葉均良，黃志斌

（1、佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司 廣東佛山528000；2、中交佛山投資發(fā)展有限公司 廣東佛山528000）

0 引言

近年來(lái)，隨著城市地下空間的發(fā)展，深基坑項(xiàng)目臨近地鐵結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，更有甚者與地鐵結(jié)構(gòu)緊貼并共用地鐵圍護(hù)結(jié)構(gòu)［1-5］。對(duì)該類基坑工程的支護(hù)設(shè)計(jì)，要么按照常規(guī)場(chǎng)地條件考慮或因缺乏經(jīng)驗(yàn)而隨意冒進(jìn)，忽視基坑支護(hù)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，要么過(guò)度夸大基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)造成的影響，設(shè)計(jì)過(guò)于保守，增加了建設(shè)成本和影響工程建設(shè)進(jìn)度。對(duì)該類基坑工程采取設(shè)計(jì)優(yōu)化和施工控制措施，既能確保地鐵結(jié)構(gòu)和基坑結(jié)構(gòu)安全可控，又能節(jié)省資源和方便施工，是值得深入研究的課題［6-9］。

本文以某大型緊貼地鐵結(jié)構(gòu)深基坑設(shè)計(jì)和施工為背景，利用數(shù)值分析軟件對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，優(yōu)化了基坑設(shè)計(jì)方案，提出了施工過(guò)程相關(guān)的控制措施，為控制臨近地鐵結(jié)構(gòu)變形提供了保障。

1 工程概況

1.1 基坑與地鐵空間關(guān)系

佛山市某廣場(chǎng)深基坑項(xiàng)目總用地面積2.72萬(wàn)m2，基坑周長(zhǎng)為641.2 m，本項(xiàng)目為地上1層、地下2層結(jié)構(gòu)，基坑開(kāi)挖深度為9.85～10.25 m，局部集水井、電梯井等超挖0.8～3.7 m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)。

本項(xiàng)目位于佛山市某地鐵站東側(cè)，與地鐵車站風(fēng)亭及冷卻塔緊貼，局部共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)，與地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最小凈距為17.9 m，處于地鐵結(jié)構(gòu)的特別保護(hù)區(qū)內(nèi)，該基坑施工對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響等級(jí)為特級(jí)，項(xiàng)目基坑與地鐵結(jié)構(gòu)平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目基坑與地鐵結(jié)構(gòu)平面關(guān)系Fig.1 Plane Relationship of the Foundation Pit and Subway Structure

1.2 地鐵結(jié)構(gòu)概況

佛山市某地鐵車站為地下2層三跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，車站總長(zhǎng)度336.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.9 m，底板底埋深約17～19 m，車站基底部分位于〈8-2〉中風(fēng)化砂巖層，部分位于〈7-2〉強(qiáng)風(fēng)化砂巖層。冷卻塔和風(fēng)亭與某廣場(chǎng)深基坑緊貼并共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)，冷卻塔基坑深7.6 m，風(fēng)亭基坑深10.3 m，共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用A型鉆孔灌注樁φ800@1 000 mm，外設(shè)φ700@500 mm水泥攪拌樁止水帷幕，風(fēng)亭所在地層有較厚的〈2-1B〉淤泥質(zhì)土。隧道管片外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，采用C50混凝土，防水為P8等級(jí)，如圖2所示。

圖2 地鐵隧道斷面Fig.2 Sectional of the Subway Tunnel（mm）

2 基坑優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 原設(shè)計(jì)基坑方案

原設(shè)計(jì)的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000和φ1 200鉆孔灌注樁結(jié)合φ850@600三軸攪拌樁止水帷幕形式，基坑分別在±0.00 m和-5.50 m處各設(shè)置1道900 mm×1 000 mm混凝土支撐，主撐平面采用對(duì)撐、角撐結(jié)合桁架的形式，對(duì)撐間距約為8 m，如圖3所示。

圖3 原設(shè)計(jì)基坑支撐平面Fig.3 The Original Design of the Foundation Pit Support（mm）

2.2 優(yōu)化后基坑方案

為提高地下室主體施工和土方開(kāi)挖的便捷性，縮短開(kāi)挖工期，需對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。取消了原第2道混凝土支撐的設(shè)置，調(diào)整為局部三角位設(shè)置混凝土支撐，在與地鐵共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)和靠地鐵隧道側(cè)，局部設(shè)置D710×12鋼管斜撐，如圖4和圖5所示。

圖4 優(yōu)化后基坑第2道支撐平面Fig.4 The Second Support of the OptimizedFoundation Pit（mm）

圖5 優(yōu)化后基坑鋼管斜撐斷面Fig.5 Sectional view of Steel Pipe Diagonal Brace of the Optimized Foundation Pit（mm）

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)受力分析

本文采用有限元分析軟件Miads GTS/NX建立三維整體數(shù)值模型，對(duì)上述工程進(jìn)行了實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬，重點(diǎn)研究基坑開(kāi)挖卸載過(guò)程中對(duì)緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)的變形情況?；訑?shù)值計(jì)算模型外擴(kuò)范圍不小于3倍基坑深度，包括地鐵車站、地鐵隧道和擬開(kāi)挖基坑，模型計(jì)算范圍長(zhǎng)約360 m，寬約240 m，土層計(jì)算深度為50 m，如圖6所示，地層參數(shù)如表1所示。荷載考慮為巖土層自重、結(jié)構(gòu)自重、施工荷載和坑邊超載20 kPa等，模擬施工工況如表2所示。

表1 巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 The Main Physical and Mechanical Parameters of the Rock and Soil Layer

表2 模擬施工步驟Tab.2 Construction Step Simulation

圖6 優(yōu)化后的基坑計(jì)算模型Fig.6 Calculation Model of the Optimized Foundation Pit

在各工況下，地鐵車站、附屬結(jié)構(gòu)和隧道的位移對(duì)比情況如圖7所示。由圖7可知，由于優(yōu)化后的基坑支護(hù)整體剛度比原設(shè)計(jì)的有所減弱，故優(yōu)化后的基坑造成臨近地鐵結(jié)構(gòu)的水平位移比原設(shè)計(jì)的要大，地鐵車站、附屬結(jié)構(gòu)和隧道的最大值分別為3.76 mm、5.46 mm和3.33 mm（見(jiàn)圖8），分別比原設(shè)計(jì)增大了16.4%、25.2%和41.1%，但均小于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范：CJJ/T 202—2013》［10］的預(yù)警值10 mm的要求。由于地鐵結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了基底處理，故基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)沉降影響較小，滿足文獻(xiàn)［10］要求。

圖7 各工況下地鐵車站、附屬結(jié)構(gòu)、隧道位移對(duì)比Fig.7 Comparison of Displacements of the Subway Station，Ancillary Structure and Tunnel under Various Working Conditions

圖8 優(yōu)化后地鐵車站、附屬結(jié)構(gòu)、隧道最大水平位移Fig.8 Maximum Horizontal Displacement of the Subway Station，Ancillary Structure and Tunnel（Optimized Design）

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)比情況

優(yōu)化設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)各主要影響因素對(duì)比情況如表3所示，由表3可知，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足地鐵保護(hù)相關(guān)要求情況下，該基坑支護(hù)減少了鋼筋混凝土支撐的設(shè)置，有效提高了地下室主體施工和土方開(kāi)挖的便捷性，減少內(nèi)支撐拆除對(duì)地下室主體施工的影響，有效地縮短了工期和提高了經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述，該優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行和必要的。

表3 優(yōu)化設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)各主要影響因素對(duì)比情況Tab.3 Comparison of the Main Influencing Factors between the Optimized Design and the Original Design

5 施工控制措施

⑴土方開(kāi)挖時(shí)，嚴(yán)禁采用爆破法開(kāi)挖，挖土過(guò)程中嚴(yán)禁施工機(jī)械碰撞和碾壓支護(hù)結(jié)構(gòu)，土方開(kāi)挖應(yīng)做到先撐后挖，待圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)80%后方可開(kāi)挖，土方開(kāi)挖應(yīng)遵循“對(duì)稱開(kāi)挖、分層開(kāi)挖、嚴(yán)禁超挖”的原則，開(kāi)挖過(guò)程中確保支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱受力，如圖9所示，開(kāi)挖至坑底后，立即施工素混凝土墊層。

⑵預(yù)留反壓土，設(shè)置斜撐，先開(kāi)挖離地鐵遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域，完成底板澆筑，再開(kāi)挖靠地鐵近側(cè)。為減少緊貼地鐵附屬結(jié)構(gòu)的變形，在風(fēng)亭口增設(shè)2道D609×16鋼管對(duì)撐，如圖10所示。

圖10 地鐵風(fēng)亭口增設(shè)鋼管對(duì)撐Fig.10 Additional Steel Pipe Support in the Subway Wind Pavilion

⑶換撐時(shí)要待結(jié)構(gòu)樓板及換撐板帶強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%后方可拆除支撐，且應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求的步驟換撐，支撐拆除時(shí)應(yīng)避免支撐應(yīng)力的瞬間釋放，支護(hù)樁與地下室外墻間隔采用素混凝土回填。

⑷強(qiáng)化信息化管理，在基坑開(kāi)挖前，對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)開(kāi)展現(xiàn)狀情況調(diào)查和分析，并做好地鐵結(jié)構(gòu)的初始值監(jiān)測(cè)，以便監(jiān)測(cè)后續(xù)變形量。

⑸加強(qiáng)地下水位的監(jiān)控測(cè)量工作，增加坑外地下水觀測(cè)井，記錄好初始水位值及各工況條件下的水位變化情況，地下水位降低幅度控制值設(shè)定為2.0 m。

6 效果評(píng)價(jià)

目前，該基坑建設(shè)基本完成。施工過(guò)程中，對(duì)地鐵車站和附屬結(jié)構(gòu)采用人工測(cè)量，對(duì)地鐵隧道采用全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)［11］。監(jiān)測(cè)結(jié)果為：地鐵結(jié)構(gòu)最大變形量為5.24 mm，附屬結(jié)構(gòu)最大變形量為6.26 mm，隧道結(jié)構(gòu)最大變形量為7.18 mm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算情況相符，均小于文獻(xiàn)［10］的預(yù)警值10 mm的要求，項(xiàng)目基坑結(jié)構(gòu)和地鐵結(jié)構(gòu)均安全可控。

7 結(jié)語(yǔ)

本文以某大型緊貼地鐵結(jié)構(gòu)深基坑設(shè)計(jì)和施工為背景，利用數(shù)值分析軟件對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，通過(guò)對(duì)比分析，得出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性和可行性。施工過(guò)程中采取了相關(guān)控制措施，并取得了良好的施工效果，可為以后同類工程實(shí)踐提供借鑒。得出主要結(jié)論如下：

⑴優(yōu)化后的基坑設(shè)計(jì)，取消了原第2道混凝土支撐的設(shè)置，調(diào)整為局部設(shè)置2層鋼筋混凝土撐，靠地鐵側(cè)局部設(shè)置鋼管斜撐?；诱w剛度雖然有所下降，但仍滿足地鐵保護(hù)相關(guān)要求。

⑵基坑方案優(yōu)化后，有效提高了地下室主體施工和土方開(kāi)挖的便捷性，減少內(nèi)支撐拆除對(duì)地下室主體施工的影響，有效地縮短了工期和提高了經(jīng)濟(jì)效益。

⑶基坑開(kāi)挖時(shí)，預(yù)留地鐵側(cè)反壓土，設(shè)置斜撐，先開(kāi)挖離地鐵遠(yuǎn)側(cè)區(qū)域，完成底板澆筑，再開(kāi)挖靠地鐵近側(cè)，在地鐵附屬結(jié)構(gòu)內(nèi)增設(shè)鋼管支撐，有效減少了臨近地鐵結(jié)構(gòu)的變形。

⑷加強(qiáng)施工過(guò)程管理，對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和人工巡視相結(jié)合的措施十分必要。