地铁车站偏载深基坑围护结构设计研究

2022-03-03张兆伟丁杭春童孝红胡弘博

浙江建筑 2022年1期

张兆伟，丁杭春，童孝红，胡弘博

（杭州铁路设计院有限责任公司，浙江杭州 310043）

我国城市土地资源，特别是大中城市的土地资源越来越紧缺，因此地下空间资源开发利用快速发展，这就要进行大规模的基坑开挖工程。在基坑开挖施工过程中，地铁基坑一般位于市区内，周边环境复杂，基坑偏载的现象普遍存在，出现工程事故的案例也屡见不鲜。特别是以饱和软黏土地层为主的沿海地区，基坑周边偏载对基坑围护结构的影响更加明显。

对此，前人已经进行了大量研究。陈金友等［1］针对目前工程实际中存在的大量基坑不平衡开挖现象，提出了基于通用有限元程序ANSYS的二维分析模型。徐烨等［2］以南京地铁3号线明发广场站偏载深基坑工程为背景，采用二维有限元数值模拟分析偏载深基坑围护结构内力分布及变形形态。王亚楠［3］针对地铁基坑距离建筑物较近，研究分析偏载对基坑安全及围护结构受力影响。潘虹等［4］以上海某地铁车站附近两相邻深基坑项目为背景，采用有限元软件Plaxis建立二维模型，分析了相邻基坑不同开挖顺序对土体变形及相邻地铁车站的影响。黄珠微［5］以杭州某软土区深基坑为背景，模拟分析不对称坑边堆载时软土地区大型基坑开挖的变形。王强等［6］运用Midas/GTS有限元模拟软件，对某临近地铁隧道深基坑工程施工过程进行模拟分析。王鹏［7］以临近堆土区的南京某地铁深基坑工程为背景，对不同偏压距离、不同偏压荷载下的深基坑受力与变形规律进行了研究。在以往的研究中，大部分针对既有建筑物及坑边堆载，而针对基坑边存在重载便道动荷载的研究较少。

本文依托宁波某地铁车站附属风亭基坑，从现场实际情况出发，对基坑围护结构及周边地层的变形规律进行分析与总结。

1 工程概况

1.1 工程简介

宁波地铁某车站为地下二层岛式车站，标准段宽19.7 m，基坑深度15.96 m；端头井深17.81 m，宽度23.8 m，车站覆土约3 m。车站设置A、B两座风亭。

A风亭位于车站东北角，建筑面积1 195 m2，顶板覆土3.1 m，底板垫层底埋深9.30 m。见表1。

B风亭位于车站西北角，建筑面积1 178 m2，顶板覆土3.05 m，底板垫层底埋深9.05 m（表1）。

表1 风亭基坑开挖情况

1.2 基坑开挖期间场地布置情况

A风亭施工期间，场地布置见图1。A风亭南侧为车站主体东端头，根据盾构工程筹划，左线盾构接收，调头后右线始发。车站端头预留了盾构调头条件，上翻梁和端头区域框架柱在盾构施工完成后施工。盾构施工与A风亭同时施工，车站主体一侧不可以做施工重载便道。

图1 A风亭施工场地布置平面

A风亭施工期间，西侧B风亭区域为盾构施工场地，中间采用围挡隔离，重载便道设置在基坑北侧与宁波东方电力机具制造有限公司围墙栅栏之间约7 m宽的范围。基坑东西两侧为材料堆场或加工区。

B风亭施工期间，场地布置见图2。此时，车站主体已经封顶并回填覆土，A风亭和盾构区间已经施工完成。重载便道和材料堆场、加工区均位于主体结构顶板区域。

图2 B风亭施工场地布置平面

1.3 工程地质

A、B两座风亭所处地层基本相同，为宁波地区典型的软土地层。两座风亭位置地层从上到下依次为①1a杂填土、①2黏土、①3b淤泥质黏土、②2b淤泥质黏土、③2粉质黏土、④1b淤泥质粉质黏土、④2b粉质黏土、④2a黏土。地层参数见表2。基坑底均位于②2b淤泥质黏土层，围护结构底均位于④1b淤泥质粉质黏土层。

表2 地层参数

2 基坑围护方案研究

选取A风亭基坑针对基坑周边存在偏载情况，对围护结构进行分析比选。主要通过控制基坑周边超载、加强围护强度和转移荷载作用几个方面进行考虑。

2.1 周边环境

A风亭基坑周边荷载主要是位于基坑北侧的重载便道，主要用于渣土车的进出和工程材料（钢筋、钢支撑、商品混凝土等）的运输通道。同时，重载便道还作为基坑开挖、钢支撑吊装等施工作业的重载机械站位区域。

B风亭基坑周边重载便道、材料堆场及加工厂均位于主体结构顶板区域。只有基坑东侧，局部基坑开挖、钢支撑吊装机械站位在该区域。

A、B风亭北侧距离基坑约6.5 m有一根采用顶管法施工的DN1200污水管，埋深约7 m。

施工荷载在施工期间不可避免，若要控制其对基坑的影响，就要移出基坑影响区域或限制施工期间超载不超过设计要求的限值。地面超载一般按照20 kPa考虑，A风亭基坑按照30 kPa考虑。

2.2 围护结构选型

宁波地区以饱和软黏土地层为主，可以采用的围护形式有地下连续墙、SMW工法桩、TRD工法桩、钻孔灌注桩+止水帷幕等。

2.2.1 A风亭基坑围护选型

基坑北侧紧邻重载便道，A风亭基坑，东西长度48.85 m，局部55.45 m，南北宽度23.8 m，基坑深度9.32 m。基坑安全等级一级，环境保护等级二级。

根据以往工程经验，对Φ800＠1 000 mm钻孔灌注桩+Φ850＠600 mm水泥搅拌桩止水帷幕与Φ850＠600 mmSMW工法桩型钢密插两个方案进行比选。

内支撑设置3道，第一道支撑采用600 mm×800 mm钢筋混凝土支撑，强度C30；冠梁尺寸1 200 mm×800 mm；第2、3道为Φ609钢支撑。

坑底加固采用Φ850＠600 mm水泥搅拌桩，局部受废弃污水管影响区域采用Φ800＠600 mm高压旋喷桩，加固深度为坑底以下3 m。加固范围为裙边+抽条，宽度均为3 m。

2.2.2 B风亭基坑围护选型

B风亭基坑，东西长度为44.5 m，南北宽度为24.75～25.3 m，基坑深度9.05 m。基坑安全等级一级，环境保护等级二级。

根据类似工程经验和计算分析，围护结构选用Φ850＠600 mmSMW工法桩，型钢插二挑一，集水坑位置局部型钢密插。B风亭内支撑和坑底加固设置与A风亭相同。

2.3 围护形式比选分析

以A风亭为例，对Φ800＠1 000 mm钻孔灌注桩与Φ850＠600 mmSMW工法桩型钢密插两种围护方案，采用同济启明星深基坑计算软件FRWS7.2进行分析。

钻孔灌注桩方案围护嵌固深度为16.2 m，围护桩外侧止水帷幕深度为坑底以下6 m。SMW工法桩方案围护嵌固深度为16.6 m。

计算依据规范为《建筑基坑支护技术规程（JGJ 120—2012）》。钻孔灌注桩和SMW工法桩方案基坑围护方案见图3、图4。基坑内力变形计算结果见图5、图6。基坑计算结果对比见表3。

图5 A风亭钻孔桩方案内力和变形

图6 A风亭SMW工法桩方案内力和变形

表3 基坑计算结果对比

图3 A风亭基坑钻孔桩支护方案

图4 A风亭基坑SMW工法桩支护方案

通过上面计算结果可以看出，Φ800＠1 000 mm钻孔灌注桩与Φ850＠600 mmSMW工法桩型钢密插两种围护方案的计算结果差别不大，甚至个别方面计算结果，工法桩的安全系数甚至超过了钻孔桩。最后根据经验，选择钻孔灌注桩围护方案。

2.4 转移荷载作用

基坑周边活荷载对基坑安全的风险，主要是由于荷载通过基坑周边地层传递至基坑围护，引起基坑围护变形过大乃至失稳破坏。从这个角度出发，考虑通过采取措施改变基坑周边重载传递路径，不传递至基坑围护。可以在基坑北侧重载便道区域设置300 mm厚栈桥板，板下设置一排Φ800＠6 000mm钻孔灌注桩，桩长30 m。

此方案中重载便道上的荷载，通过栈桥板垂直传递至桩基，然后通过桩基传递至坑底以下土层，避免了超载引起的侧向土压力作用于基坑围护结构，可以有效降低基坑边超载对基坑的影响。但是此方案由于造价偏高而未能实施。

3 施工监测

3.1 A、B风亭基坑施工及监测情况

A风亭基坑于2020年3月11日开始开挖，3月28日收底完成，浇筑C30早强混凝土垫层，4月15日底板混凝土浇筑完成，6月15日，顶板混凝土浇筑完成。

B风亭基坑于2020年11月29日开始开挖，12月9日收底完成，浇筑C30早强混凝土垫层；12月18日，底板施工完成。

施工期间每个风亭4个监测断面，基坑东、西两侧各设置一个断面，北侧两个断面。

3.2 监测数据统计分析

对基坑围护水平变形和基坑边地面沉降监测数据进行统计，统计时段为基坑开挖至底板施工完成。基坑底位置围护水平变形曲线见图7、图8。基坑边地面沉降变化曲线见图9、图10。

图7 A风亭基坑开挖期间围护变形曲线（坑底位置）

图8 B风亭基坑开挖期间围护变形曲线（坑底位置）

图9 A风亭基坑边地面沉降变形曲线

图10 B风亭基坑边地面沉降变形曲线

底板施工完成后A风亭基坑CX02和B风亭基坑CX03两个测点处围护变形随深度变化曲线见图11、图12。基坑施工监测对比见表4。

图11 A风亭基坑围护变形曲线（CX02）

图12 B风亭基坑围护变形曲线（CX03）

根据以上两个风亭基坑监测数据，可以看出地质情况基本相同，基坑形状、规模接近的情况下，尽管A风亭基坑围护结构采用了Φ800＠1 000 mm钻孔灌注桩，A风亭基坑施工期间受基坑围护变形明显比B风亭基坑围护变形大，A风亭基坑围护最大水平变形112.45 mm，B风亭为81.95 mm。而且A风亭基坑局部出现围护侵限情况。开挖期间，A风亭基坑北侧重载便道一侧，重载便道及地面出现明显裂缝。

A、B两座风亭基坑施工监测数据对比见表4。根据监测数据对比，A风亭尽管采用钻孔灌注桩围护，但是基坑北侧受到偏载影响，围护结构水平变形及地面沉降较大。