富水砂层基坑开挖对紧邻地铁结构影响分析

徐从杰，王观璐

（中交公路规划设计院有限公司 北京 100088）

0 引言

由于地铁结构保护要求的特殊性，运营阶段地铁周边设置相应保护区，在城市建设开发中，不可避免地要在地铁周边保护区进行施工，如管线施工、基坑开挖、新建地铁等，外部施工将影响地铁结构的应力平衡，引起既有地铁结构的变形［1-4］。外部作业施工时，通过加强设计方案和施工管控措施，降低外部施工对既有地铁结构的影响。外部施工对既有地铁结构的影响受地铁所处地质条件、新建工程与地铁接近程度、外部开挖深度和规模等因素影响。曹前等人［5］采用MIDAS/GTS有限元计算和监测数据分析黏土、砂岩地层中深基坑开挖对临近地铁车站结构受力变形特点；杨笑男等人［6］采用FLAC3D 软件计算分析黏土地层中深基坑开挖对临近区间隧道结构变形特点；闫静雅等人［7］结合监测数据对紧邻地铁车站的深大基坑对开挖分区、围护结构及加固方式进行研究以控制临近地铁车站的变形；马庆迅等人［8］对以黏性土、粉土和细中砂互层为主的深基坑开挖对地铁隧道结构变形进行分析。

对于富水砂层地层中与地铁车站进行大规模基坑开挖近接施工对地铁结构影响研究较少，本文采用数值分析手段分析共建阶段的原放坡开挖支护方案，和为满足运营期变形控制要求的灌注桩加混凝土内支撑方案变形特点。

1 工程概况

1.1 工程简介

某停车场紧邻地铁车站，拟建地下2层公共停车场及部分商业，平面图如图1所示，其用地面积为5 648 m2。设计室外坪为4.50～5.00 m，基底标高约为-6.50 m，基坑开挖深度约9.5～11.0 m。停车场采用框架结构，筏板基础。停车场与地铁车站B 出入口结构整体连接，原设计方案计划在地铁运营前开挖至基坑底，与地铁出入口同期建设。受各种不利因素影响，地铁开通运营后停车场仍未开始施工。

图1 新建项目平面Fig.1 New Project Plan

1.2 地铁结构概况

车站底板埋深17.2 m，车站宽18.3 m，高11.0 m，长203.0 m，为地下二层岛式车站，车站已开通运营。车站采用明挖顺作法施工，主体部分基底标高约-15.0～（-14.0）m，施工期采用地下连续墙+内支撑围护结构（局部采用钻孔咬合桩），墙厚800 mm，墙底标高约-27.0～（-24.0）m，为永久性支护结构，车站剖面如图2所示。

图2 车站剖面Fig.2 Station Profile （mm）

B出入口结构已经建成，预留与停车场相接条件。主体部分基底标高约-7.01～（-6.90）m，结构为C45 钢筋混凝土结构。施工期采用明挖顺作法施工，开挖时采用地下连续墙+内支撑围护结构，地连墙墙厚600 mm，地连墙深15.6～20.0 m，B出入口剖面如图3所示。

图3 B出入口剖面Fig.3 B Entrance and Exit Profile （mm）

1.3 工程水文地质条件

表1 地层参数Tab.1 Formation Parameter

2 基坑支护设计与数值分析

2.1 原基坑支护设计方案引起地铁结构变形分析

原基坑支护方案中，基坑单元1、单元3 为支护桩+锚索支护形式，单元2 为放坡开挖+土钉墙支护。采用旋喷桩与既有地铁围护结构相接，共同组成新的止水体系，基坑平面如图4所示。

图4 基坑支护平面Fig.4 Foundation Pit Support Plan

单元2（临近地铁车站位置）采用放坡开挖，喷射混凝土+土钉墙支护形式，坡面设喷射混凝土面层，厚100 mm，坡顶设击入式土钉固定，基坑从上往下共有4排土钉，土钉长1.0 m，倾角15°，土钉竖向间距2.0 m，单元2支护剖面如图5所示。

图5 基坑单元2剖面Fig.5 Foundation Pit Unit 2 Profile （mm）

原设计工况为B 出入口与停车场同期施工，按照现状要求，分析开挖与降水作用下对地铁车站竖向位移和水平位移的影响。基坑开挖分5 步进行，前4 步每层开挖深度2.0 m，最后一步开挖至基坑底，然后进行停车场结构施工，结构位移统计如表2所示。

表2 各施工阶段车站位移最大值统计Tab.2 Statistical of Maximum Isplacement of Station in Each Construction Stage

由表2可知，受基坑开挖和降水影响，结构水平位移和竖向位移变化较大。邻近地铁一侧采用放坡开挖，开挖卸载量大，车站侧向约束小，导致结构侧向位移大，放坡部分土体水位降低，进而引起地铁结构沉降，超过运营期结构变形预警值，原设计方案基坑开挖，B出入口结构将暴露出来，同时左右两侧土压力将不一致，产生偏压，该支护设计不满足运营期地铁保护要求。

2.2 新基坑支护设计方案引起地铁结构变形分析

考虑运营期地铁结构变形和地铁主体结构5 m特别保护区内禁止施工的要求，基坑支护结构方案进行调整，单元2 支护改为单排灌注桩+混凝土支撑的形式，内支撑截面尺寸1 000 mm×800 mm。单元1 和单元3支护形式保持不变，基坑支护平面图如图6所示，单元2包括4种支护剖面，其中临近地铁主体结构B-B剖面对地铁结构变形控制影响最大，剖面如图7所示。为了抑制混凝土支撑拆撑后围护结构的变形，肥槽采用流态固化混凝土进行回填。

图6 基坑支护平面Fig.6 Foundation Pit Supporting Plan

图7 B-B剖面Fig.7 B-B Profile （mm）

停车场基坑施工时，地铁结构周边地下水补给充分。基坑采用悬挂式止水帷幕，基坑内外水力联系未隔断，碎石土层为强透水层，渗透系数为20～25 m/d。停车场基坑开挖需考虑渗流对结构变形的影响。地下水水头云图如图8所示。地下水沿止水帷幕下端绕流，基坑周边水头上升明显，坑内外水头差达到7 m，止水效果较好。

图8 水头云图Fig.8 Water Head Cloud Picture

停车场施工打破地铁结构周边的原有渗流和应力平衡，使地应力重新分布，引起地铁结构发生变形。地铁结构变形影响因素主要体现以下几个方面：基坑卸载产生坑底隆起和停车场结构施做后的压缩变形；基坑围护结构产生的水平位移；地下水降低导致的固结沉降，结构位移云图如图9所示。

图9 车站结构位移云图Fig.9 Displacement Cloud Picture of Station Structure

数值模拟分析工况按照实际开挖工况设置，基坑分5 步开挖，前4 步每层开挖深度2 m，最后一步开挖至基坑底；开挖前先进行降水，水位降低至开挖面以下0.5 m，开挖完成后进行结构施工及覆土回填。

由表3 可知，B 出入口和车站主体水平位移相差较小，新支护方案采用强支护和流态固化土回填，停车场基坑的水平约束能力增强。竖向位移差距大，距达2 mm，B出入口的变形为车站主体结构变形的2倍，由于车站主体结构距离基坑开挖边线有一定距离，B出入口竖向位移受降水引起基坑周边土体固结沉降影响比主体结构更加明显。

表3 车站主体结构与B出入口结构位移最大值统计Tab.3 Statistical of Maximum Displacement of Station Main Structure and B Entrance Structure

由图10可知，新支护设计比原支护设计方案对地铁结构竖向和水平位移控制都得到提高，尤其体现在结构水平位移，由原来的3.40 mm 变为2.16 mm，水平变形为原来的63.5%，竖向位移由-2.76 mm 变为-1.88 mm，新方案竖向位移为原方案的68.0%。新支护设计方案支护单元2 采用灌注桩+混凝土支撑支护形式，较原采用放坡支护，基坑支护结构刚度变大，水平约束增强，新支护设计中基坑边线距离地铁车站结构更远，对水平位移控制有利，地铁结构北侧的土体水位升高，降低了地铁结构周边土体固结沉降引起的地铁结构附加变形。

图10 新旧基坑支护设计地铁结构位移最值统计Fig.10 Statistical of Maximum Displacement of Subway Structure for New and Old Foundation Pit Support

3 结语

因地铁车站由建设期变为运营期，原有基坑设计方案开挖影响无法满足运营期地铁结构变形控制要求，临近地铁基坑围护结构进行改变，由原放坡开挖方式变为灌注桩+混凝土支撑支护方案，采用数值分析手段进行地铁结构变形和渗流场分析。

⑴新支护方案提高支护结构刚度和采用流态固化土回填，与停车场基坑近接的B 出入口和远离基坑的车站主体结构水平位移基本一致，新支护方案水平变形控制能力提高明显。

⑵新支护方案开挖引起的地铁结构变形减小，水平变形为原方案的63.5%，竖向位移为原方案的68.0%。

⑶富水砂层地层基坑，采用悬挂止水帷幕，坑外水位高于坑内7 m，止水作用明显，由于B 出入口与停车场基坑近接施工，B 出入口的竖向沉降为车站主体结构的2倍，由降水导致的固结沉降明显，止水效果为B出入口竖向沉降的控制关键点。