地铁深基坑内支撑预应力对基坑变形的影响浅探

徐德馨，彭汉发，周玉琴

(1.武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022； 2.湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉 430070)

1 引 言

随着全国城市化进程的推进，城市地下空间开发利用热潮兴起，城市地铁项目正在紧锣密鼓地开工建设。而地铁通常穿越城市最繁华的路段，周边环境严峻，且地铁车站基坑大都采取明挖法，开挖深度多超过 12.0 m，有些甚至超过 15.0 m，属于超深基坑，基坑开挖易导致周边房屋沉降开裂、道路下沉、管线破裂等，严重影响周边建(构)筑物的安全。怎么在地铁设计和施工过程中采取合适的技术措施[1～6]，把基坑施工对周边建(构)筑物的影响[7～10]控制在容许范围内，是一个十分重要的研究课题。本文对武汉市典型地层(在武汉市分布范围较广)一个超深地铁基坑进行开挖与周边建(构)筑物的共同作用数值分析，探讨了支撑预应力技术措施对周边建(构)筑物的影响，研究结果对顺利开展地铁建设和保障城市安全具有重要的借鉴意义。

2 工程及地质概况

2.1 工程概况

拟建地铁车站为地下2层、10 m岛式站台车站，车站外包尺寸为 184 m×18.5 m×12．71 m(长×宽×高)，车站顶部覆土约 3 m采用明挖法施工，标准段明挖基坑深度 15.9 m，宽度 18.5 m，钢管内支撑水平间距为 3.0 m；盾构井加深加宽段明挖基坑深度 17.2 m，宽度 22.9 m。车站维护结构采用 800 mm厚连续墙加钢管内支撑，墙深共分三种，北端头盾构进出洞处 31.0 m深，端头井部位 27.5 m，标准段 25.8 m。基坑支护安全等级为一级。地铁基坑北部三维数值分析模型如图1所示。

图1 基坑北部三维数值分析模型

标准段典型剖面设置内支撑三道，剖面布置图如图2所示。

图2 标准段剖面支护布置图

车站基坑周边环境严峻，车站东侧为商用楼及老式住宅楼，住宅建筑密集，距离基坑 11 m～14 m；周边地下管线密集，种类多，有些临近管线被迁移处理，距离基坑东侧 6 m处的铸铁给水管线是最重要的监测管线。

2.2 场地地层概况

场地地层分布如下：

①(1-1)层为杂填土(Qml)，成分较杂，厚度总体不大，结构松散且疏密不均，建筑性能差。

场地地层物理力学参数如表1所示。

基坑场地地层物理力学参数 表1

3 基坑标准段开挖数值分析

3.1 数值分析模型和计算参数

由于基坑北端和南端基坑底部均进行了加固，且周边均没有建筑物，标准段2-2剖面测斜布置点CX-04处有建筑物，距离基坑开挖边线约 11 m，建筑物为1～4层砖混结构，天然地基，本次分析的对象为该剖面，称为标准段典型剖面。

建(构)筑物等效荷载60 kPa，分布范围 10 m。根据基坑场地土层情况及支撑布置情况以及周边建(构)筑物情况，建立基坑共同作用数值分析的平面应变模型[11，12]，如图3所示。

图3 标准段剖面数值分析模型图

根据本基坑勘察报告和土工试验成果，典型剖面地层修正剑桥模型[13～15]力学参数如表2(表中，自然对数压缩指数λ、自然对数回弹指数k、泊松比μ、临界状态应力比M、初始孔隙比e0、静止土压力系数k0)。

典型地层修正剑桥模型力学参数 表2

地下连续墙厚0.8 m，采用线弹性模型，弹性模量为2.4×107kPa，泊松比为0.2；3道支撑，第1道φ609@12(直径 609 mm、壁厚 12 mm)，第2、3道φ609@16(直径 609 mm、壁厚 16 mm)，钢管内支撑采用线弹性模型，弹性模量为2.0×108kPa，泊松比为0.2。

3.2 数值分析与监测结果对比

在该地铁站基坑设计过程中，进行初步计算，得到设计轴力和预加轴力如表3所示。

支撑设计和预加轴力值 表3

按初步设计预加轴力值对3道内支撑施加预应力，对基坑开挖进行分步开挖模拟，基坑开挖到坑底后数值分析计算结果见图4、图5(云图位移单位为m)。

图4 基坑开挖到坑底后水平位移分布云图

图5 基坑开挖到坑底后垂直位移分布云图

数值分析地下连续墙计算结果与测斜CX-E4监测结果对比如图6所示，从图中可知，基坑在施加预应力情况下，墙顶位移朝向基坑外侧，到基坑开挖深度约 14 m，即坑底上 1 m～2 m处，地下连续墙向坑内位移到达最大，数值分析计算结果与测斜监测结果分布规律基本一致。

图6 基坑开挖到坑底后地下连续墙水平位移计算与监测结果分布图

从图7基坑开挖到坑底后周边地表沉降分布图中可以看到，地表沉降最大值位于建筑物处，约为 16.7 mm，监测结果为 15 mm；在内支撑预应力作用下，基坑开挖边线处土体有少量隆起，周边地表最大沉降量得到了很好的控制。

图7基坑开挖到坑底后周边地表沉降计算与监测结果图

4 内支撑预应力在超深基坑开挖中的作用分析

从上节数值分析计算结果可知，内支撑在基坑开挖过程中施加预应力后，基坑变形较小，本节来对基坑内支撑施加预应力与否的效果进行对比分析。

当基坑开挖时内支撑不施加预应力时，基坑开挖到坑底后位移分布云图如图8、图9所示。

图8 未施加预应力开挖到坑底后水平位移分布云图

图9 未施加预应力开挖到坑底后垂直位移分布云图

为了更好地比较内支撑施加预应力与未施加情况下对基坑变形的影响，把两种情况下基坑开挖到坑底后，地下连续墙水平位移和基坑周边地表沉降曲线分别进行对比，如图10、图11所示。

从图10施加预应力与否连续墙水平位移分布对比图中，可知内支撑不施加预应力后，地下连续墙变形有着明显增加，不过最大水平位移位置与施加预应力时相同。

从图11施加预应力与否地表沉降分布对比图中可知，内支撑不施加预应力后，地表沉降有着明显增加，不过最大沉降位置与施加预应力时相同。

图10 施加预应力与否连续墙水平位移分布图

图11施加预应力与否地表沉降分布图

施加预应力对基坑变形的影响对比分析 表4

从表4施加预应力对基坑变形的影响对比分析中可以发现，基坑内支撑施加预应力后，基坑变形(水平位移和地表沉降)可以减少约1/3；基坑内支撑施加预应力不改变基坑支护结构、周边沉降的变形形态(变形分布曲线)，与不施加预应力的支护形式的变形机理基本一致。对于周边建(构)筑物密集、周边环境严峻的基坑，施加预应力是一个很好的控制基坑运行期间变形的措施。

5 结 论

(1)一级阶地一般黏性土典型地层超深基坑施加预应力后，支护体系最大水平位移常可控制在1‰～2‰这种较小的范围内，最大沉降与最大水平位移比较接近，且沉降影响较大的范围约为1.5H(H为基坑开挖深度)。

(2)施加预应力对基坑变形的影响对比分析中可以发现，基坑内支撑施加预应力后，基坑变形(水平位移和地表沉降)可以减少约1/3，对于周边建(构)筑物密集、周边环境严峻的基坑，施加预应力是一个很好的控制基坑运行期间变形的措施。

(3)超深基坑由于其重要性，支护刚度通常较大，加上内支撑施加了预应力，对控制基坑变形的能力较强，支护体系侧土体应力分布规律和未施加预应力的基坑有所不同，其应力分布规律和变形机理有待进一步研究。