吳燕泉

（福建省建筑科學研究院，福建福州350025）

明挖地鐵配套的深基坑開挖卸載的計算與設計

吳燕泉

（福建省建筑科學研究院，福建福州350025）

以廈門軌道交通1號線杏錦路站基坑支護工程為案例，運用有限元和理正深基坑設計軟件，通過數(shù)值模擬結果分析基坑開挖坑底回彈的規(guī)律和不對稱開挖對地鐵工程的影響.研究發(fā)現(xiàn)，離基坑邊越遠、開挖越深，坑底土體回彈越明顯；土體不對稱開挖產(chǎn)生土體偏壓，樁前塑性區(qū)范圍與基坑開挖深度成正比，且在土體偏壓一側比另一側明顯.為保護地鐵工程結構的功能性和安全性，可采用排樁+預應力錨索結合排樁+內(nèi)支撐支護方案，解決基坑整體穩(wěn)定性和變形控制問題；可采用土方分層分段分塊、均勻、對稱的開挖方案，減少土體偏壓對支護結構的影響.

地鐵工程；基坑開挖；有限元；土體偏壓；坑底回彈；廈門；軌道交通1號線

隨著城市化進程的發(fā)展，地鐵隧道建成通車，城市軌道交通網(wǎng)絡日益完善，拉動了地鐵沿線特別是地鐵口經(jīng)濟的增長，因而地鐵沿線及地鐵口的開發(fā)將會成為城市的黃金地段.錯綜復雜的工程地質和水文地質決定了地下空間利用開發(fā)的困難性，基坑往往位于地鐵隧道之上、單側或兩側，必然會大大增加地下空間開發(fā)的復雜性和風險性.

基坑的開挖卸載引起地層損失，土體初始應力狀態(tài)發(fā)生改變，土體有效應力的重新分配造成土體發(fā)生形變，基坑不對稱開挖造成土體偏壓，土體開挖坑底回彈帶動地鐵工程結構變形等問題，對地鐵使用功能和安全性構成嚴重威脅.陳震等通過建立位于地鐵上部的基坑數(shù)值分析模型得到，基坑開挖對開挖面以下土體具有顯著的垂直方向卸荷作用，帶動土體中的地鐵產(chǎn)生位移，同時基坑開挖卸荷的速度和方式是直接影響既有地鐵變形的關鍵因素［1］.王衛(wèi)東等建立位于地鐵區(qū)間隧道正上方的基坑數(shù)值分析模型，考慮設計中隧道周圍土體加固充分利用時空效應開挖土方等重要措施，動態(tài)地分析了施工過程中開挖卸荷對地鐵隧道的影響［2］.伍尚勇等針對地鐵隧道雙側的深基坑建立數(shù)值分析模型，通過數(shù)值模擬結果與實測數(shù)據(jù)的對比分析及數(shù)值試驗等手段，分析雙側深基坑按不同順序開挖對穿越其間的已運營地鐵隧道的影響，得出兩基坑對稱開挖比不對稱開挖能更好地控制隧道水平位移［3］.因此，尋求合理的基坑設計方案，控制基坑開挖對地鐵軌道的影響是一個亟需解決的問題.為此，本文結合廈門軌道交通1號線杏錦路站地塊配套項目基坑支護工程實例，綜合運用有限元和理正深基坑設計軟件，模擬了基坑開挖對地鐵工程的影響，提出合理的基坑開挖設計方案，為基坑開挖保護地鐵工程結構的安全性和功能性提供參考.

1 工程概況

廈門軌道交通1號線杏錦路站地塊配套項目位于廈門市集美區(qū)，場地東側為杏錦路，西側為居民區(qū)，北側為董任站南地塊.場地原始地貌類型屬剝蝕臺地，周邊環(huán)境較為簡單，主要為已回填的廢棄鰻魚池、菜地、空地和已拆遷零星分布的工廠倉庫及低矮民房.場地內(nèi)有地鐵工程穿越，地鐵工程采用明挖法，支護形式由灌注樁+對撐和樁頂放坡組成，與基坑大致同時施工，基坑開挖過程中以地鐵工程優(yōu)先原則，保護地鐵工程順利施工.

現(xiàn)場地標高大部分區(qū)域在黃海高程3.0～4.0 m，西北側為兩層地下室，底板墊層底標高為黃海高程-5.70 m，挖深為8.7 m；其他區(qū)域為3層地下室，底板墊層底標高為黃海高程-9.80 m，挖深為12.8 m、13.3 m和13.8 m.穿越的地鐵工程基坑坑底標高為黃海高程-16.7～-17.774 m，出入口處的基坑坑底標高為黃海高程-9.70 m.地鐵工程內(nèi)穿基坑，基坑與地鐵工程結構平面位置關系見圖1.

圖1 基坑與地鐵工程平面位置關系Fig.1 PIan at foundation pit and subway

2 計算分析

地鐵工程優(yōu)先作業(yè)，而基坑與地鐵及出口處交叉點甚多，基坑的開挖處處都要考慮保護地鐵工程及附屬結構，因此地鐵工程安全保護范圍的基坑設計將是重點和難點.本文主要選取了基坑與地鐵左側收口處為例進行計算分析.

基坑地下室范圍線與地鐵輪廓線距離比較近，采用直接放坡處理，坡腳線退地鐵輪廓線距離采用有限元數(shù)值分析來確定.放坡采用理正深基坑計算軟件來計算，結果 （見圖2）為：第一級坡高4.3 m，平臺2 m，第二級坡高5 m，坡率均為1∶1.25，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)［4］為1.27的放坡支護.

圖2 放坡穩(wěn)定性計算結果Fig.2 ResuIt of sIope stabiIity

2.1 計算模型基本假定

圍護樁及支撐梁混凝土相對周圍土體強度和剛度都足夠大，模擬時采用線彈性本構模型；土體已經(jīng)完成固結作用，土體應力應變關系的非線性，模擬時采用摩爾庫倫模型.土體計算參數(shù)如表1所示.建立相應的幾何模型：土深為基坑深度的2倍，土寬度為基坑深度的3倍，以盡可能消除邊界效應對結果的影響.

表1 基坑支護范圍內(nèi)巖土體物理力學參數(shù)TabIe 1 PhysicaI and mechanicaI parameters of rock and soiI within foundation pit support

模型采用自由網(wǎng)格劃分方式劃分網(wǎng)格.邊界約束情況為：模型左右兩邊界面限制其x方向線位移，底面邊界限制其x，y兩方向上的線位移，盡可能消除邊界效應對結果的影響.

2.2 工況計算

為了求得基坑開挖引起的位移場及應力場分布，需消除初始應力場產(chǎn)生的沉降變形.首先根據(jù)土層自重，形成土體自重應力場，又由于假定土體已完成固結作用，在模擬下一工況前，土體的位移場要歸為0.為此，確定模擬開挖工況：先只施加重力荷載，得到初始應力場及位移場值；接著將土體初始位移場歸為0，完成圍護樁施工；再分兩次開挖土體至坑底；而后施工第一道支撐并完成第一段土體開挖；最后施工第二道支撐并完成第二段土體開挖.

3 結果與分析

通過比較坡腳線退地鐵輪廓線距離1，3，4，5，6，7 m對地鐵工程圍護樁位移影響分析，確定坡腳線退地鐵輪廓線距離5 m可使得土體偏壓對圍護樁的位移的影響在控制范圍之內(nèi).并對坡腳線退地鐵輪廓線距離5 m時，土體開挖產(chǎn)生的應力場與位移場進行分析.

通過3個階段的基坑開挖時所產(chǎn)生的位移場 （圖3）顯示：上覆土層開挖后未開挖的土體位移場向上，在坑底同一開挖深度下，越靠近坑邊的向上位移場越??；當?shù)罔F工程進行開挖時，圍護樁及內(nèi)撐梁也出現(xiàn)了向上的位移并隨著開挖深度的增加而增大；土體開挖時左側放坡處坡體隨著地鐵工程開挖深度的加深產(chǎn)生的滑移位移越明顯.這是因為基坑開挖引起地層損失，土體為彈塑性體，卸去上方的約束，坑底出現(xiàn)了回彈；離基坑邊越遠處受邊界的約束越小，土體回彈越明顯；開挖越深處卸載越大，土體回彈越明顯；地鐵工程土體進行開挖周邊土體發(fā)生側向位移，約束坡腳的土體發(fā)生了滑移，引起坡體的滑動位移.

圖3 基坑開挖至地鐵工程坑底位移場變化Fig.3 DispIacement fieId variation of excavation to subway pit

通過3個階段的土體開挖時所產(chǎn)生的塑性區(qū) （圖4）顯示：當?shù)罔F工程圍護樁施工后，土方開挖至基坑坑底時樁周及樁端土體有部分發(fā)生了塑性變化，坡體出現(xiàn)了圓弧狀塑性區(qū)；當?shù)罔F工程進行開挖時，放坡坡體塑性區(qū)范圍隨著開挖深度增加而增大，圍護樁周邊土體及靠近圍護樁的坑底土體也發(fā)生了塑性變化，且左側發(fā)生塑性變化的范圍遠遠大于右邊的.說明：基坑開挖坑底以上土體向基坑開挖方向移動，形成主動土壓力擠壓圍護樁，坑底以下土體則受到圍護樁的擠壓產(chǎn)生被動土壓力，引起土體發(fā)生塑性變化，基坑開挖的越深，被動土壓力越大，塑性區(qū)范圍就越大；基坑右側土體完全開挖，左側放坡，左側土體形成的土壓力遠遠大于右側，造成了土體的偏壓.因此，地鐵工程坑底左側圍護樁坑底土體受被動土壓力遠大于右側，形成的塑性區(qū)范圍遠遠大于右邊的.

圖4 基坑開挖至地鐵工程坑底塑性區(qū)變化Fig.4 PIastic zone variation of excavation to subway pit

4 技術措施

4.1 設計措施

根據(jù)該場地的工程地質、水文地質、周邊環(huán)境、基坑開挖深度等條件［5］，為了解決基坑整體穩(wěn)定性和變形控制問題，基坑西北側兩層地下室采用灌注樁+2道預應力錨索支護，其余區(qū)域采用灌注樁+3道預應力錨索支護.坑內(nèi)2、3層地下室分界處采用自然放坡臨時支護.基坑采用樁間雙重管高壓旋噴樁作止水帷幕，樁間設噴射砼面層.基坑降排水采用坑內(nèi)疏干井結合集水明排.基坑支護平面布置圖如圖5所示.

圖5 基坑支護平面布置圖Fig.5 PIan of foundation pit support

1）1號出口.1號出口的一側為基坑3層地下室，一側為基坑一層地下室，為了避免兩層地下室高差的土體偏壓問題，一層地下室區(qū)域退地鐵輪廓線10 m范圍內(nèi)開挖至3層地下室標高，并以1∶1.25坡率放坡到一層地下室標高.待3層地下室地下結構做到負一層時，一層地下室區(qū)域超挖部分才能進行回填，再進行一層地下結構施工.

2）2號出口.為了避免土體偏壓問題，與地鐵車站垂直部分兩側都有3層地下室的，直接對稱開挖；一側有3層地下室，一側沒有地下室的部分，采取沒有地下室部分超挖至3層地下室，對稱開挖.與地鐵車站平行的部分因一側為3層地下室，一側靠近杏錦路沒有超挖的空間，采取盆挖法，兩道內(nèi)斜撐支護.

3）區(qū)間部分.區(qū)間的一側為2層地下室，一側為3層地下室，有一層地下室高差的土體偏壓問題，3層地下室預留距地鐵輪廓線20 m的土臺，待地鐵地下結構做完再進行開挖.

4）車站部分.區(qū)間的兩側均為3層地下室，3層地下室預留距地鐵輪廓線20 m的土臺，待地鐵地下結構做完再進行對稱開挖，或不預留土臺在地鐵進行地下結構施工前直接進行對稱開挖均可.

5）收口處.左側收口處退線成一5 m寬平臺再放坡即可；右側收口處，開挖深度有3層地下室高差，因此采取沒有地下室部分超挖至3層地下室，對稱開挖.

4.2 施工措施

土方開挖應分層分段分塊、均勻、對稱地進行開挖，每一層土方開挖應在其上部的支護體系能夠滿足設計要求后進行.沿著地鐵走向的開挖分段開挖長度約為20 m，土方開挖面高差不宜過大，以確保開挖過程中土體自身的穩(wěn)定，避免造成工程樁移位.如支護樁間出現(xiàn)流土或流砂現(xiàn)象，應及時在圍護樁間噴錨阻土 （砂）.土方開挖過程中應對整個支護體系的變形、受力情況進行嚴密的監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況立即停止開挖，查明原因并采取有效措施后方可繼續(xù)開挖［5］.

5 結論

1）土體為彈塑性體，基坑開挖卸載，坑底表面失去豎直向上的約束，坑底出現(xiàn)回彈.離坑邊越遠處受邊界約束越小，土體回彈越明顯.開挖越深卸載越多，土體回彈越明顯.

2）土體不對稱開挖時，產(chǎn)生土體偏壓.基坑開挖的越深，一側主動土壓力越大，塑性區(qū)范圍就越大.

3）基坑開挖時，構筑物兩側同時對稱開挖可以避開土體偏壓問題.若一側開挖空間有限時，要退一個安全距離減少土體偏壓的影響.當坑開挖產(chǎn)生土體偏壓無法避免時，基坑可采用逆作法和盆挖法施工，后者較前者造價低且工期短.

［1］陳震，王希勇，呂小軍，等.基坑開挖卸載對下部地鐵的作用分析 ［J］.合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2012，35（4）：508-512.

［2］王衛(wèi)東，吳江斌，翁其平.基坑開挖卸載對地鐵區(qū)間隧道影響的數(shù)值模擬 ［J］.巖土力學，2004，25（S）：251-255.

［3］伍尚勇，楊小平，劉庭金.雙側深基坑施工對近鄰地鐵隧道變形影響的分析 ［J］.巖石力學與工程學報，2012，31（S1）：3 453-3 458.

［4］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ 120—2012建筑基坑支護技術規(guī)程 ［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［5］龔曉南，高有潮.深基坑工程設計施工手冊 ［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

Calculation to the Excavation of Deep Foundation Pit Supporting the Open Excavation Subway Engineering

WU Yan-quan
（Fujian Academy of Architecture Research，F(xiàn)uzhou 350025，China）

According to Xiamen Subway Line 1 Xingjin Road Station excavations case，the finite element and the Leading deep foundation software are employed to establish a numerical analysis model to simulate and analyze the rules of pit bottom rebound and the asymmetric excavation on subway engineering.The study found that the farther from the side of foundation and the deeper excavation，the more obvious to the soil rebound；Asymmetric soil excavation produces bias，the soil plastic zone before the pile is proportional to the depth of excavation，and the soil bias side is more obvious than the other side.For the protection of subway excavation engineering structure functionality and security，row piles with prestressed anchor and row piles with inner brace can be used in combination to solve the overall stability of foundation and deformation control issues，excavation scheme of the sub block and uniform and symmetrical earth moving can be used to reduce the impact of bias on the soil of supporting structure.

subway engineering；excavation；finite element；soil bias；bottom rebound；Xiamen；rail transport subway line 1

TU94

A

1673-4432（2015）03-0091-05

（責任編輯 雨 松）

2015-02-02

2015-05-05

吳燕泉 （1988-），男，助理工程師，碩士，研究方向為巖土工程設計.E-mail：929726662@qq.com