金 平 王 濤 蔡海兵 龔永旺 黃 軍

(1.中鐵四局集團有限公司城市軌道交通工程分公司，230022，合肥；2.安徽理工大學土木建筑學院，232001，淮南∥第一作者，高級工程師)

地鐵車站一般設(shè)置在人口比較集中的區(qū)域，周邊環(huán)境較為復雜?；庸こ痰脑O(shè)計既要保持支護結(jié)構(gòu)體系和基坑自身的穩(wěn)定，又要保證周邊環(huán)境的安全。近年來，許多專家學者在深基坑支護理論和試驗研究[1-2]、現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬[3-5]等方面取得了諸多研究成果。文獻[6]以北京地鐵9號線為工程背景，采用北京理正深基坑分析軟件對優(yōu)化設(shè)計前后的基坑開挖情況進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的設(shè)計方案在實際施工時發(fā)揮了良好的作用，且現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)幾乎與模擬結(jié)果一致。

現(xiàn)階段，深基坑的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工現(xiàn)場的契合度還不高。相比較而言，超深基坑在進行施工時，其所受的地質(zhì)條件、周圍環(huán)境及地下管線更為復雜。為此，在進行超深基坑施工設(shè)計及施工過程中，更要保證安全、耐久、經(jīng)濟和環(huán)保等要求。

本文以福州地鐵4號線(以下簡稱“4號線”)和地鐵5號線(以下簡稱“5號線”)洪塘路L形換乘車站超深基坑工程為研究背景，采用Midas GTS有限元軟件對換乘節(jié)點處的基坑支護方案進行優(yōu)化，并通過地下連續(xù)墻(以下簡稱“地連墻”)水平位移、內(nèi)支撐軸力和周邊地面位移的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證優(yōu)化方案的可行性與安全性。本文研究可為其他類似基坑工程的施工提供設(shè)計思路。

1 工程概況

1.1 場地概況

洪塘站為4號線和5號線的換乘車站，位于洪塘路與閩江大道交叉口。4號線和5號線基坑分別沿洪塘路和閩江大道敷設(shè)，兩者互為L形。4號線為地下四層雙柱三跨結(jié)構(gòu)，車站長為187.4 m，標準段寬為23.9 m，埋深為32.30～36.20 m。5號線為地下兩層雙柱三跨結(jié)構(gòu)，車站長為265.5 m，標準段寬為22.7 m，埋深為17.75～20.35 m，半蓋挖施工。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

洪塘站主要地層為雜填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、殘積粉質(zhì)黏土、殘積砂質(zhì)黏土和全強風化花崗巖。5號線初見水位埋深為1.20～6.50 m，初見水位標高為6.47～10.73 m；穩(wěn)定水位埋深為1.30～4.00 m，穩(wěn)定水位標高為6.14～9.95 m。4號線初見水位埋深為0.70～4.10 m，初見水位標高為5.44～9.80 m；穩(wěn)定水位埋深為1.20～3.80 m，穩(wěn)定水位標高為5.56～9.95 m。

1.3 原支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

洪塘站超深大基坑原設(shè)計為大開挖。5號線基坑支護形式為：0.8 m地連墻+1道混凝土支撐+2道φ800 mm鋼支撐；4號線和換乘節(jié)點處坑支護形式為：1.2 m地連墻+4道混凝土支撐+3道φ800 mm鋼支撐。

洪塘站超深基坑采用大開挖方式的缺點有：① 施工資源投入過多，浪費嚴重；② 受不同地層影響，基坑降水成為施工難題；③ 超深大基坑全暴露式開挖，施工風險比較高；④ 基坑大面積暴露會造成周邊路面、建(構(gòu))筑物均勻或不均勻沉降；⑤ 4號線地連墻深為46 m，施工功效較低，造成整個基坑開挖時間滯后。

1.4 支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

1) 采用封堵墻將洪塘站分為5號線、4號線和換乘節(jié)點3個獨立基坑。3個基坑彼此獨立，分區(qū)開挖分區(qū)支護，規(guī)避基坑大面積暴露風險，且滿足鋪軌工期節(jié)點要求。

2) 4號線基坑支撐體系由原設(shè)計的4道鋼筋混凝土支撐+3道鋼支撐調(diào)整為4道混凝土支撐(0.8 m×1.0 m、1.0 m×1.0 m、1.4 m×1.2 m、1.2 m×1.0 m)+1道φ800 mm鋼支撐；換乘節(jié)點處基坑由原設(shè)計的7道混凝土支撐調(diào)整為5道混凝土支撐；5號線基坑維持1道鋼筋混凝土支撐+2道鋼支撐不變。該方案按“結(jié)構(gòu)層數(shù)加1”原則布置，更有利于結(jié)構(gòu)板回筑，施工一層切除一層，其適用性較強。

3) 根據(jù)不同地層，3個基坑分別選擇不同的降水方案。對于5號線富水砂層基坑，主要降(含泥)中粗砂層的孔隙承壓水，根據(jù)單井降水量布置降水井，選擇反循環(huán)鉆機施工降水井，采用橋式濾水管；對于換乘節(jié)點和4號線超深基坑，主要降風化巖的孔隙裂隙承壓水和基巖裂隙承壓水，根據(jù)單井降水面積布置降水井，選擇潛孔鉆機施工降水井，采用橋式濾水管。

2 基坑支護數(shù)值模擬

2.1 計算模型

采用Midas GTS有限元軟件對基坑施工過程進行動態(tài)數(shù)值模擬分析。以換乘節(jié)點為研究重點，模型尺寸為232 m(長)×240 m(寬)×100 m (高)。

根據(jù)詳勘地質(zhì)資料，將土體從上而下劃分為8層。土體采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型和三維實體單元進行模擬，采用彈性模型模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。支護體系中，內(nèi)支撐、冠梁等采用梁單元模擬，地連墻采用板單元模擬。邊界條件為：模型頂面為自由面，無約束；底面所有節(jié)點施加位移約束Tx、Ty、Tz；側(cè)面所有節(jié)點施加約束Tx、Ty；地連墻底部節(jié)點施加約束Tz，限制其豎向位移。地層物理力學參數(shù)如表1所示，支護結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)如表2所示。

表1 地層物理力學參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of stratum

表2 支護結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

對換乘節(jié)點超深基坑優(yōu)化前后的支撐支護方案分別進行三維有限元模擬，重點分析地連墻水平位移、支撐軸力和地面位移的變化規(guī)律。優(yōu)化前后的支撐布置方案有限元模型如圖1所示。

圖1 支撐布置方案有限元模型Fig.1 Finite element model of support layout scheme

2.2 施工階段工況模擬

基坑施工階段工況如表3所示。

表3 基坑施工階段及施工步驟Tab.3 Foundation pit construction phases and steps

3 計算結(jié)果分析

3.1 地連墻水平位移計算結(jié)果

換乘節(jié)點處，優(yōu)化方案施工過程中，各工況下的地連墻水平位移云圖如圖2所示。由圖2可知，地連墻水平位移在整個基坑開挖過程中逐漸增大，且最大變形位置逐漸下移。當換乘節(jié)點開挖完成時，最大位移為26.145 mm。根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范規(guī)定，支護結(jié)構(gòu)最大水平位移不超過基坑開挖深度的0.15%，且不宜超過30.000 mm。優(yōu)化后的5道支撐能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖2 地連墻水平位移云圖Fig.2 Nephogram of underground diaphragm wall horizontal displacement

3.2 內(nèi)支撐軸力計算結(jié)果

換乘節(jié)點處，按優(yōu)化方案施工過程中，各個工況下的內(nèi)支撐軸力云圖如圖3所示。由圖3可知，當換乘節(jié)點深基坑開挖至坑底時，最大支撐軸力出現(xiàn)在第4道混凝土支撐上，最大支撐軸力為6 499 kN，能夠滿足混凝土支撐穩(wěn)定性要求。

圖3 內(nèi)支撐軸力云圖Fig.3 Nephogram of internal support axial force

3.3 地面位移計算結(jié)果

換乘節(jié)點處，優(yōu)化方案施工過程中，各個工況下的基坑周邊地面位移云圖如圖4所示。由圖4可知，L形換乘車站基坑周邊沉降最大值發(fā)生在4號線標準段，4號線最大地面沉降為14.782 mm。提取換乘節(jié)點模型周邊地面沉降數(shù)據(jù)，換乘節(jié)點周邊的最大沉降為11.971 mm，距基坑約13 m。

圖4 地面位移云圖Fig.4 Nephogram of ground surface displacement

4 數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測結(jié)果對比

換乘節(jié)點處，監(jiān)測點的位置分布如圖5所示。監(jiān)測點QCX31處的地連墻水平位移模擬值與實測值如圖6所示。由圖6可知，地連墻水平位移模擬值與監(jiān)測值的變化規(guī)律基本一致。在地連墻深度為30 m處附近，模擬值與監(jiān)測值達到最大值，分別為26.145 mm和24.390 mm。模擬值相對于監(jiān)測值大了1.755 mm，這是由于現(xiàn)場環(huán)境復雜、土層分布不均勻,且模擬過程中未考慮地下水影響造成的偏差。

圖5 監(jiān)測點位置分布圖Fig.5 Distribution diagram of monitoring points

圖6 地連墻水平位移模擬值與實測對比

換乘節(jié)點處，在各施工階段內(nèi),監(jiān)測點TZL1-22處的內(nèi)支撐軸力監(jiān)測值與模擬值對比如圖7所示。由圖7可知，隨著基坑開挖深度的增大，各道內(nèi)支撐軸力均有所增大，第1道與第2道支撐在開挖過程中的內(nèi)支撐軸力增大比較緩慢，第4道與第5道支撐增大速率較快，監(jiān)測值與模擬值變化規(guī)律基本一致。

圖7 內(nèi)支撐軸力模擬值與實測對比

換乘節(jié)點處，在基坑開挖過程中監(jiān)測點DBC31處的地面沉降監(jiān)測值與模擬值對比如圖8所示。由圖8可知，換乘節(jié)點處基坑開挖至坑底時，模擬值與監(jiān)測值的變化曲線呈凹形，監(jiān)測值相對于模擬值偏大，這是由數(shù)值模擬過程中未考慮現(xiàn)場施工堆載和基坑非均勻降水等因素導致的。模擬地面的最大沉降為11.970 mm，出現(xiàn)在距換乘節(jié)點基坑邊緣13 m處；現(xiàn)場監(jiān)測地面的最大沉降為14.000 mm，也出現(xiàn)在距換乘節(jié)點基坑邊緣13 m處，表明基坑支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是合理的。

圖8 地面沉降模擬值與實測對比

5 結(jié)語

本文以福州地鐵洪塘路換乘站L形超深基坑為工程背景，將換乘車站超深基坑分成3個獨立部分，進行分區(qū)開挖分區(qū)支護。通過Midas GTS有限元軟件對換乘節(jié)點處圍護結(jié)構(gòu)的水平位移、內(nèi)支撐軸力和地面位移進行了綜合分析，成功將換乘節(jié)點基坑原7道內(nèi)支撐優(yōu)化為5道內(nèi)支撐。通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比分析，獲得以下結(jié)論：

1) 地連墻水平位移在基坑開挖過程中逐漸增大且最大位移位置逐漸下降；當基坑開挖至坑底時，地連墻最大水平位移模擬值為26.145 mm，實測值為24.390 mm，均在安全控制值內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

2) 通過提取換乘節(jié)點深基坑支撐的軸力數(shù)據(jù)，由數(shù)值模擬得到的最大內(nèi)支撐軸力為6 499 kN，出現(xiàn)在第4道混凝土支撐上；現(xiàn)場實測得到的最大內(nèi)支撐軸力為5 756 kN，均在安全控制值內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

3) 換乘節(jié)點周邊地面沉降與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律基本吻合。數(shù)值模擬得到的最大周邊沉降為11.971 mm，現(xiàn)場實測值為14.000 mm，均出現(xiàn)在距換乘節(jié)點基坑邊緣13 m附近，最大沉降值均在安全控制值內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

4) 將超深基坑的原7道內(nèi)支撐優(yōu)化為5道內(nèi)支撐的支護方案是安全可行的。通過增設(shè)封堵墻，將洪塘站超深基坑分為3個獨立基坑，各自獨立分區(qū)施工。這不僅從根本上避免了11 600 m2的基坑同時暴露，還降低了施工風險，保護了周邊建(構(gòu))筑物的安全。整個L形地鐵換乘車站的基坑施工突破了大面積、超深、多支撐等工程性難題，工期提前了約6個月，確保了5號線的節(jié)點工期。