据支撑轴力与岩面埋深的关系曲线图，各道支撑轴力均随着岩面埋深增加而增大，但各有不同。第一道支撑的轴力随深度变化不大，均在2 000 kN以内;第三道支撑的轴力最大，当岩面位于坑底时，轴力超过5 000 kN;第四道支撑的轴力增速最快。分析为第一道支撑在地表以下2 m处，主要承受上部浅层侧向土压力，其它支撑部位的则向土压力随岩面埋深增加，变化较大，导致支撑轴力响应敏感，该现象与实测情况相符。在实际案例中第一道采用1 000 mm×

1 200 mm砼支撑，第二、三、四道支撑为φ609，t=16 mm钢支撑，该类型钢支撑极限承载能力一般上设为3 600 kN，因此当岩面埋深超过20 m时钢支撑存在失稳可能，在设计时需考虑增加支撑道数，增加支撑水平间隔，或将部分钢支撑替换为砼支撑，以保证结构稳定。

2.5 岩面埋深对桩中弯矩的影响分析

从关系曲线可以看出，随着岩面埋深的增加，围护桩中弯矩不断增加，设计需要增加配筋以增加抗弯能力。在岩面埋深9.2 m时，算得弯矩为358 kN.m，实际情况下灌注桩+四道支撑围护是合理的，但如果岩面埋深增加，特别是超过25 m时，必须增加支撑道数或者支撑的水平、竖向间距以减小围护桩的弯矩和位移。

3 结论

通过理论分析、模拟计算与现场实测相结合的方法，对假定岩面埋深的轨道深基坑工程的稳定性和变形开展分析，得出了如下结论：（1）随着岩面埋深的增加，基坑整体稳定性系数减小，岩面埋深在15 m以内，稳定性系数变化较缓，大于15 m，特别是岩面位于坑底及以下，整体稳定性系数迅速降低。（2）当岩面埋深位于坑底及以下时，应采取加强桩体和支撑结构刚度、增加支撑道數、增加锚索等其他措施进行加固，以减小围护结构的深层水平位移。（3）各道支撑轴力随着岩面埋深的增加而增加，第一道支撑轴力变化不大，第三道支撑轴力数值最大，第四道支撑轴力增加最快。（4）开挖25 m左右的深基坑，当岩面埋深15 m以内及浅埋时，使用4道撑是可行的，可以优化支撑竖向和水平向间距，以保证基坑和周边环境的安全。

参考文献：

[1]路林海，孙红，王国富，等.地铁车站支护与主体结构相结合深基坑变形[J].中国铁道科学，2021，42（1）：9-14.

[2]雷刚，贺彦卫，张晓霞，等.土岩组合地层明挖基坑桩撑体系设计优化[J].科学技术与工程，2021，21（3）：1150-1156.

[3]黄敏.土岩组合地层深基坑开挖变形性状研究[D].中国海洋大学，2013.

[4]郑学东.土岩组合地层有限岩土体基坑开挖变形研究[D].北京交通大学，2017.

[5]蔡景萍.土岩组合地层地铁深基坑地表变形规律研究[J].中外公路，2015，35（4）：23-29.

[6]李淑，张顶立，邵运达.复杂环境下北京地铁车站深基坑变形时空规律研究[J].北京交通大学学报，2019，43（4）：29-36.

[7]李少波.厦门轨道交通工程质量安全标准化管理与实践探索[J].工程质量，2019，37（10）：10-13+17.

[8]徐洪钟，崔文森，胡文杰.南京地区地铁车站深基坑变形性状分析[J].防灾减灾工程学报，2018，38（4）：599-607.