L形地铁换乘车站超深基坑支护结构设计优化分析*

金 平 王 涛 蔡海兵 龚永旺 黄 军

(1.中铁四局集团有限公司城市轨道交通工程分公司，230022，合肥；2.安徽理工大学土木建筑学院，232001，淮南∥第一作者，高级工程师)

地铁车站一般设置在人口比较集中的区域，周边环境较为复杂。基坑工程的设计既要保持支护结构体系和基坑自身的稳定，又要保证周边环境的安全。近年来，许多专家学者在深基坑支护理论和试验研究[1-2]、现场监测及数值模拟[3-5]等方面取得了诸多研究成果。文献[6]以北京地铁9号线为工程背景，采用北京理正深基坑分析软件对优化设计前后的基坑开挖情况进行了对比分析，发现优化后的设计方案在实际施工时发挥了良好的作用，且现场监测数据几乎与模拟结果一致。

现阶段，深基坑的支护结构设计与施工现场的契合度还不高。相比较而言，超深基坑在进行施工时，其所受的地质条件、周围环境及地下管线更为复杂。为此，在进行超深基坑施工设计及施工过程中，更要保证安全、耐久、经济和环保等要求。

本文以福州地铁4号线(以下简称“4号线”)和地铁5号线(以下简称“5号线”)洪塘路L形换乘车站超深基坑工程为研究背景，采用Midas GTS有限元软件对换乘节点处的基坑支护方案进行优化，并通过地下连续墙(以下简称“地连墙”)水平位移、内支撑轴力和周边地面位移的现场实测数据验证优化方案的可行性与安全性。本文研究可为其他类似基坑工程的施工提供设计思路。

1 工程概况

1.1 场地概况

洪塘站为4号线和5号线的换乘车站，位于洪塘路与闽江大道交叉口。4号线和5号线基坑分别沿洪塘路和闽江大道敷设，两者互为L形。4号线为地下四层双柱三跨结构，车站长为187.4 m，标准段宽为23.9 m，埋深为32.30～36.20 m。5号线为地下两层双柱三跨结构，车站长为265.5 m，标准段宽为22.7 m，埋深为17.75～20.35 m，半盖挖施工。

1.2 工程地质与水文地质

洪塘站主要地层为杂填土、粉质黏土、中粗砂、残积粉质黏土、残积砂质黏土和全强风化花岗岩。5号线初见水位埋深为1.20～6.50 m，初见水位标高为6.47～10.73 m；稳定水位埋深为1.30～4.00 m，稳定水位标高为6.14～9.95 m。4号线初见水位埋深为0.70～4.10 m，初见水位标高为5.44～9.80 m；稳定水位埋深为1.20～3.80 m，稳定水位标高为5.56～9.95 m。

1.3 原支护结构设计方案

洪塘站超深大基坑原设计为大开挖。5号线基坑支护形式为：0.8 m地连墙+1道混凝土支撑+2道φ800 mm钢支撑；4号线和换乘节点处坑支护形式为：1.2 m地连墙+4道混凝土支撑+3道φ800 mm钢支撑。

洪塘站超深基坑采用大开挖方式的缺点有：① 施工资源投入过多，浪费严重；② 受不同地层影响，基坑降水成为施工难题；③ 超深大基坑全暴露式开挖，施工风险比较高；④ 基坑大面积暴露会造成周边路面、建(构)筑物均匀或不均匀沉降；⑤ 4号线地连墙深为46 m，施工功效较低，造成整个基坑开挖时间滞后。

1.4 支护结构优化方案

1) 采用封堵墙将洪塘站分为5号线、4号线和换乘节点3个独立基坑。3个基坑彼此独立，分区开挖分区支护，规避基坑大面积暴露风险，且满足铺轨工期节点要求。

2) 4号线基坑支撑体系由原设计的4道钢筋混凝土支撑+3道钢支撑调整为4道混凝土支撑(0.8 m×1.0 m、1.0 m×1.0 m、1.4 m×1.2 m、1.2 m×1.0 m)+1道φ800 mm钢支撑；换乘节点处基坑由原设计的7道混凝土支撑调整为5道混凝土支撑；5号线基坑维持1道钢筋混凝土支撑+2道钢支撑不变。该方案按“结构层数加1”原则布置，更有利于结构板回筑，施工一层切除一层，其适用性较强。

3) 根据不同地层，3个基坑分别选择不同的降水方案。对于5号线富水砂层基坑，主要降(含泥)中粗砂层的孔隙承压水，根据单井降水量布置降水井，选择反循环钻机施工降水井，采用桥式滤水管；对于换乘节点和4号线超深基坑，主要降风化岩的孔隙裂隙承压水和基岩裂隙承压水，根据单井降水面积布置降水井，选择潜孔钻机施工降水井，采用桥式滤水管。

2 基坑支护数值模拟

2.1 计算模型

采用Midas GTS有限元软件对基坑施工过程进行动态数值模拟分析。以换乘节点为研究重点，模型尺寸为232 m(长)×240 m(宽)×100 m (高)。

根据详勘地质资料，将土体从上而下划分为8层。土体采用修正摩尔-库伦本构模型和三维实体单元进行模拟，采用弹性模型模拟钢筋混凝土结构。支护体系中，内支撑、冠梁等采用梁单元模拟，地连墙采用板单元模拟。边界条件为：模型顶面为自由面，无约束；底面所有节点施加位移约束Tx、Ty、Tz；侧面所有节点施加约束Tx、Ty；地连墙底部节点施加约束Tz，限制其竖向位移。地层物理力学参数如表1所示，支护结构物理力学参数如表2所示。

表1 地层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of stratum

表2 支护结构物理力学参数

对换乘节点超深基坑优化前后的支撑支护方案分别进行三维有限元模拟，重点分析地连墙水平位移、支撑轴力和地面位移的变化规律。优化前后的支撑布置方案有限元模型如图1所示。

图1 支撑布置方案有限元模型Fig.1 Finite element model of support layout scheme

2.2 施工阶段工况模拟

基坑施工阶段工况如表3所示。

表3 基坑施工阶段及施工步骤Tab.3 Foundation pit construction phases and steps

3 计算结果分析

3.1 地连墙水平位移计算结果

换乘节点处，优化方案施工过程中，各工况下的地连墙水平位移云图如图2所示。由图2可知，地连墙水平位移在整个基坑开挖过程中逐渐增大，且最大变形位置逐渐下移。当换乘节点开挖完成时，最大位移为26.145 mm。根据国家相关规范规定，支护结构最大水平位移不超过基坑开挖深度的0.15%，且不宜超过30.000 mm。优化后的5道支撑能够满足相关规范要求。

图2 地连墙水平位移云图Fig.2 Nephogram of underground diaphragm wall horizontal displacement

3.2 内支撑轴力计算结果

换乘节点处，按优化方案施工过程中，各个工况下的内支撑轴力云图如图3所示。由图3可知，当换乘节点深基坑开挖至坑底时，最大支撑轴力出现在第4道混凝土支撑上，最大支撑轴力为6 499 kN，能够满足混凝土支撑稳定性要求。

图3 内支撑轴力云图Fig.3 Nephogram of internal support axial force

3.3 地面位移计算结果

换乘节点处，优化方案施工过程中，各个工况下的基坑周边地面位移云图如图4所示。由图4可知，L形换乘车站基坑周边沉降最大值发生在4号线标准段，4号线最大地面沉降为14.782 mm。提取换乘节点模型周边地面沉降数据，换乘节点周边的最大沉降为11.971 mm，距基坑约13 m。

图4 地面位移云图Fig.4 Nephogram of ground surface displacement

4 数值模拟和现场实测结果对比

换乘节点处，监测点的位置分布如图5所示。监测点QCX31处的地连墙水平位移模拟值与实测值如图6所示。由图6可知，地连墙水平位移模拟值与监测值的变化规律基本一致。在地连墙深度为30 m处附近，模拟值与监测值达到最大值，分别为26.145 mm和24.390 mm。模拟值相对于监测值大了1.755 mm，这是由于现场环境复杂、土层分布不均匀,且模拟过程中未考虑地下水影响造成的偏差。

图5 监测点位置分布图Fig.5 Distribution diagram of monitoring points

图6 地连墙水平位移模拟值与实测对比

换乘节点处，在各施工阶段内,监测点TZL1-22处的内支撑轴力监测值与模拟值对比如图7所示。由图7可知，随着基坑开挖深度的增大，各道内支撑轴力均有所增大，第1道与第2道支撑在开挖过程中的内支撑轴力增大比较缓慢，第4道与第5道支撑增大速率较快，监测值与模拟值变化规律基本一致。

图7 内支撑轴力模拟值与实测对比

换乘节点处，在基坑开挖过程中监测点DBC31处的地面沉降监测值与模拟值对比如图8所示。由图8可知，换乘节点处基坑开挖至坑底时，模拟值与监测值的变化曲线呈凹形，监测值相对于模拟值偏大，这是由数值模拟过程中未考虑现场施工堆载和基坑非均匀降水等因素导致的。模拟地面的最大沉降为11.970 mm，出现在距换乘节点基坑边缘13 m处；现场监测地面的最大沉降为14.000 mm，也出现在距换乘节点基坑边缘13 m处，表明基坑支护结构优化设计是合理的。

图8 地面沉降模拟值与实测对比

5 结语

本文以福州地铁洪塘路换乘站L形超深基坑为工程背景，将换乘车站超深基坑分成3个独立部分，进行分区开挖分区支护。通过Midas GTS有限元软件对换乘节点处围护结构的水平位移、内支撑轴力和地面位移进行了综合分析，成功将换乘节点基坑原7道内支撑优化为5道内支撑。通过现场实测数据与模拟数据对比分析，获得以下结论：

1) 地连墙水平位移在基坑开挖过程中逐渐增大且最大位移位置逐渐下降；当基坑开挖至坑底时，地连墙最大水平位移模拟值为26.145 mm，实测值为24.390 mm，均在安全控制值内，满足设计要求。

2) 通过提取换乘节点深基坑支撑的轴力数据，由数值模拟得到的最大内支撑轴力为6 499 kN，出现在第4道混凝土支撑上；现场实测得到的最大内支撑轴力为5 756 kN，均在安全控制值内，满足设计要求。

3) 换乘节点周边地面沉降与现场监测数据的变化规律基本吻合。数值模拟得到的最大周边沉降为11.971 mm，现场实测值为14.000 mm，均出现在距换乘节点基坑边缘13 m附近，最大沉降值均在安全控制值内，满足设计要求。

4) 将超深基坑的原7道内支撑优化为5道内支撑的支护方案是安全可行的。通过增设封堵墙，将洪塘站超深基坑分为3个独立基坑，各自独立分区施工。这不仅从根本上避免了11 600 m2的基坑同时暴露，还降低了施工风险，保护了周边建(构)筑物的安全。整个L形地铁换乘车站的基坑施工突破了大面积、超深、多支撑等工程性难题，工期提前了约6个月，确保了5号线的节点工期。