傅慧敏 吳海洋 昝海柱 李喜慶 王 永

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.北京交通大學建筑勘察設計院有限公司，北京 100044；3.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

城市地下工程建設多穿越既有建筑、市政道路、管線等基礎設施非常完善的城市中心地帶，常遇到既有設施鄰近地下工程深基坑，成為地下工程建設的風險源。此時，地下工程建設會對既有設施的使用、安全造成影響。

京張高鐵清河站房工程地下為二層。基坑西側鄰近地鐵13號線，影響13號線長度近800 m。因此，需要對基坑支護結構設計進行理論分析，論證其安全性，保證地鐵13號線的正常運營安全[3]。

張燕書[1]、吳鋒波[2]等對明挖地鐵深基坑的變形進行了深入研究；康志軍[3]就基坑支護結構最大側移深度對周邊環(huán)境的影響進行了探討；孫宏偉[4]、李偉強[5]、賈夫子[6]、孟曉偉[7]、信磊磊[8]、鄒淼[9]等對深基坑鄰近風險源的支護結構進行了數值模擬分析。以下借鑒以上學者的理論分析，對清河站房的深基坑設計進行研究。

1 清河站工程概況

京張高鐵清河站綜合交通樞紐工程位于北京市海淀區(qū)清河鎮(zhèn)，小營西路與G7京新高速交匯處東北角，西側緊鄰地鐵13號線西二旗站-上地站區(qū)間。樞紐由高鐵站房及配套工程、地鐵車站及換乘配套工程、市政配套工程組成。地下二層，地上二層(見圖1)。

圖1 清河站平面示意

基坑概況：寬60～140 m，長660 m，深8.30～21.70 m(鄰近13號線側最大深度為17.5 m)，總面積84 800 m2；基坑西側臨近地鐵13號線，影響13號線長度近800 m，基坑距離13號線路基段最近處僅5.6 m，距離高架段最近處僅7 m(見圖2)。

圖2 基坑平面

2 既有地鐵13號線概況

地鐵13號線是北京市的一條重要軌道交通線。清河站地下工程施工期間，13號線的運營不能受到影響。

高架段結構：高架橋上部結構由8聯(lián)(25 m+25 m+25 m)預應力鋼筋混凝土連續(xù)梁組成，對應墩號為0～24號，橋墩為雙墩，基礎為4樁承臺基礎；承臺頂入土深度為0.5～0.8 m，承臺下部為直徑1 m的鉆孔樁，樁長25～30 m。

路基段結構：擋土墻的高填方段采用了碎石道床結構，線路間距為3.6 m，路基段寬11 m，路基填方高約3.1 m。

3 鄰近13號線一側的基坑支護設計

3.1 工程地質及水文地質概況

(1)工程地質剖面

典型工程地質剖面見圖3。

圖3 地質剖面(高程單位：m)

(2)水文地質

勘探深度范圍內存在4個可含水層，分別為③細砂層、⑤砂礫層、⑦卵礫石層和⑨卵礫石層。③細砂層中可賦存層間水；⑤砂礫層具有穩(wěn)定的地下水位，為潛水-承壓水，穩(wěn)定地下水位埋深 23.0～27.3 m，⑦卵礫石層和⑨卵礫石層均賦存有層間承壓水。

3.2 基坑支護設計

采用明挖法施工，在基坑外布設單排φ600@350 mm的旋噴樁止水帷幕[10]。

(1)確定基坑設計標準

①基坑設計目標

按照現行標準[11]要求，地鐵區(qū)間結構與軌道變形控制指標為：豎向變形控制值3.0 mm，橫向變形控制值3.0 mm。

②安全等級

根據基坑深度、距離既有13號線的水平距離、13號線結構的破壞后果影響程度，將基坑分為不同的安全等級，鄰近13號線路基段的基坑安全等級為一級，鄰近13號線高架段的基坑安全等級為二級。

③支護結構水平變形控制值及地表的沉降變形控制值

根據規(guī)程[12]第3.1.7-4條確定：一級基坑為0.002h，二級基坑為0.004h；地面沉降量按≤30 mm控制；h為基坑開挖深度。

(2)基坑支護結構初步方案確定

采用平面設計經典計算方法進行試算，初步確定基坑支護結構方案(基坑支護結構典型剖面位置見圖2)。

鄰近路基段典型支護剖面(1-1剖面)見圖4。

圖4 路基段基坑支護結構(單位：mm；高程單位：m)

位置：基坑西南側鄰近13號線路基段，基坑與既有線路基水平距離為5.38～5.58 m，基坑雙排樁外皮至路基擋土墻外邊線最近距離約1.5 m，基坑深度為 17.2 m。

采用“雙排樁+預應力錨索”支護[14-15]，樁長30.4 m。打設5道預應力錨索，錨索長度為19.0～24.0 m。

支護結構變形計算結果：樁頂水平位移為19.2 mm≤0.002h，地面沉降為17 mm≤30 mm。

鄰近高架段典型基坑支護剖面(3-3剖面)見圖5。

位置：基坑與既有地鐵13號線高架段橋墩墩臺外邊線水平距離為6.42～21.30 m，基坑雙排樁外皮至高架段橋墩墩臺外邊線的最近距離約為3.4 m；基坑深度為8.3 m。

地鐵運營公司不允許錨索進入13號線橋墩承臺下，故采用了雙排樁[14-15]的支護方式，樁長14.5 m。

支護結構變形計算結果：樁頂水平位移為6.28 mm≤0.004h，地面沉降為8 mm≤30 mm。

圖5 高架段段基坑支護結構(單位：mm；高程單位：m)

3.3 數值模擬分析

建立“基坑支護結構—巖土—13號線結構”整體模型，對施工過程進行數值模擬分析，對初步設計方案進行評估，根據分析結果進行設計方案優(yōu)化。

(1)計算模型的確定

①基本假定

僅考慮正常使用工況，不考慮地震、人防工況。

假定地鐵結構為線彈性材料。

假定新建基坑、既有地鐵結構及土體之間符合變形協(xié)調原則。

②計算模型材料參數

土層參數參考地勘資料選取，土層及結構參數見表1。

③計算軟件及模型建模

采用 ANSYS 軟件，模擬新建基坑施工過程對地鐵 13 號線上地站-西二旗站區(qū)間結構及軌道的安全性影響。

根據不同的材料采用不同的本構模型。對于混凝土材料，采用線彈性模型，對于各層土體，采用D-P模型。土層和既有地鐵結構均采用實體單元Solid45模擬。對于周圍土體，采用實體單元，不同的土層對應不同的材料。邊界條件：頂面取為自由邊界，四個側面為法向約束，底面每個方向均約束。

表1 材料參數

④模型計算范圍

模型范圍的確定：根據基坑工程鄰近13號線的相對位置關系及影響范圍，基坑鄰近路基段模型范圍為沿既有地鐵線路縱向140 m，橫向80 m，土層厚50 m。基坑鄰近高架橋段模型范圍為沿既有地鐵線路縱向180 m，橫向80 m，土層厚50 m。

(2)模擬工序(模型一)

路基段基坑工序模型如圖6。

圖6 路基段基坑工序模型

第一階段：施作圍護樁，開挖4.3 m，設置第一道錨索；第二階段：開挖4 m，至第一級臺階，設置第二道錨索；第三階段：施作第二級臺階圍護樁，設置第三道錨索，開挖3.5 m：第四階段：開挖3 m，設置第四道錨索；第五階段：設置第五道錨索，開挖2.5 m至坑底；第六階段：混凝土攪拌樁加固施工，坑內樁基加載。

13號線路基結構的變形預測結果見表2。

表2 模型一變形值

(3)模擬工序(模型二)

高架段基坑工序模型如圖7。

圖7 高架段基坑工序模型

第一階段：施作圍護樁，開挖表層土1 m；第二階段：開挖7.3 m，至第一級臺階；第三階段：施作混凝土攪拌樁，開挖4.5 m；第四階段：開挖4.4 m至坑底后加載。13號線高架段結構的變形預測結果見表3。

表3 模型二變形值

(4)基坑圍護結構變形控制指標

13號線側基坑支護結構的變形控制指標見表4、表5。

表4 鄰近高架橋段基坑支護樁變形控制指標

表5 鄰近路基段基坑支護樁變形控制指標

(5)小結

13號線的路基段距離基坑邊緣近，基坑深度大，原基坑支護設計方案需要調整。調整方案為“此范圍基坑內側保留寬度不小于4 m，深度不小于9 m的被動土體，在坑內形成二級基坑，二級基坑邊增打一排樁”。經分析，調整后的方案可滿足地鐵變形的要求。

基坑支護措施加強：在開挖前，對基坑底部深4 m、寬4 m范圍內的土體進行水泥土攪拌樁加固處理； 13號線路基段埋設袖閥注漿管；加強13號線高架段橋墩承臺之間的基坑支護結構(增加錨索)。

4 優(yōu)化后的基坑設計方案

4.1 鄰近路基段基坑支護體系

條件允許的情況下盡量保留土體，在基坑內形成二級基坑：一級基坑深8.3 m，臺階寬4～12 m；二級基坑深8.8 m?；拥淖畲笊疃葹?7.2 m。支護結構：一級基坑為“雙排樁+兩道預應力錨索”，二級基坑為“單排樁+三道預應力錨索”(見圖8)。

圖8 路基段基坑支護結構優(yōu)化方案(單位：mm；高程單位：m)

4.2 鄰近高架段的基坑支護體系

對13號線橋墩承臺之間的支護結構，采用了“雙排樁+錨索支護”方式，增加了2道錨索，見圖9。

圖9 高架段基坑支護結構優(yōu)化方案(單位：mm；高程單位：m)

5 基坑變形監(jiān)測

5.1 支護結構的變形監(jiān)測

圖10 基坑支護結構橫向變形時程曲線

基坑支護結構的變形時程曲線表明(見圖10、圖11)，鄰近13號線高架及路基側基坑支護結構各檢測點的水平位移均小于3 mm，滿足控制值(6 mm)的要求[12]。

圖11 基坑支護結構豎向變形時程曲線

5.2 13號線結構的變形監(jiān)測

13號線高架段結構及路基段結構變形時程曲線表明(見圖12～圖15)，13號線的結構變形均小于2 mm，滿足結構豎向變形及水平變形的控制值(3 mm)的要求。

圖12 13號線橋梁結構橫向變形時程曲線

圖13 13號線橋梁結構豎向變形時程曲線

圖14 13號線路基結構橫向變形時程曲線

圖15 13號線路基結構豎向變形時程曲線

6 結束語

建立“基坑圍護結構+土體+風險源結構”的整體計算模型，得出風險源結構的變形值。根據風險源結構的變形要求，確定基坑支護結構的變形標準，找出支護結構的薄弱部位，改進基坑支護結構的設計方案，確保深基坑施工期間風險源(地鐵運營)的安全。