地铁深基坑交叉施工支护方案设计优化与实践

黄跃翔

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000)

1 工程概况

苏州轨道交通一号线玉山公园站与B30地块的分区1-1紧临,B30地块的围护灌注桩与玉山公园车站围护结构外墙净间距为2.1～5.15 m,B30地块的隔水帷幕与玉山公园车站围护结构外墙净间距仅为1.1～4.15 m。二者的平面位置如图1、图2所示。

图1 B30地块与地铁玉山公园车站相对关系平面

图2 B30地块与地铁玉山公园车站相对关系剖面(单位：m)

B30地块为地下2层,基坑开挖深度11.5 m,靠近玉山公园站的为分区1-1,支护结构采用φ900 mm灌注桩,入土深度22.8 m,插入比约为0.983。基坑竖向设2道支撑,第1道支撑为混凝土支撑,第2道支撑为双拼φ609 mm钢管支撑。

玉山公园车站主体结构设计为地下2层,顶板厚800 mm,覆土2 m,中板厚400 mm,底板厚900 mm,围护结构采用600 mm厚地下连续墙,连续墙入土深度27 m,插入比0.82；端头井采用800 mm厚地下连续墙,连续墙入土深度29.5 m,插入比约0.78；标准段开挖深度14.82 m,端头井开挖深度16.525 m。支撑系统采用钢筋混凝土支撑及φ609 mm(δ=16 mm)钢管支撑。标准段竖向1道钢筋混凝土支撑加3道钢管支撑,钢管撑水平间距3 m左右。端头井段竖向1道钢筋混凝土支撑加4道钢管支撑。

2 前期设计方案确定及施工中方案的优化

2.1 玉山公园站基坑设计前期论证

B30地块先于地铁车站施工。为减少B30地块施工对地铁玉山公园站的影响,根据《B30地块项目基坑施工与地铁施工相互影响安全评估报告专家审查意见》：B30地块(分区1-1)的地下结构施工至设计±0.000高程后,才能进行车站的基坑开挖,否则会对车站的变形产生较大影响。由于两近邻项目深基坑同时施工的特殊性,在设计阶段基坑围护方案评审过程中,专家重点强调了上述结论,并将其作为玉山公园车站和B30地块基坑支护结构设计的首要前提条件。

2.2 B30地块施工顺序的优化调整

由于B30地块工期滞后,已严重影响玉山公园站的节点工期及地铁项目整体工期进度。根据苏州轨道交通一号线的工期安排,结合B30地块工期相对滞后现状,综合考虑玉山公园车站和B30地块施工的实际进度,建议调整B30地块基坑的施工顺序,即B30地块先施工分区1-2、1-3基坑。这样虽然两基坑紧邻,但能满足同步施工安全距离的要求。由B30地块先施工变地铁车站先施工,待车站地下结构施工至设计±0.000高程后,可以跟进相邻的B30地块分区1-1基坑施工。合理调整,统筹兼顾,既保证苏州轨道交通工期又不影响B30地块整体工期。

3 对两深基坑支护结构设计方案同时进行优化

3.1 相邻基坑跟进施工安全距离的确定

玉山公园站北端头井距离相邻B30地块最北端的距离为20.5 m,B30分区1-1基坑初始开挖距离30 m,其关系详见图3。综合考虑基坑开挖对车站结构的影响、基坑规模及几何尺寸、围护墙体及支撑结构体系布置、基坑加固及施工条件等各种因素,经过计算得出结论是：当L=30 m,B=80.5 m时(详见第4节),B30分区1-1基坑开挖卸载引起已建玉山公园站结构产生的附加内力增加值可控制在10%以内,采取加固措施后,对已建地铁车站产生的附加位移和沉降可控制在15 mm以内。

图3 B30分区1-1跟进玉山公园站施工关系平面(单位：mm)

3.2 已建地铁车站保护标准

3.2.1 B30地块基坑的侧向水平位移控制值

根据上海、北京等城市建设经验,在轨道交通沿线一定范围内进行工程活动应该遵循相关规定。上海与苏州同处长江三角洲,均为软土地区,地下水位都很高,参照上海地区经验,按一级基坑考虑,即对B30地块的分区1-1围护结构的最大侧向位移按照1.4‰H(H为开挖深度)作为控制值。

B30地块基坑的开挖深度为11.5 m,分区1-1最大侧向位移控制值应为16.1 mm,考虑到B30地块分区1-1基坑与玉山公园站净距较近,按15 mm考虑。

3.2.2 已建地铁车站的保护标准

参考《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》,对于深基坑、桩基施工、降水、堆载等各种卸载和加载的建筑活动,引起地铁结构设施附加绝对沉降量及水平位移量的总量不容许超过20 mm。考虑到B30地块工程的实际情况,将来导致已建地铁玉山公园车站产生附加位移至少由以下两个部分叠加而成：

(1)B30地块基坑开挖卸载对地铁车站产生的附加位移；

(2)B30地块建筑物本身的桩基沉降引起地铁车站产生附加位移。

考虑到地铁车站的重要性,要求B30地块基坑开挖卸载引起的地铁车站结构设施附加绝对沉降量及水平位移量均不超过15 mm。

3.3 B30地块设计方案

B30地块原设计自身围护结构的最大水平位移为25.1 mm,B30地块基坑开挖引起地铁车站的最大附加水平位移为23.19 mm,车站顶板最大附加沉降为17.43 mm,均超过15 mm,原支护结构设计不能满足对地铁保护要求。

3.4 保护已建地铁车站拟采取的工程措施

由于B30地块分区1-1的围护结构已经施工完毕,地铁车站的连续墙还未正式施工。基于以上实际情况,结合以往工程经验,现拟采取以下工程措施。

3.4.1 地铁车站支护结构标准段连续墙加厚

为减少地铁车站的附加位移和沉降,增强结构自身的刚度是最直接、最有效的办法。因此,玉山公园车站标准段地下连续墙厚度从原设计的600 mm增强至800 mm(同端头井),从加强自身刚度的角度主动控制已建地铁车站结构的附加变形。

3.4.2 B30地块分区1-1增加1道水平支撑

B30地块分区1-1原设计为2道水平支撑,第1道为钢筋混凝土支撑,第2道为双拼φ609 mm钢管支撑,现增加1道双拼φ609 mm钢管支撑,圈梁采用双拼H700×300型钢,以进一步减少围护结构侧向位移,从源头上控制已建地铁车站结构的附加变形。

3.4.3B30地块分区1-1与地铁车站之间的土体加固

分区1-1与地铁车站二者围护结构之间的土体采用三轴搅拌桩满堂加固,加固范围为地表到B30地块基坑底高程,以提高该区域土体的物理力学指标,增强土体抗侧移和抗沉降能力,从传递路径上控制已建地铁车站结构的附加变形。设计优化后的方案详见图4。

图4 设计优化后的方案(单位：mm)

4 支护设计方案优化检算

4.1 B30地块基坑自身侧向位移

按照调整后的方案,对B30地块基坑进行了侧向位移进行计算,详见图5。

图5 B30地块基坑自身计算结果(调整后方案)

4.2 安全保护距离的确定

首先对在没有B30地块开挖的条件下车站结构自身的内力情况进行分析,以便对比得出B30地块基坑开挖对已建玉山公园车站地下结构的影响,验算上述工程措施的可靠性,并最终能够定量确定保护距离L,分析结果见图6～图8。

图6 车站结构弯矩图(单位：kN·m)

图7 车站结构轴力图(单位：kN)

图8 车站结构剪力图(单位：kN)

地铁车站地下结构出±0.000的距离B与保护距离L的关系为

B=50.5+L(m)

玉山公园车站南北方向为178 m,保护距离L的确定需要综合考虑各种因素,在有限元计算分析中L体现在对车站地下结构刚度(南北方向)的贡献,本次分别选取L=0 m、L=15 m、L=30 m、L=45 m、L=122.5 m五种情况进行计算、对比。当L=122.5 m时,B=178 m,整个车站的地下结构完全出±0.000,此时地铁车站南北方向的刚度取100%。计算模型如图9所示。计算结果如表1所示。从计算结果可以看出,当L≥30 m时,在采取了加固措施后,地铁车站内力增加幅度可以控制在10%左右,L=30 m和L=122.5 m的计算结果相差不大,因此可取L=30 m作为地铁的保护距离。

图9 地铁车站计算模型(优化后方案)

保护距离L/m车站结构出±000的距离B/m05051565530805459551225178车站最大附加内力计算值车站内力增加幅度/%附加弯矩：374kN·m312附加轴力：1336kN287附加剪力：219kN305附加弯矩：203kN·m169附加轴力：694kN149附加剪力：123kN171附加弯矩：126kN·m105附加轴力：442kN95附加剪力：80kN112附加弯矩：110kN·m92附加轴力：386kN83附加剪力：64kN89附加弯矩：97kN·m81附加轴力：363kN78附加剪力：60kN84

注：以上车站附加内力是在采取加固措施以后的计算结果。

4.3 B30地块基坑开挖引起地铁车站的附加位移

支护结构设计方案后的计算结果表明,B30地块自身的围护结构最大水平位移为10.4 mm(见图5),B30地块基坑开挖引起地铁车站的最大附加沉降为6.78 mm(见图10),最大附加水平位移为9.55 mm(见图11)，少于15 mm,满足地铁保护要求。

5 结论和建议

(1)根据支护结构设计方案优化及施工方案的调整,在保证轨道交通工期筹划的的前提下,又使B30地块的整体工期不受影响。

图10 地铁车站顶板沉降

图11 地铁车站连续墙侧向变形

(2)原设计方案不能满足地铁保护要求。通过采取“B30分区1-1增加一道钢支撑、地块与地铁之间的土体加固、地铁车站标准段地下连续墙加厚为800 mm”的工程措施,增强了支护结构本身的刚度,减小了B30地块基坑开挖卸载引起玉山公园车站结构附加沉降和水平位移,降低了施工风险。

(3)通过有限元计算分析,确定了相邻基坑交叉跟进施工的安全保护距离,增加了基坑施工的安全度。

(4)相邻基坑同期交叉跟进施工时,由于距离非常近,必须编制好详细的施工组织设计,事先做好各个方面的协调工作,加强环境监测方案,真正做到信息化施工。

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