地下变电站深基坑工程的变形控制

郝 兵，李从昀，王友军

(北京电力经济技术研究院，北京 100055)

近年来，随着我国城市建设的快速发展，土地资源日渐稀缺，北京城区建设的变电站以地下变电站为主。国家电网公司“两型一化”变电站设计建设导则中提出了“环境友好型”的技术要求，而地下变电站“节地、和谐、简约”的设计原则契合了这一要求。地下变电站深基坑开挖既要保证自身施工的安全，更要保证基坑周边设施的安全和正常使用。深基坑工程对周边环境的影响主要是由于基坑的开挖卸载引起周围土体的变形，继而影响周边的建(构)筑物、市政道路、地下管线等，变形影响主要体现在基坑附近的地面沉降和周边土体的位移。因此，在地下变电站基坑支护设计时必须遵照变形控制的原则。

地下变电站基坑工程与一般建设项目相比，具有规模小，深度大，环境条件更加复杂的特点，目前国内已经积累一些复杂环境深基坑类似案例。北京地区近几年已经积累了一定数量地下变电站深基坑的经验，分析、总结已有的工程经验，对今后地下变电站工程建设的顺利开展、保证工程安全、保护环境及规避工程建设中的岩土工程风险有重要的意义。

1 变形的影响因素及控制措施

由于基坑的开挖卸载，支护结构会发生变形，位移场通过周边土体向外传递并且逐渐衰减，最终影响周边建(构)筑物的位移。基坑变形包括围护墙体的变形、基坑周围土体位移、坑底回弹和地表沉降等。一般来说，复杂环境条件下的基坑周围地层位移是基坑工程变形控制的主要问题。地表沉降对周边地下管线危害极大，是控制地下管线变形的主要控制指标。本文主要讨论由于基坑的开挖引起的土体位移问题。

1.1 基坑变形的影响因素

从基坑引起环境变形的机理分析可以得出，基坑的最终变形受多方面因素的制约，包括地层的物理力学性质、地下水条件；基坑周边建(构)筑物，市政设施和地面荷载，维护结构的刚度、支撑刚度和支护结构入土深度，支撑力的大小，土体主动区和被动区的加固方法，施工工法、开挖方法及施工周期等。

1.2 基坑变形的控制措施

根据上述分析，为了控制基坑引起的周边土体位移，可主要从三个方面考虑。一是控制支护结构的变形，例如加强支护结构的刚度，选取排桩等刚度较大的支护型式，加大支撑力、支撑刚度，优化支撑位置；加固被动区土体，增加土体抗力；加固坑外侧土体，减小主动区荷载。二是在位移场的传递路径上进行控制，如加固土体，设置隔离桩。三是采取有效的施工控制措施，例如利用时空效应规律，分时分块开挖，减小基坑变形对保护对象的影响。

2 工程概况

北京菜市口220 kV变电站是我国第一个对外开放可供参观式的220 kV运行变电站。采用框架－剪力墙结构，地上6层～12层，地下5层，置于同一基础底板，基坑面积约5621 m2，深度29.1 m，集水坑部分深30.7 m，是北京地区较深的基坑工程之一。基坑自2012年7月开挖，2013年6月挖土完成，2014年11月主体结构竣工，基坑支护采用了排桩+锚索的支护方案，地下水采用管井降水。实践证明，此种方案支护结构的变形控制得较好，周边建筑物的位移可以控制在安全的范围内，附近地铁的运营情况良好。

2.1 建筑设计概况

地下变电站基坑西侧紧邻菜市口大街辅路，地下分布有各类地下管线，以下为正在营运的地铁4号线陶—菜区间，北侧为中山会馆，东侧为珠朝街，环境条件复杂，如图1。地铁4号线陶—菜区间隧道为马蹄型复合式衬砌结构。为保证地铁的运营安全，北京市地铁运营有限公司要求“由于基坑的开挖引起的轨道垂直及水平位移均不超过3 mm”。

图1 基坑周边的环境条件

2.2 工程地质条件

2.2.1 地层岩性

基坑计算深度范围内各土层物理力学性质参数参见表1。

表1 地层物理力学性质

2.2.2 地下水条件

地下变电站工程场区分布2层地下水，第1层地下水类型为潜水，稳定水位标高为20.45 m ～ 21.68 m(埋深 25.50 m ～ 26.40 m)；第2层地下水为承压水，其稳定水位标高为18.15 m(埋深28.70 m)。

2.3 支护方案设计

经综合考虑周边环境条件及控制要求，结合地区经验，分析比选后采用桩锚支护方案。嵌入深度8.0 m，桩径1200 mm，桩距1.6 m，支撑采用7道预应力锚索，水平间距1.6 m。上部采用2.5 m高的370 mm砖砌挡墙。采用孔径800 mm的大口井降水， 井间距6.4 m，井深42 m。基坑支护详细设计计算如下。

2.3.1 内力变形计算

内力变形计算结果见图2，整体稳定性计算见图3。

图2 内力变形计算结果

2.3.2 整体稳定计算

整体稳定计算见图3。

图3 整体稳定性计算

2.3.3 周边位移预测

为了求解周边位移，本文选用解析法进行求解周边任意一点的位移。

水平位移计算见式(1)：

垂直位移计算见式(2)：

其中：

式中：η为开挖时墙趾下部土体影响深度系数；x为计算点至基坑边的距离；y为计算点至地表的距离；φ为围护墙后土体内摩擦角；n为支撑合力深度系数，一般可取为0.7；s2=f2(y)为挡墙水平变形OAB部分的变形方程。

根据上述公式，将图2的位移图按照解析法进行分解为三角形位移S1和抛物线位移S2，三角形位移函数s1=f1(y)，曲线形位移函数s2=f2(y)(0≤y≤35)，见图4。为了消除隧道结构对位移场的影响，计算点位置取距离基坑最近的隧道结构外皮M点，见图5，代入求得该点水平位移为1.3 mm，垂直位移为1.3 mm，考虑计算误差及隧道结构的调节作用，初步判断隧道底的位移可以满足不超过3 mm的要求。

图4 位移计算函数

图5 支护结构剖面图

2.4 基坑支护数值分析

方案设计同时采用数值分析软件FLAC3D进行基坑施工对既有地铁隧道影响的变形分析计算，模型大小为280 m×240 m×90 m，共计748060个单元，134161个节点。在模型的底面(z＝－44.0 m)处施加竖向约束，在模型的侧面(x＝－95，x＝145 m；y＝－90，y＝190 m)处施加水平约束。模型中的土体本构关系采用非线性弹塑性高级本构cap yield模型。基坑开挖引起维护结构和地铁隧道的竖向变形和水平变形见图6～图8。由于基坑开挖的空间效应，西侧围护结构最大水平变形约23 mm，发生在基坑中部。地铁隧道向基坑内一侧产生水平变形，最大水平变形1.26 mm，最大回弹1.69 mm。数值分析的结果与按照解析法求得的位移吻合度很高。

图6 基坑支护结构变形(m)

图7 隧道竖向变形(m)

图8 隧道水平变形(m)

2.5 施工期变形控制方法

(1)根据时空效应原理，充分发挥土体自身抗变形能力以减少土体位移。对土体开挖按照分层、分块、对称、限时的要求，采取抽条式间隔挖土，每条长度20 m。

(2)对于基坑西侧锚杆，为了增加锚固力安全储备，避免对地铁运营带来风险，对于最下面三道锚杆进行了二次、三次高压注浆，注浆压力不低于2.0 MPa，从而加大预应力。

(3)基础底板强度达到要求后，与排桩之间肥槽用混凝土与底板同时进行浇筑，确保两者之间无缝连接。基础底板浇筑后形成钢筋砼内撑，以减少基坑变形。

3 监测数据分析

工程施工阶段对围护桩、锚杆以及临近基坑的地铁隧道均进行了位移监测，按照开挖1→加支撑1→开挖2→加支撑2………加支撑7→开挖8，可分为15种工况。

3.1 维护桩位移监测

图9为基坑西侧中部的围护桩深部位移监测结果。为了便于说明，下面选取几种代表性工况做具体分析。

图9 围护桩深层位移变化情况

由图9可以总结出以下几点：

(1)支护结构随着开挖深度的加大，侧向变形逐渐增加，监测数据的抛物线变形特征明显，支护结构上部位移大，下部位移小，向下逐渐衰减，到支护结构底部时位移接近为0，说明支护结构的嵌固深度设置得较为合理。在基坑开挖至基底29.1 m深时桩顶水平位移达到13 mm(ZQ2工况15)，接近监测位移的最大值14 mm(ZQ2工况13)，这与设计位移计算的结果8.5 mm有一定差别。位移的最大值一般出现在桩顶附近，主要原因是由于第一排锚索受周边环境限制，锚固长度较短，无法施加更大的预加力来控制桩顶位移。

(2)通过比较成对的工况5和工况6，工况11和工况12……工况14和工况15，在锚索施加预应力后支护结构的变形均有明显减小，预应力锚索在控制支护结构位移方面有显著的效果。

(3)比较监测位移和设计计算位移可知，利用弹性抗力法计算的的位移与实际监测位移基本上可以吻合。

(4)需要说明的是，深层位移监测的结论只反映相对位移的变化情况，与绝对位移会有一定误差。主要原因是在测斜管安装时支护结构已经发生了一定的初始变形，因此与计算得到的支护变形有一定的出入。

3.2 隧道位移监测

从隧道道床沉降和结构位移的监测结果(图10、图11)来看，由于基坑支护结构刚度较大，施加的支撑力较大，因此地铁隧道的位移并不明显。

图10 隧道结构竖向位移

图11 隧道结构水平位移

图10为隧道右线道床回弹情况。自基坑开挖卸载开始，隧道路床的竖向位移便以回弹为主，在2月20日左右基坑开挖至第4道锚杆深度处，回弹量达到最大值2 mm，之后比较平稳，未有明显增长。这与按照平面问题的简单解析法计算位移1.3 mm相接近，与FLAC3D的数值模拟结果1.69 mm相一致，完全处于设计控制范围之内。

图11为隧道右线结构水平位移情况。从图中看出隧道水平位移的规律性似乎并不明显，在2月10日左右隧道结构水平位移达到接近最大值2 mm后趋于稳定，到基坑开挖至基底未有明显变化。与简单解析法计算得到的1.3 mm和FLAC3D数值模拟的1.26 mm十分接近，说明两种方法的变形预测比较接近实际。

通过监测结果与解析法的计算结果，数值模拟结果对比，实际位移与计算位移差别不大。

4 结论

(1)地下变电站基坑工程，由于周边的岩土工程条件复杂，因此变形控制应始终贯穿于勘察、设计、施工、监测预警预报的全过程。

(2)为了有效控制基坑周边土体的位移，可以选择结构刚度大的支护结构，加大支护桩的刚度、嵌固深度，预应力锚杆采取二次、三次压浆，并且以基础底板作为内支撑等多种方式来控制支护结构的变形。

(3)基于“荷载—结构”模型计算得到的支护结构位移与FLAC3D数值模拟的结果以及实际监测结果都非常相近，实际监测的支护结构变形抛物线特征明显。

(4)应用解析法求解周边移场的计算结果，与FLAC3D连续介质数值分析方法二者结果基本一致。并且与实际监测的隧道结构位移相比较，计算误差不大，能够大大简化位移计算，满足地下变电站基坑工程设计中的变形预测要求。

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