紧贴地铁结构深基坑的优化设计及控制措施

叶均良，黄志斌

（1、佛山市铁路投资建设集团有限公司 广东佛山528000；2、中交佛山投资发展有限公司 广东佛山528000）

0 引言

近年来，随着城市地下空间的发展，深基坑项目临近地铁结构不断涌现，更有甚者与地铁结构紧贴并共用地铁围护结构［1-5］。对该类基坑工程的支护设计，要么按照常规场地条件考虑或因缺乏经验而随意冒进，忽视基坑支护对地铁结构产生的不利影响，要么过度夸大基坑开挖对地铁结构造成的影响，设计过于保守，增加了建设成本和影响工程建设进度。对该类基坑工程采取设计优化和施工控制措施，既能确保地铁结构和基坑结构安全可控，又能节省资源和方便施工，是值得深入研究的课题［6-9］。

本文以某大型紧贴地铁结构深基坑设计和施工为背景，利用数值分析软件对基坑开挖过程进行动态模拟分析，优化了基坑设计方案，提出了施工过程相关的控制措施，为控制临近地铁结构变形提供了保障。

1 工程概况

1.1 基坑与地铁空间关系

佛山市某广场深基坑项目总用地面积2.72万m2，基坑周长为641.2 m，本项目为地上1层、地下2层结构，基坑开挖深度为9.85～10.25 m，局部集水井、电梯井等超挖0.8～3.7 m，基坑安全等级为一级。

本项目位于佛山市某地铁站东侧，与地铁车站风亭及冷却塔紧贴，局部共用围护结构，与地铁区间隧道结构最小净距为17.9 m，处于地铁结构的特别保护区内，该基坑施工对地铁结构的影响等级为特级，项目基坑与地铁结构平面关系如图1所示。

图1 项目基坑与地铁结构平面关系Fig.1 Plane Relationship of the Foundation Pit and Subway Structure

1.2 地铁结构概况

佛山市某地铁车站为地下2层三跨钢筋混凝土框架结构，车站总长度336.4 m，标准段宽21.9 m，底板底埋深约17～19 m，车站基底部分位于〈8-2〉中风化砂岩层，部分位于〈7-2〉强风化砂岩层。冷却塔和风亭与某广场深基坑紧贴并共用围护结构，冷却塔基坑深7.6 m，风亭基坑深10.3 m，共用围护结构采用A型钻孔灌注桩φ800@1 000 mm，外设φ700@500 mm水泥搅拌桩止水帷幕，风亭所在地层有较厚的〈2-1B〉淤泥质土。隧道管片外径6.0 m，内径5.4 m，采用C50混凝土，防水为P8等级，如图2所示。

图2 地铁隧道断面Fig.2 Sectional of the Subway Tunnel（mm）

2 基坑优化设计

2.1 原设计基坑方案

原设计的基坑围护结构采用φ1 000和φ1 200钻孔灌注桩结合φ850@600三轴搅拌桩止水帷幕形式，基坑分别在±0.00 m和-5.50 m处各设置1道900 mm×1 000 mm混凝土支撑，主撑平面采用对撑、角撑结合桁架的形式，对撑间距约为8 m，如图3所示。

图3 原设计基坑支撑平面Fig.3 The Original Design of the Foundation Pit Support（mm）

2.2 优化后基坑方案

为提高地下室主体施工和土方开挖的便捷性，缩短开挖工期，需对原设计方案进行优化。取消了原第2道混凝土支撑的设置，调整为局部三角位设置混凝土支撑，在与地铁共用围护结构和靠地铁隧道侧，局部设置D710×12钢管斜撑，如图4和图5所示。

图4 优化后基坑第2道支撑平面Fig.4 The Second Support of the OptimizedFoundation Pit（mm）

图5 优化后基坑钢管斜撑断面Fig.5 Sectional view of Steel Pipe Diagonal Brace of the Optimized Foundation Pit（mm）

3 优化设计受力分析

本文采用有限元分析软件Miads GTS/NX建立三维整体数值模型，对上述工程进行了实际开挖过程的动态模拟，重点研究基坑开挖卸载过程中对紧邻地铁结构的变形情况。基坑数值计算模型外扩范围不小于3倍基坑深度，包括地铁车站、地铁隧道和拟开挖基坑，模型计算范围长约360 m，宽约240 m，土层计算深度为50 m，如图6所示，地层参数如表1所示。荷载考虑为岩土层自重、结构自重、施工荷载和坑边超载20 kPa等，模拟施工工况如表2所示。

表1 岩土层主要物理力学参数Tab.1 The Main Physical and Mechanical Parameters of the Rock and Soil Layer

表2 模拟施工步骤Tab.2 Construction Step Simulation

图6 优化后的基坑计算模型Fig.6 Calculation Model of the Optimized Foundation Pit

在各工况下，地铁车站、附属结构和隧道的位移对比情况如图7所示。由图7可知，由于优化后的基坑支护整体刚度比原设计的有所减弱，故优化后的基坑造成临近地铁结构的水平位移比原设计的要大，地铁车站、附属结构和隧道的最大值分别为3.76 mm、5.46 mm和3.33 mm（见图8），分别比原设计增大了16.4%、25.2%和41.1%，但均小于《城市轨道交通结构安全保护技术规范：CJJ/T 202—2013》［10］的预警值10 mm的要求。由于地铁结构均进行了基底处理，故基坑开挖对地铁结构沉降影响较小，满足文献［10］要求。

图7 各工况下地铁车站、附属结构、隧道位移对比Fig.7 Comparison of Displacements of the Subway Station，Ancillary Structure and Tunnel under Various Working Conditions

图8 优化后地铁车站、附属结构、隧道最大水平位移Fig.8 Maximum Horizontal Displacement of the Subway Station，Ancillary Structure and Tunnel（Optimized Design）

4 优化设计对比情况

优化设计与原设计各主要影响因素对比情况如表3所示，由表3可知，通过优化设计，在满足地铁保护相关要求情况下，该基坑支护减少了钢筋混凝土支撑的设置，有效提高了地下室主体施工和土方开挖的便捷性，减少内支撑拆除对地下室主体施工的影响，有效地缩短了工期和提高了经济效益。综上所述，该优化设计是可行和必要的。

表3 优化设计与原设计各主要影响因素对比情况Tab.3 Comparison of the Main Influencing Factors between the Optimized Design and the Original Design

5 施工控制措施

⑴土方开挖时，严禁采用爆破法开挖，挖土过程中严禁施工机械碰撞和碾压支护结构，土方开挖应做到先撑后挖，待围护结构和支撑强度达到设计80%后方可开挖，土方开挖应遵循“对称开挖、分层开挖、严禁超挖”的原则，开挖过程中确保支护结构对称受力，如图9所示，开挖至坑底后，立即施工素混凝土垫层。

⑵预留反压土，设置斜撑，先开挖离地铁远侧区域，完成底板浇筑，再开挖靠地铁近侧。为减少紧贴地铁附属结构的变形，在风亭口增设2道D609×16钢管对撑，如图10所示。

图10 地铁风亭口增设钢管对撑Fig.10 Additional Steel Pipe Support in the Subway Wind Pavilion

⑶换撑时要待结构楼板及换撑板带强度达到设计值的80%后方可拆除支撑，且应严格按照设计要求的步骤换撑，支撑拆除时应避免支撑应力的瞬间释放，支护桩与地下室外墙间隔采用素混凝土回填。

⑷强化信息化管理，在基坑开挖前，对地铁结构开展现状情况调查和分析，并做好地铁结构的初始值监测，以便监测后续变形量。

⑸加强地下水位的监控测量工作，增加坑外地下水观测井，记录好初始水位值及各工况条件下的水位变化情况，地下水位降低幅度控制值设定为2.0 m。

6 效果评价

目前，该基坑建设基本完成。施工过程中，对地铁车站和附属结构采用人工测量，对地铁隧道采用全自动化监测［11］。监测结果为：地铁结构最大变形量为5.24 mm，附属结构最大变形量为6.26 mm，隧道结构最大变形量为7.18 mm，实测数据与有限元计算情况相符，均小于文献［10］的预警值10 mm的要求，项目基坑结构和地铁结构均安全可控。

7 结语

本文以某大型紧贴地铁结构深基坑设计和施工为背景，利用数值分析软件对基坑开挖过程进行动态模拟，通过对比分析，得出了优化设计的必要性和可行性。施工过程中采取了相关控制措施，并取得了良好的施工效果，可为以后同类工程实践提供借鉴。得出主要结论如下：

⑴优化后的基坑设计，取消了原第2道混凝土支撑的设置，调整为局部设置2层钢筋混凝土撑，靠地铁侧局部设置钢管斜撑。基坑整体刚度虽然有所下降，但仍满足地铁保护相关要求。

⑵基坑方案优化后，有效提高了地下室主体施工和土方开挖的便捷性，减少内支撑拆除对地下室主体施工的影响，有效地缩短了工期和提高了经济效益。

⑶基坑开挖时，预留地铁侧反压土，设置斜撑，先开挖离地铁远侧区域，完成底板浇筑，再开挖靠地铁近侧，在地铁附属结构内增设钢管支撑，有效减少了临近地铁结构的变形。

⑷加强施工过程管理，对地铁结构变形采用自动化监测和人工巡视相结合的措施十分必要。