地鐵車站偏載深基坑圍護結構設計研究

張兆偉，丁杭春，童孝紅，胡弘博

（杭州鐵路設計院有限責任公司，浙江 杭州 310043）

我國城市土地資源，特別是大中城市的土地資源越來越緊缺，因此地下空間資源開發(fā)利用快速發(fā)展，這就要進行大規(guī)模的基坑開挖工程。在基坑開挖施工過程中，地鐵基坑一般位于市區(qū)內(nèi)，周邊環(huán)境復雜，基坑偏載的現(xiàn)象普遍存在，出現(xiàn)工程事故的案例也屢見不鮮。特別是以飽和軟黏土地層為主的沿海地區(qū)，基坑周邊偏載對基坑圍護結構的影響更加明顯。

對此，前人已經(jīng)進行了大量研究。陳金友等［1］針對目前工程實際中存在的大量基坑不平衡開挖現(xiàn)象，提出了基于通用有限元程序ANSYS的二維分析模型。徐燁等［2］以南京地鐵3號線明發(fā)廣場站偏載深基坑工程為背景，采用二維有限元數(shù)值模擬分析偏載深基坑圍護結構內(nèi)力分布及變形形態(tài)。王亞楠［3］針對地鐵基坑距離建筑物較近，研究分析偏載對基坑安全及圍護結構受力影響。潘虹等［4］以上海某地鐵車站附近兩相鄰深基坑項目為背景，采用有限元軟件Plaxis建立二維模型，分析了相鄰基坑不同開挖順序?qū)ν馏w變形及相鄰地鐵車站的影響。黃珠微［5］以杭州某軟土區(qū)深基坑為背景，模擬分析不對稱坑邊堆載時軟土地區(qū)大型基坑開挖的變形。王強等［6］運用Midas/GTS有限元模擬軟件，對某臨近地鐵隧道深基坑工程施工過程進行模擬分析。王鵬［7］以臨近堆土區(qū)的南京某地鐵深基坑工程為背景，對不同偏壓距離、不同偏壓荷載下的深基坑受力與變形規(guī)律進行了研究。在以往的研究中，大部分針對既有建筑物及坑邊堆載，而針對基坑邊存在重載便道動荷載的研究較少。

本文依托寧波某地鐵車站附屬風亭基坑，從現(xiàn)場實際情況出發(fā)，對基坑圍護結構及周邊地層的變形規(guī)律進行分析與總結。

1 工程概況

1.1 工程簡介

寧波地鐵某車站為地下二層島式車站，標準段寬19.7 m，基坑深度15.96 m；端頭井深17.81 m，寬度23.8 m，車站覆土約3 m。車站設置A、B兩座風亭。

A風亭位于車站東北角，建筑面積1 195 m2，頂板覆土3.1 m，底板墊層底埋深9.30 m。見表1。

B風亭位于車站西北角，建筑面積1 178 m2，頂板覆土3.05 m，底板墊層底埋深9.05 m（表1）。

表1 風亭基坑開挖情況

1.2 基坑開挖期間場地布置情況

A風亭施工期間，場地布置見圖1。A風亭南側為車站主體東端頭，根據(jù)盾構工程籌劃，左線盾構接收，調(diào)頭后右線始發(fā)。車站端頭預留了盾構調(diào)頭條件，上翻梁和端頭區(qū)域框架柱在盾構施工完成后施工。盾構施工與A風亭同時施工，車站主體一側不可以做施工重載便道。

圖1 A風亭施工場地布置平面

A風亭施工期間，西側B風亭區(qū)域為盾構施工場地，中間采用圍擋隔離，重載便道設置在基坑北側與寧波東方電力機具制造有限公司圍墻柵欄之間約7 m寬的范圍?；訓|西兩側為材料堆場或加工區(qū)。

B風亭施工期間，場地布置見圖2。此時，車站主體已經(jīng)封頂并回填覆土，A風亭和盾構區(qū)間已經(jīng)施工完成。重載便道和材料堆場、加工區(qū)均位于主體結構頂板區(qū)域。

圖2 B風亭施工場地布置平面

1.3 工程地質(zhì)

A、B兩座風亭所處地層基本相同，為寧波地區(qū)典型的軟土地層。兩座風亭位置地層從上到下依次為①1a雜填土、①2黏土、①3b淤泥質(zhì)黏土、②2b淤泥質(zhì)黏土、③2粉質(zhì)黏土、④1b淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④2b粉質(zhì)黏土、④2a黏土。地層參數(shù)見表2?；拥拙挥冖?b淤泥質(zhì)黏土層，圍護結構底均位于④1b淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。

表2 地層參數(shù)

2 基坑圍護方案研究

選取A風亭基坑針對基坑周邊存在偏載情況，對圍護結構進行分析比選。主要通過控制基坑周邊超載、加強圍護強度和轉(zhuǎn)移荷載作用幾個方面進行考慮。

2.1 周邊環(huán)境

A風亭基坑周邊荷載主要是位于基坑北側的重載便道，主要用于渣土車的進出和工程材料（鋼筋、鋼支撐、商品混凝土等）的運輸通道。同時，重載便道還作為基坑開挖、鋼支撐吊裝等施工作業(yè)的重載機械站位區(qū)域。

B風亭基坑周邊重載便道、材料堆場及加工廠均位于主體結構頂板區(qū)域。只有基坑東側，局部基坑開挖、鋼支撐吊裝機械站位在該區(qū)域。

A、B風亭北側距離基坑約6.5 m有一根采用頂管法施工的DN1200污水管，埋深約7 m。

施工荷載在施工期間不可避免，若要控制其對基坑的影響，就要移出基坑影響區(qū)域或限制施工期間超載不超過設計要求的限值。地面超載一般按照20 kPa考慮，A風亭基坑按照30 kPa考慮。

2.2 圍護結構選型

寧波地區(qū)以飽和軟黏土地層為主，可以采用的圍護形式有地下連續(xù)墻、SMW工法樁、TRD工法樁、鉆孔灌注樁+止水帷幕等。

2.2.1 A風亭基坑圍護選型

基坑北側緊鄰重載便道，A風亭基坑，東西長度48.85 m，局部55.45 m，南北寬度23.8 m，基坑深度9.32 m。基坑安全等級一級，環(huán)境保護等級二級。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗，對Φ800＠1 000 mm鉆孔灌注樁+Φ850＠600 mm水泥攪拌樁止水帷幕與Φ850＠600 mmSMW工法樁型鋼密插兩個方案進行比選。

內(nèi)支撐設置3道，第一道支撐采用600 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，強度C30；冠梁尺寸1 200 mm×800 mm；第2、3道為Φ609鋼支撐。

坑底加固采用Φ850＠600 mm水泥攪拌樁，局部受廢棄污水管影響區(qū)域采用Φ800＠600 mm高壓旋噴樁，加固深度為坑底以下3 m。加固范圍為裙邊+抽條，寬度均為3 m。

2.2.2 B風亭基坑圍護選型

B風亭基坑，東西長度為44.5 m，南北寬度為24.75～25.3 m，基坑深度9.05 m?；影踩燃壱患墸h(huán)境保護等級二級。

根據(jù)類似工程經(jīng)驗和計算分析，圍護結構選用Φ850＠600 mmSMW工法樁，型鋼插二挑一，集水坑位置局部型鋼密插。B風亭內(nèi)支撐和坑底加固設置與A風亭相同。

2.3 圍護形式比選分析

以A風亭為例，對Φ800＠1 000 mm鉆孔灌注樁與Φ850＠600 mmSMW工法樁型鋼密插兩種圍護方案，采用同濟啟明星深基坑計算軟件FRWS7.2進行分析。

鉆孔灌注樁方案圍護嵌固深度為16.2 m，圍護樁外側止水帷幕深度為坑底以下6 m。SMW工法樁方案圍護嵌固深度為16.6 m。

計算依據(jù)規(guī)范為《建筑基坑支護技術規(guī)程（JGJ 120—2012）》。鉆孔灌注樁和SMW工法樁方案基坑圍護方案見圖3、圖4?；觾?nèi)力變形計算結果見圖5、圖6?；佑嬎憬Y果對比見表3。

圖5 A風亭鉆孔樁方案內(nèi)力和變形

圖6 A風亭SMW工法樁方案內(nèi)力和變形

表3 基坑計算結果對比

圖3 A風亭基坑鉆孔樁支護方案

圖4 A風亭基坑SMW工法樁支護方案

通過上面計算結果可以看出，Φ800＠1 000 mm鉆孔灌注樁與Φ850＠600 mmSMW工法樁型鋼密插兩種圍護方案的計算結果差別不大，甚至個別方面計算結果，工法樁的安全系數(shù)甚至超過了鉆孔樁。最后根據(jù)經(jīng)驗，選擇鉆孔灌注樁圍護方案。

2.4 轉(zhuǎn)移荷載作用

基坑周邊活荷載對基坑安全的風險，主要是由于荷載通過基坑周邊地層傳遞至基坑圍護，引起基坑圍護變形過大乃至失穩(wěn)破壞。從這個角度出發(fā)，考慮通過采取措施改變基坑周邊重載傳遞路徑，不傳遞至基坑圍護?？梢栽诨颖眰戎剌d便道區(qū)域設置300 mm厚棧橋板，板下設置一排Φ800＠6 000mm鉆孔灌注樁，樁長30 m。

此方案中重載便道上的荷載，通過棧橋板垂直傳遞至樁基，然后通過樁基傳遞至坑底以下土層，避免了超載引起的側向土壓力作用于基坑圍護結構，可以有效降低基坑邊超載對基坑的影響。但是此方案由于造價偏高而未能實施。

3 施工監(jiān)測

3.1 A、B風亭基坑施工及監(jiān)測情況

A風亭基坑于2020年3月11日開始開挖，3月28日收底完成，澆筑C30早強混凝土墊層，4月15日底板混凝土澆筑完成，6月15日，頂板混凝土澆筑完成。

B風亭基坑于2020年11月29日開始開挖，12月9日收底完成，澆筑C30早強混凝土墊層；12月18日，底板施工完成。

施工期間每個風亭4個監(jiān)測斷面，基坑東、西兩側各設置一個斷面，北側兩個斷面。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

對基坑圍護水平變形和基坑邊地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，統(tǒng)計時段為基坑開挖至底板施工完成?；拥孜恢脟o水平變形曲線見圖7、圖8?；舆叺孛娉两底兓€見圖9、圖10。

圖7 A風亭基坑開挖期間圍護變形曲線（坑底位置）

圖8 B風亭基坑開挖期間圍護變形曲線（坑底位置）

圖9 A風亭基坑邊地面沉降變形曲線

圖10 B風亭基坑邊地面沉降變形曲線

底板施工完成后A風亭基坑CX02和B風亭基坑CX03兩個測點處圍護變形隨深度變化曲線見圖11、圖12?；邮┕けO(jiān)測對比見表4。

圖11 A風亭基坑圍護變形曲線（CX02）

圖12 B風亭基坑圍護變形曲線（CX03）

根據(jù)以上兩個風亭基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以看出地質(zhì)情況基本相同，基坑形狀、規(guī)模接近的情況下，盡管A風亭基坑圍護結構采用了Φ800＠1 000 mm鉆孔灌注樁，A風亭基坑施工期間受基坑圍護變形明顯比B風亭基坑圍護變形大，A風亭基坑圍護最大水平變形112.45 mm，B風亭為81.95 mm。而且A風亭基坑局部出現(xiàn)圍護侵限情況。開挖期間，A風亭基坑北側重載便道一側，重載便道及地面出現(xiàn)明顯裂縫。

A、B兩座風亭基坑施工監(jiān)測數(shù)據(jù)對比見表4。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，A風亭盡管采用鉆孔灌注樁圍護，但是基坑北側受到偏載影響，圍護結構水平變形及地面沉降較大。

表4 基坑施工監(jiān)測對比

綜上分析，基坑偏載對基坑圍護影響較大，設計過程中應慎重考慮，有針對性設計。施工過程中應控制基坑偏載在限制范圍內(nèi)。

基坑開挖施工中，特別是類似寧波地區(qū)的軟土地層中基坑開挖施工，應嚴格控制無支撐暴露時間，開挖到位及時架設支撐，及時施加支撐軸力。

4 結 語

1）基坑周邊存在偏載的情況，應了解清楚偏載情況并進行針對性設計，適當加強圍護的強度、剛度以滿足基坑安全?？晒┻x擇的基坑圍護形式有鉆孔灌注樁、SMW（TRD）工法樁、地連墻等。

2）加強施工配合，施工過程中提醒施工單位合理組織重載機械的站位，控制偏載不超過設計允許范圍。同時，及時架設支撐并施加預應力，嚴格控制無支撐暴露時間。

3）基坑周邊偏載較大，若加強圍護成本較大，可以在經(jīng)濟技術指標對比分析合理前提下，采用棧橋板等改變偏載傳遞路徑的方式，避免偏載直接作用于圍護結構。