复杂城市环境下地铁深基坑设计关键技术研究

崔青玉

（深圳铁路投资建设集团有限公司，广东深圳 518000）

1 引言

随着我国城市化进程的快速推进，地铁建设对城市发展和市民快速便捷出行起到至关重要的作用[1]，目前，地铁已进行多轮建设规划的实施，因建设规划调整或建设时序不同，引起后续线路的建设环境更加复杂。基坑开挖对周边环境的影响主要有：①围护结构成槽（孔）时塌槽（孔）引起周围土体变形[2]；②基坑围护结构变形引起基坑外侧土体地层损失，引发建（构）筑物沉降、倾斜、开裂[3]；③基坑渗漏水及基坑内降水引起基坑外侧地下水位下降、土体固结沉降、建（构）筑物变形；④施工管理不到位引起超挖、不平衡开挖、支撑架设不及时等，造成基坑变形超控，导致周边环境变形超过允许值；⑤信息化施工不到位，施工过程中的监测布点不直接、监测数据不准确，将影响到安全管理和应急措施的实施。因此，基坑设计中围护结构选型、围护结构刚度、内支撑刚度、开挖工序、监测方案对基坑自身和周边建（构）筑物安全保护至关重要。

本文以深圳地铁6号线松岗站为工程背景，采用有限元软件分析了围护结构刚度、支撑刚度、开挖工序等对既有11号线松岗站和松岗派出所宿舍楼的位移、11号线车站受力影响，根据数值模拟分析结果，研究基坑设计关键技术措施。同时，对房屋的变形设置监测点，对11号线松岗站车站轨行区设置自动化监测点，充分掌控6号线基坑开挖对其产生的影响，做到信息化管理，确保既有建（构）筑物的安全。

2 工程概况

2.1 复杂周边环境

松岗站为深圳地铁6号线与11号线换乘站，采用“十”字换乘，11号线沿宝安大道南北向布置，位于地下二层，6号线沿沙江路东西向布置，位于地下三层。11号线车站于2016年6月28日正式通车运营，11 号线与6号线换乘节点随11号线建设一并实施完毕。6 号线于2017年4月开始对东、西两部分剩余工程进行施工建设，东西两侧基坑深均为25.8 m，东侧基坑长40.3 m，宽30.4 m，西侧基坑长35.6 m，宽30.4 m。6 号线东南象限内有一栋松岗派出所5层房屋，距离6 号线东侧基坑边1.57 m，距离11号线31.75 m，车站平面图详见图1。

图1 车站总平面图

2.2 工程地质及水文地质

松岗站属海积平原地貌，地势平坦，起伏小，地形地貌条件简单。地面标高为3.286～4.499 m。根据地质详勘资料，场地覆盖层从上至下依次为： <1-1>素填土（Q4ml）、<1-2>杂填土（Q4ml）、<2-1>淤泥质黏土（Q4ma）、<3-2>粉细砂（Q4al+pl）、<3-3>中细砂（Q4al+pl）、<3-6>硬塑状黏土（Q4al）、<5-2>砾质黏性土（Qel）、<9-1>全风化混合花岗岩（Mγ）、<9-2-1>强风化混合花岗岩（土状）（Mγ）、<9-2-2>强风化混合花岗岩（半岩半土状）（Mγ）、<9-3>中等风化混合花岗岩（Mγ）。

场地范围内地表水不发育，主要为道路两旁排水沟渠、生活排污沟槽的暂时性或季节性流水，水量小。地下水根据含水介质岩类和含水空隙特征，可划分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水2种类型。地下水具有中等腐蚀性。

3 基坑支护体系设计

3.1 基坑开挖的影响分析

本基坑需在既有11号线车站两侧进行施工 ，基坑深度大于11号线轨行区埋深，轨道对位移变形控制要求严格，一旦基坑开挖引起11号线侧移或基底因6号线基坑施工软化扰动发生沉降或倾斜，将严重影响11号线车站的安全运营。东、西两侧基坑开挖工序选择单边依次开挖还是两边对称开挖，对既有11号线车站侧移会产生何种影响值得研究分析。

本基坑对邻近松岗派出所5层房屋的可能影响主要是连续墙成槽、基坑开挖、基坑变形、土体变形对房屋桩基的影响，反映在监测方面为房屋的倾斜、开裂等。

3.2 基坑支护体系设计

基坑开挖会对初始应力场、位移场、渗流场造成改变，进而影响11号线车站变形和房屋桩基位移。基坑设计的主要原则是通过连续墙跳槽施工，控制支撑、连续墙刚度和控制开挖工序，以减少地层扰动、减小土体变形和地下水位的变化，从而控制周围建（构）筑物的变形。

基坑内支撑的支护方式为竖向设置5道支撑，第一道采用钢筋混凝土支撑，第二道至第五道采用φ600 mm（t= 16 mm）的钢管支撑，支护体系及与建筑物的相互关系详见图2。为减小连续墙成槽施工时对周围建（构）筑物位移的影响[3]，连续墙采用4 m一幅；连续墙接头处采用工字钢接头，并预埋袖阀管。基坑开挖时如连续墙接头处发生渗漏水，则通过预埋袖阀管注浆止水，以防止地下水流失引起地面沉降。

图2 围护结构横断面

4 数值模拟分析

4.1 模型建立及数值分析

基坑开挖影响范围一般为基坑深度的1～3倍，现按照3倍基坑深度建模，研究6号线剩余工程施工对邻近的松岗派出所5层房屋和既有运营的11号线的影响，通过midas-GTS数值模拟软件建立了三维仿真计算模型详见图3。模型沿纵向取300 m，沿横向取100 m，模型底部取拟建地铁下方30 m，顶面取至地表。模型前后左右面均为水平约束，底面竖向约束，地表为自由面。模型中地层、连续墙采用弹塑性实体单元模拟，服从摩尔库伦准则，既有11号线车站结构、支撑采用结构单元。

图3 三维仿真数值模型

研究步骤为：11号线部分基坑开挖→建立11号线车站结构单元→赋予相应的结构参数→地应力的平衡形成初始应力场、位移归零形成初始位移场→模拟6号线基坑的开挖对派出所房屋和11号线的影响。

根据地质详勘揭示的地层沿车站基坑纵向分布特征，对数值模型中各地层进行划分，各地层的物理力学参数，详见表1。

表1 地层物理力学参数

本文通过对3种工况进行数值模拟，研究对比开挖工序和连续墙刚度对11号线车站及房屋变形的影响。数值模拟工况1为先开挖东侧基坑，再开挖西侧基坑（连续墙厚1 m）；工况2为东西侧基坑同步开挖（连续墙厚1 m）；工况3为东西侧同步开挖（连续墙厚0.8 m）。具体步骤：基坑开挖至第一道支撑底→施做第一道混凝土支撑（beam单元）→开挖至第二道支撑下0.8 m→施做第二道钢支撑→依次开挖、架设第三至五道钢支撑→开挖至基坑底。

4.2 数值模拟结果分析

各工况条件下，既有11号线车站主体结构位移、松岗派出所房屋沉降、11号线轨道变形数值模拟数据对比详见表2，位移云图对比详见图4至图6。

图4 各工况下11号线车站结构竖向位移云图（单位：mm）

图6 各工况下轨道竖向和水平位移云图 （单位：mm）

表2 各工况条件下位移对比 mm

经研究分析，因换乘节点既有结构自身刚度较大，东西侧基坑分步开挖和同步对称开挖对位移、变形、内力等方面影响程度接近。但是，连续墙刚度对控制车站和房屋沉降影响较大，当连续墙厚度为0.8 m时，车站、房屋及轨道竖向位移较1.0 m时明显加大，两者对轨道水平位移的影响因荷载对称释放而一致。

数值模拟结果满足房屋沉降控制值30 mm，倾斜控制值2‰；轨道变形满足运营线路轨道静态尺寸容许变形值：轨道高低、轨向变形小于4 mm / 10 m，两轨道横向高度差小于4 mm，三角坑高低差小于4 mm / 18 m；扭曲变形小于4 mm / 6.25 m；轨距偏差为+3 mm /-2 mm。

5 监控量测

5.1 监测方案

根据运营地铁保护管理办法和基坑监测规范相关要求，结合建（构）筑物的实际情况，布置沉降监测点，具体布置详见图7、图8。房屋沉降控制值按30 mm控制，倾斜控制标准为2‰；11号线车站绝对位移量20 mm；运营线路轨道静态尺寸容许变形值：轨道高低、轨向变形小于4 mm / 10 m，两轨道横向高差小于4 mm，三角坑高低差小于4 mm / 18 m；扭曲变形小于4 mm / 6.25 m；轨距偏差为+3 mm /-2 mm。11号线站厅层结构柱监测点布置及监测点编号ZJGC-1～ ZJGC-16详见图7，派出所房屋监测点布置及监测点编号JGC49～ JGC52详见图8。

图7 地铁11号线站厅层结构柱监测点布置图

图8 松岗派出所房屋监测点布置图

图5 各工况下房屋沉降云图 （单位：mm）

5.2 监测结果分析

基坑开挖2017年4月开始施工，2019年1月顶板覆土完毕，松岗派出所5层房屋靠近基坑侧JGC-50最大沉降值-29.8 mm，JGC-51最大沉降值-29.4 mm，远离基坑边房屋JGC-48最大沉降值-54.1 mm，JGC-49最大沉降值-45.2 mm，靠近基坑侧沉降值小于远离侧的沉降值，符合地层损失抛物线规律，沉降值超过控制值30 mm，但差异沉降及房屋倾斜率较小，倾斜率计算为1.4‰，小于2‰控制值，房屋结构安全，具体监测点竖向位移曲线见图9。

图9 松岗派出所监测点竖向位移

11号线车站结构柱监测点ZJGC-1～ ZJGC-16的 竖 向 最 大 隆起值为4.6 mm，竖向最大沉降值为-7.1 mm，竖向隆起主要因为既有车站顶板卸载及改变周围约束条件所致，竖向沉降因两侧基坑降水及开挖扰动所致，总体位移绝对值均小于20 mm控制值，具体监测点竖向位移详见图10。

图10 松岗站主体结构竖向位移

6 结论

比较数值模拟结果与现场监测数据可得出如下结论。

（1）邻近既有建（构）筑物采用连续墙加内支撑的的支护方案是安全可靠的。

（2）围护结构变形引起背后的土体变形整体符合地层损失抛物线形态，最大位移出现在基坑外一定距离。

（3）基础形式为摩擦桩的房屋受基坑开挖影响较大，沉降控制标准建议以不均匀沉降和倾斜率控制，实时加强监控量测确保房屋结构安全。

（4）开挖基坑深度不大于受保护的既有车站时，施工过程中因卸载、降水及地基扰动会引起车站位移，竖向位移总体可控，不影响既有线路安全运营，有条件的情况下应采用对称卸载方式，避免不平衡水土压力作用引起既有结构侧移。

（5）通过本文连续墙刚度及支撑刚度对比，可见靠近既有建（构）筑的基坑围护结构应采用较大的支护刚度，这对控制邻近既有房屋的影响是有效的。