方晉，方詩(shī)圣，陳海薇，郝笛笛

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

地鐵車(chē)站作為城市軌道交通的地下樞紐，其修建常面臨諸多風(fēng)險(xiǎn)，且在大坑內(nèi)進(jìn)一步開(kāi)挖小坑，形成坑中坑[1]?？又锌娱_(kāi)挖在原有基坑環(huán)境基礎(chǔ)上進(jìn)一步卸載，使得臨近施工段圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力、變形復(fù)雜化，表現(xiàn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移變形和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加[2]。要降低坑中坑施工對(duì)基坑環(huán)境穩(wěn)定性的不利影響，應(yīng)選擇合理的開(kāi)挖、支護(hù)方案，施工作業(yè)面布署合理有序、支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠及時(shí)安裝等實(shí)施效果[3-4]。目前學(xué)術(shù)界對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周?chē)Y(jié)構(gòu)變形的研究較多，但坑中坑施工對(duì)已施工完成的外坑主體結(jié)構(gòu)的影響研究還缺少，特別是外坑底板澆筑的影響。熊中華[5]通過(guò)ABAQUS軟件模擬發(fā)現(xiàn)坑中坑式基坑變形受到內(nèi)坑開(kāi)挖位置、開(kāi)挖深度、開(kāi)挖面積影響。王新等[6]針對(duì)上海市西藏南路越江隧道浦東接線段基坑工程，借助二維有限元軟件對(duì)坑中坑基坑外坑圍護(hù)樁插入比進(jìn)行優(yōu)化研究。劉念武等[7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析某基坑開(kāi)挖對(duì)土體的側(cè)向位移、土體沉降、管道沉降、建筑沉降的影響。陳樂(lè)意等[8]通過(guò)對(duì)軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬，分析探究開(kāi)挖深度和坑中坑位置對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水位移的影響。結(jié)果表明，開(kāi)挖深度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移影響顯著，內(nèi)坑對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響隨著兩者之間距離增大而減小。陳暢等[9]總結(jié)了多種坑中坑支護(hù)方案的特點(diǎn)、適用性和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。劉嘉等[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬對(duì)比，驗(yàn)證佛山某基坑采用內(nèi)支撐加灌注樁結(jié)構(gòu)圍護(hù)是合理的。付大喜等[11]結(jié)合鄭州某T型換乘站后期開(kāi)挖工程，利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)換乘節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)變形是由基坑隆起造成。許濤等[12]針對(duì)武漢復(fù)雜地質(zhì)條件提出多種支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的基坑支護(hù)方案，解決了復(fù)雜環(huán)境下基坑支護(hù)問(wèn)題。本文針對(duì)合肥某地鐵車(chē)站坑中坑施工周邊復(fù)雜交通環(huán)境，提出一種新的四角環(huán)形開(kāi)挖方案，利用有限元軟件，分析對(duì)比該方案與常規(guī)階梯后退式開(kāi)挖方案實(shí)施對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)論證該方案可行性，并探究了坑中坑施工對(duì)外坑底板澆筑的影響。

1 工程概況

1.1 車(chē)站結(jié)構(gòu)

合肥某地鐵車(chē)站位于城市交通主干道下，車(chē)站基坑主體長(zhǎng)216.8m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23m，深16.50m～18.18m?？拷?chē)站西側(cè)66.7m處存在一處坑中坑，長(zhǎng)27.8m，寬 24.8m，深度9m（距地表26.06m）。

1.2 工程地質(zhì)及水文

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，根據(jù)沿線勘察揭露的地層沉積年代、成因類(lèi)型、巖性特征，將本勘察單元范圍內(nèi)的巖土層劃分為5個(gè)單元層和若干個(gè)亞層,各土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)下表所示。本車(chē)站范圍內(nèi)無(wú)地表水，工程區(qū)內(nèi)基巖均為砂巖，富水性及透水性均較弱，基巖裂隙水總體貧乏，地下水總體不發(fā)育。

2 坑中坑開(kāi)挖方案

2.1 基坑開(kāi)挖方案

單向階梯后退式開(kāi)挖是基坑采用的最常規(guī)開(kāi)挖方法，根據(jù)坑中坑大小，將開(kāi)挖區(qū)分為三個(gè)階段。第一階段開(kāi)挖西側(cè)區(qū)域1位置土方，開(kāi)挖深度為4m，東側(cè)放坡（坡度為1:1），開(kāi)挖土方倒運(yùn)至區(qū)域2位置堆積，隨挖隨撐。第一階段施工結(jié)束。第二階段開(kāi)挖西側(cè)區(qū)域2位置土方，倒運(yùn)至區(qū)域3位置堆積，開(kāi)挖深度為4m，東側(cè)放坡（坡度為1:1），1位置土方繼續(xù)開(kāi)挖至坑中坑基底，隨挖隨撐。第三階段，開(kāi)挖剩余土方，如圖1所示。

圖1 階梯后退式開(kāi)挖剖面圖

但考慮到此車(chē)站所處道路車(chē)流量大，周邊建筑群多，基坑周邊初始應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，針對(duì)坑中坑所處環(huán)境，提出了一種新型坑中坑四角環(huán)形向內(nèi)開(kāi)挖技術(shù)方案，根據(jù)坑中坑內(nèi)鋼支撐布置，將開(kāi)挖區(qū)沿豎向分為三個(gè)階段。第一階段施工先于坑中坑四角向中心開(kāi)挖外環(huán)土，挖深4 m，開(kāi)挖土方置于核心土上方，隨土方開(kāi)挖進(jìn)行及時(shí)架設(shè)角部支撐，外環(huán)土開(kāi)挖完成后開(kāi)挖核心土，并及時(shí)架設(shè)橫撐；第二階段土方開(kāi)挖工序同上；第三階段開(kāi)挖剩余土方，挖深至基坑底部，如圖2所示。

地層力學(xué)參數(shù)

圖2 四角環(huán)形開(kāi)挖剖面圖

2.2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外坑區(qū)域車(chē)站端頭井采用φ1 000@300鉆孔灌注樁，縱向標(biāo)準(zhǔn)段采用φ 800@500（坑中坑段為φ1 200@500）鉆孔灌注樁，坑中坑段南北向采用φ800@500高壓旋噴樁與止水帷幕，止水帷幕進(jìn)入上部相對(duì)隔水地層不小于2m，向下至強(qiáng)風(fēng)化砂巖層與中風(fēng)化砂巖層巖土交界面。止水帷幕進(jìn)入上部相對(duì)隔水地層不小于2m，向下至基底以下3m。若強(qiáng)風(fēng)化砂巖層與中風(fēng)化砂巖層巖土交界面在基底以下3m范圍內(nèi)，則止水帷幕向下至強(qiáng)風(fēng)化砂巖層與中風(fēng)化砂巖層巖土交界面?？又锌迂Q向設(shè)置2道支護(hù)面，分別位于坑中坑頂面與頂面以下4.6 m處，量支護(hù)面均為？，4個(gè)角布設(shè)5道斜撐，中部3道對(duì)撐，見(jiàn)圖3所示。

圖3 坑中坑鋼支撐平面布置

3 坑中坑開(kāi)挖數(shù)值模擬

為比較采用兩種方案施工對(duì)基坑穩(wěn)定性影響的不同，施工開(kāi)始前以有限元法分析坑中坑開(kāi)挖前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁側(cè)移變形，圍護(hù)樁變形選點(diǎn)見(jiàn)圖4所示。

圖4 坑中坑鄰近范圍變形測(cè)點(diǎn)布設(shè)

車(chē)站基坑開(kāi)挖長(zhǎng)度約218m，坑中坑水平尺寸為27m×24m。實(shí)際建立整個(gè)車(chē)站基坑模型難度較大，根據(jù)《城市軌道交通工程實(shí)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）中關(guān)于基坑工程施工的影響范圍說(shuō)明，坑中坑開(kāi)挖主要影響范圍集中在內(nèi)坑周邊，選取模型沿基坑長(zhǎng)度方向包含蓋挖逆做區(qū)段與坑中坑區(qū)段部分，長(zhǎng)度為100m；坑中坑寬度約24m，垂直車(chē)站方向模型寬度120m；坑中坑基底深度約26m，取模型高度為80m。建立模型如圖5所示。

圖5 有限元分析模型

土體單元采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid45。蓋板以及圍護(hù)樁均采用有塑性、徐變、大撓度、大應(yīng)變能力Shell181單元。立柱、鋼支撐、冠梁與鋼筋混凝土支撐計(jì)算采用二節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧狟eam188；抗拔樁通過(guò)加大樁底尺寸，利用土的握裹效應(yīng)達(dá)到抗拔目的，計(jì)算分析時(shí)將樁單元底部節(jié)點(diǎn)與土單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自由度耦合，達(dá)到抗拔效果。鋼支撐所受預(yù)應(yīng)力的施加，由材料線膨脹系數(shù)和溫度荷載實(shí)現(xiàn)。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算側(cè)移曲線，單向后退階梯ZQT-3樁側(cè)移峰值達(dá)19.7mm，四角環(huán)形為17.2mm；單向后退階梯ZQT-3樁側(cè)移峰值為16.5mm，四角環(huán)形為14.4mm；向后退階梯ZQT-3樁側(cè)移峰值為15.7mm，四角環(huán)形值為14.8mm；單向后退階梯ZQT-4樁側(cè)移峰值為16.3mm，四角環(huán)形為14.3mm；采用四角環(huán)形開(kāi)挖4個(gè)測(cè)點(diǎn)圍護(hù)樁側(cè)變形均小于階梯后退式開(kāi)挖圍護(hù)樁的側(cè)移變形。此外，四角環(huán)形開(kāi)挖方案各測(cè)點(diǎn)樁側(cè)移峰值點(diǎn)深度更淺。

4 變形監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)值和理論值的對(duì)比分析

為更加準(zhǔn)確地了解四角環(huán)形開(kāi)挖對(duì)坑中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁側(cè)移變形規(guī)律，對(duì)圖6、圖7、圖8、圖9選用的四個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)際監(jiān)測(cè)，分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖10、圖11、圖12、圖13所示。

圖6 ZQT-35樁體側(cè)移對(duì)比

圖7 ZQT-36樁體側(cè)移對(duì)比

圖8 ZQT-3樁體側(cè)移對(duì)比

圖9 ZQT-4樁體側(cè)移對(duì)比

圖10 ZQT-35側(cè)移變形對(duì)比

圖11 ZQT-36側(cè)移值變形對(duì)比

圖12 ZQT-3側(cè)移值變形對(duì)比

圖13 ZQT-4側(cè)移值變形對(duì)比

根據(jù)曲線圖和誤差分析顯示，相應(yīng)實(shí)際實(shí)測(cè)得到樁體側(cè)移曲線與計(jì)算曲線基本一致，且變形峰值位點(diǎn)與峰值大小相比實(shí)際平均誤差分別為7.28%、8.24%?？梢?jiàn)對(duì)于圍護(hù)樁的變形分析所得結(jié)果較為合理、可靠。

5 坑中坑施工對(duì)外坑底板安全澆筑范圍的影響分析

坑中坑開(kāi)挖將造成鄰近坑中坑的周?chē)馏w沉降增加。根據(jù)規(guī)范要求，坑中坑開(kāi)挖施工造成基底周邊沉降增量值應(yīng)小于0.015倍的坑中坑深度（13.5mm）。

如圖14選取6條路徑研究，采用四角環(huán)形向內(nèi)開(kāi)挖方案，鄰近施工段在不做底板結(jié)構(gòu)時(shí)，各路徑沉降規(guī)律見(jiàn)圖15、圖16所示。

圖14 模型路徑示意

圖15 外坑底板未澆筑時(shí)各路徑沉降曲線

圖16 不同底板澆筑范圍最大沉降路徑曲線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，關(guān)于坑中坑對(duì)稱(chēng)路徑，沉降量也呈對(duì)稱(chēng)規(guī)律，各路徑峰值均位于距坑中坑邊緣7m處，路徑1沉降峰值最大為10.2mm（未超過(guò)限值13.5mm）。由此可見(jiàn)，鄰近坑中坑施工段底板澆筑安全范圍有增大的空間。以距坑中坑邊緣距離為變量L（距離大于L范圍進(jìn)行車(chē)站底板澆筑），取L為5m、10m、15m，20m、25m進(jìn)行研究（根據(jù)底板尺寸和材料密度將其簡(jiǎn)化為面荷載分析，荷載值為25kPa），計(jì)算得各L值，外坑基底最大路徑沉降曲線見(jiàn)圖15所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，澆筑外坑底板范圍距坑中坑邊緣距離越大，外坑基底最大沉降值越小，在L為5m、10m、15m、20m、25m，最大沉降值分別為15.8mm、14.9mm、14.2mm、13.3mm、11.8 mm。因此，距離坑中坑邊緣20m以外范圍可以進(jìn)行外坑底板澆筑，即安全施工距離為L(zhǎng)≥20m。

6 結(jié)論

①結(jié)合合肥某地鐵車(chē)站基坑工程，提出一種坑中坑四角環(huán)形開(kāi)挖方案，數(shù)值分析結(jié)果表明，采用該方案施工相比常規(guī)階梯開(kāi)挖，坑中坑開(kāi)挖對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響更小，安全性更好。

②經(jīng)工程實(shí)踐，采用四角環(huán)形開(kāi)挖方案，基坑開(kāi)挖完成時(shí),圍護(hù)樁側(cè)移變形低于25mm，實(shí)施效果良好，此外在工期、成本方面該方案與常規(guī)階梯后退式開(kāi)挖方案相比經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)明顯。

③通過(guò)數(shù)值模擬分析坑中坑施工對(duì)相鄰?fù)饪踊椎挠绊?，得到坑中坑周邊外坑基底沉降變形情況，確定在坑中坑開(kāi)挖施工過(guò)程外坑主體結(jié)構(gòu)底板的安全施工范圍（外坑底板安全澆筑范圍為L(zhǎng)≥20m，L為距離坑中坑邊緣距離）。