基坑圍護設(shè)計對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)影響分析

江曉峰

（上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著城市化進程的加快，建筑用地越來越緊張，在地體車站附近進行工程活動變得不可避免，鄰近地鐵的深基坑開挖已經(jīng)成為影響地鐵隧道安全的一個重要的因素。當?shù)罔F車站、區(qū)間等處于基坑開挖的影響范圍內(nèi)，開挖引起的地層擾動會引起地鐵結(jié)構(gòu)的附加位移和受力，甚至會引起區(qū)間與車站錯位，影響正常運營。為此，基坑設(shè)計應該在滿足強度要求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對周邊擾動土體的變形控制，以滿足保護鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的安全正常使用要求[1-4]。

本文通過對某一基坑的工程實例，探討在復雜環(huán)境條件，周邊存在重要保護地鐵結(jié)構(gòu)的基坑圍護分析和設(shè)計。

1 工程概況

1.1 基坑概況

本工程為某雨污水泵站改擴建工程，采用全地下式泵房的布置形式，工程位于寧波市江東區(qū)，場地北側(cè)緊鄰北側(cè)軌道1號線交通江廈橋東站。泵站基坑分兩部分區(qū)域：（1）主泵房基坑：基坑尺寸為35 m×19.8 m，基坑面積約為607 m2，為規(guī)則矩形，開挖深度13.15 m。（2）變配電間基坑：基坑尺寸為14 m×13.2 m，基坑面積約為148 m2，為不規(guī)則形，開挖深度7.25 m。

基坑總平面見圖1。

圖1 基坑總平面圖

1.2 地質(zhì)概況

基坑開挖及圍護影響深度范圍內(nèi)主要地層為①0層雜填土、①1層黏土、②1層淤泥質(zhì)黏土、②2層黏土、②3層淤泥、②4層淤泥質(zhì)黏土、③層粉質(zhì)黏土夾粉土、⑤1層粉質(zhì)黏土、⑤2層粉質(zhì)黏土。勘察期間實測地下水位埋深一般為0.70～1.80 m左右，相當于1985國家高程基準1.43～1.74 m之間，見表1。

表1 地層特性表

1.3 地鐵車站情況

本次基坑三倍開挖深度影響范圍內(nèi)主要包含地鐵車站、車站C出入口、地鐵區(qū)間三部分。

（1）地鐵車站

地鐵車站結(jié)構(gòu)體系為15 m×21 m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，埋深約18 m?；A(chǔ)采用天然地基。車站外墻邊緣距離變本次開挖基坑邊緣約12 m。

（2）車站C出入口

出入口結(jié)構(gòu)體系為38 m×23 m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，埋深約9 m?；A(chǔ)采用灌注樁樁基基礎(chǔ)。出入口外墻邊緣距離本次開挖基坑邊緣約1.8 m。

（3）地鐵區(qū)間

地鐵區(qū)間為兩個6.7 m圓形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，埋深約16 m。采用盾構(gòu)法施工，天然地基。區(qū)間邊緣距離本次開挖基坑邊緣約14 m。

1.4 地鐵保護控制標準

基坑開挖勢必會引起土體側(cè)移，造成臨近地鐵結(jié)構(gòu)向基坑方向位移。根據(jù)寧波地鐵軌道交通安全保護部門規(guī)定，基坑開挖引起的地鐵結(jié)構(gòu)垂直和水平方向位移應小于10 mm，車站與區(qū)間的差異沉降應小于5 mm。

2 基坑設(shè)計方案

2.1 總體方案

為盡可能減小泵站基坑開挖過程中對地鐵車站的影響，需考慮采用剛度較大，整體較好的圍護體系，并設(shè)置合理的支撐體系。且在開挖順序上需分區(qū)開挖，既先進行主泵房基坑的開挖，等主泵房主體結(jié)構(gòu)完成后，再進行變配電間的基坑開挖，見圖 2～ 圖 4。

圖2 主基坑平面布置圖

圖3 變配電間基坑平面布置圖（單位：mm）

圖4 基坑剖面圖

2.2 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

主泵房開挖深度13.15 m，平面形狀為矩形，采用800 mm厚地下連續(xù)墻，內(nèi)設(shè)三道水平支撐，第一道為混凝土支撐，其余兩道為鋼支撐?？拥撞捎眯龂姖M堂加固，厚5 m。

變配電間開挖深度7.4 m，考慮原出入口圍護樁的影響，采用咬合樁做為圍護，內(nèi)設(shè)兩道水平支撐，第一道為混凝土支撐，第二道為鋼支撐?？拥撞捎眯龂姖M堂加固，厚5 m。

3 周邊環(huán)境影響分析

3.1 計算模型

綜合考慮分析問題的合理性、計算速度和模型規(guī)模，選用PLAXIS有限元分析軟件，并采用二維有限元平面應變模型進行分析?；訃o分析過程中，針對不同分析對象采用不同的單元類型和本構(gòu)關(guān)系，分析模型的豎向底部采用全自由度約束，側(cè)面采用側(cè)向約束。本次有限元分析分別模擬基坑開挖對地鐵車站（見圖5）、地鐵出入口（見圖6）、地鐵區(qū)間的影響（見圖7）。

圖5 對地鐵車站影響計算模型

圖6 對地鐵出入口影響計算模型

圖7 對地鐵區(qū)間影響計算模型

3.2 模擬工況

工況1：生成初始應力場；

工況2：模擬地連墻、咬合樁的施工；

工況3：模擬主泵房土體開挖第一層土+施工第一道支撐

工況4：模擬主泵房土體開挖第二層土+施工第二道支撐；

工況5：模擬主泵房土體開挖第三層土+施工第三道支撐；

工況6：模擬主泵房土體開挖到基底+施工泵房底板；

工況7：模擬主變配電間土體開挖第一層土+施工第一道支撐；

工況8：模擬主變配電間土體開挖第二層土+施工第二道支撐；

工況9：模擬主變配電間土體開挖到基底；

3.2 計算結(jié)果

圖8為在基坑開挖到底后，墻體變形計算結(jié)果。從圖8中得知，土體水平位移靠主泵站側(cè)最大為20 mm，靠變配電間處最大為16 mm，基本滿足一級基坑的變形控制規(guī)定。

圖8墻體變形計算結(jié)果

圖9 、圖10、圖11分別為地鐵車站、地鐵出入口、地鐵區(qū)間變形計算結(jié)果，最大變形量分別為4 mm、7 mm及3 mm，變形主要方向為向基坑方向的水平位移。變形值基本滿足10 mm的控制標準，車站與區(qū)間的差異沉降也在5 mm范圍之內(nèi)。

圖9 地鐵車站變形計算結(jié)果

圖10 地鐵出入口變形計算結(jié)果

圖11 地鐵區(qū)間變形計算結(jié)果

4 結(jié) 語

（1）通過有限元的計算模擬，采用剛度較大的圍護體系能有效的控制對地鐵車站、出入口、區(qū)間的影響基坑自身安全及周邊環(huán)境的安全是可以保證的。

（2）采用主泵站和變配電間的分區(qū)開挖，控制一次基坑開挖的面積，可以進一步減小對周邊環(huán)境的影響。