中心岛支护体系在风化岩条件下临地铁深基坑工程中的应用

刘双桥，程 康，宋 志，周 豪，彭 威

（中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北 武汉 430064）

0 引言

随着城市地下空间的不断发展，由于建设项目工程规模、区域位置、施工工况等日益复杂，导致深基坑工程设计和施工难度不断增加［1］。本文基于武汉梦时代广场项目，介绍了中心岛支护体系在城市中心紧邻地铁风化岩地质条件下深基坑工程的应用。

1 工程概况

1.1 工程总体概况

武汉梦时代广场项目位于武汉市武昌区，北侧紧邻地铁宝通寺站，地下 4 层、地上 9 层，总建筑面积约为79.58 万 m2，地下面积 33.85 万 m2，为集商业、餐饮、室内乐园、冰雪乐园为一体的特大型商业综合体。武汉梦时代广场项目效果图如图 1 所示。

图1 武汉梦时代广场项目效果图

1.2 临地铁侧深基坑工程概况

基坑北侧紧邻武汉市最繁忙的地铁二号线区间及宝通寺站，如图 2 所示。基坑开挖深度约 17.8 m，基坑边距离地铁二号线宝通寺站站房结构最近为 3.9 m。根据 GB 50911－2013《城市轨道交通工程监测技术规范》，要求车站结构及区域区间隧道结构绝对沉降量≤10 mm、绝对水平位移及上浮量≤5 mm。

图2 临地铁侧基坑支护平面图

1.3 工程地质条件

本工程位于锅顶山-王家店褶皱的倒转背斜的核部。基坑开挖范围内大面为强风化、中风化粉砂质泥岩，局部存在微风化粉砂质泥岩，地下水主要为上层滞水（见表 1）。

表1 地基土分层工程特征指标

2 设计选型［2］

2.1 选型分析

本工程基坑主要存在以下三方面特点。

1）基坑平面面积达 9.53 万 m2，北侧开挖深度达17.8 m。

2）基坑周边环境复杂，变形控制要求高。

3）开挖深度范围内多为风化岩，强度大，土石方开挖困难。

临地铁侧变形控制严格，而由于开挖面积极大，无法大面设置钢筋混凝土支撑，基坑支护选型初期，可供选择的主要支护类型有逆作法、中心岛法、桩锚法三种。

对于逆作法，施工安全性有保障，但地下岩层埋深浅埋层厚，土石方开挖难度较大，严重影响施工进度，且地下室施工质量难以保证。

对于中心岛法，即完成支护桩施工后，由上至下逐层开挖土石方并预留反压土，优先进行反压土体外地下室结构（即中心岛）施工，施工中心岛与支护桩间对撑后，由上至下开挖反压土石方，最后顺做反压土体区剩余地下室结构并逐层换撑直至地下室结构封顶。该方式兼顾进度、质量、安全、成本［3］。

对于桩锚法，即支护桩+锚索的支护方式，在完成支护桩施工后，由上至下逐层开挖土石方并插入施工锚索，完成土石方开挖后由下至上顺做地下室结构。此支护方式在施工进度、地下室施工质量、基坑支护安全、支护结构造价等方面均存在优势，但受限于北侧紧邻地铁区间及站房，锚索将侵入地铁保护区，故未采用（见表 2）。

表2 支护体系选型对比

在综合考虑施工对周边影响、位移控制、坑内施工空间、施工工期、地下室施工质量、施工成本、各方态度等因素的基础上，最终采用中心岛支护体系。

2.2 中心岛支护体系设计

1）单排桩设计。本基坑工程竖向支护体系采用单排桩支护体系，桩长 24 m，桩径 1 200 mm，桩心间距1 400 mm，冠梁尺寸 1 400 mm×1 000 mm，如图 3 所示。桩立面采用挂网喷锚进行防水抗渗。

图3 单排桩布设形式（单位：mm）

2）预留反压土体设计。基坑北侧临地铁区域采用中心岛开挖形式，并在基坑周边预留反压土体，为单排桩提供水平支撑反力。预留反压土体为三级放坡形式，放坡坡比为 1∶0.5，边坡平台宽度为 3 m，临空面采用土钉挂网喷锚支护对土体进行防护。如图 4 所示。

图4 预留反压土体剖面图（单位：mm）

3）利用地下室结构设置水平对撑设计。完成中心岛地下室结构施工后，需要为单排桩支护体系提供水平向支撑，起换撑作用，以开挖反压土体。本设计采用两层 600 mm×800 mm 钢筋混凝土对撑梁结合地下室主体结构构件作为水平内支撑体系，标高分别为 -5.1 m、 -11.7 m。对撑梁一端位于中心岛地下室结构侧，另一端位于支护桩侧。由于风化岩层土体强度大，小型设备无法开挖，为保证大型设备土方开挖净空需求，设计抬高了对撑高度，在中心岛地下室结构侧设置反力墩，以保土石方开挖需求。整体设计如图 5 所示。

图5 中心岛支护体系剖面图（单位：mm）

3 施工工况及有限元模拟分析

3.1 施工工况分析［4］

中心岛支护体系其施工原则应首先施工留土区支护结构，并通过支护结构和留土反压作用形成整体受力体系；再开挖中部区域土方，提供中部区域结构施工工作面；之后施工中部区域结构和作用在永久结构上的内支撑体系，形成受力转换后开挖留土区土方，施工留土区结构［5］。

1）工况 1。先施工支护桩、立柱桩及钢格构柱，再进行土方开挖至冠梁底标高，施工冠梁。如图 6 所示。

图6 工况 1 示意图

2）工况 2。边跨采用留土放坡，随开挖进度对留土区域进行喷锚支护，中心区域土方全部挖除，如图 7 所示。

图7 工况 2 示意图

3）工况 3。施工中心区域地下室结构，待中心区域地下室结构全部施工完成后施工第一道内支撑、腰梁和反力墩，如图 8 所示。

图8 工况 3 示意图

4）工况 4。将边跨留土（开槽）开挖至第二道腰梁底，施工第二道腰梁、第二道内支撑和反力墩，如图 9 所示。

图9 工况 4 示意图

5）工况 5。将边跨留土全部挖除，开挖至基坑底标高，如图 10 所示。

图10 工况 5 示意图

6）工况 6。将边跨结构施工至 -3 层楼板，对底板肥槽进行同等级素混凝土回填，施工 -3 层换撑板，拆除第二道支撑、腰梁及反力墩，如图 11 所示。

图11 工况 6 示意图

7）工况 7。将边跨结构施工至 -1 层楼板，施工 -2、-3 层换撑板，拆除第一道支撑、腰梁、反力墩及钢立柱，如图 12 所示。

图12 工况 7 示意图

8）工况 8。地下室结构施工完成，土方回填至设计标高，如图 13 所示。

图13 工况 8 示意图

3.2 有限元模拟分析［6］

1）建模过程。本文使用 MIDAS GTS 软件计算，采用一维梁单元模拟围护桩、混凝土支撑、钢斜抛撑、楼板、柱等结构，单元截面形状及大小尺寸按实际施工图的尺寸确定。通过设置梁单元的间距以实现围护桩、混凝土支撑等构件力学行为的平面模拟。

选取地铁宝通寺站Ⅰ号出入口典型剖面进行分析，建立基坑开挖有限元模型如图 14 所示。

图14 计算模型示意图

为准确模拟基坑施工对地铁宝通寺站Ⅰ号出入口的影响，具体分析步设置如下：①地应力平衡（在考虑重力荷载及地面超载等先期荷载的作用下，完成内力计算，软件自动平衡地层变形，要求在本分析步完成后，地层变形量小于 10-5m）；②宝通寺站出入口及主体结构施工（移除出入口及车站主体结构范围内的土体单元，转换出入口及车站主体结构单元属性，激活车站主体结构中柱单元，位移清零）；③围护桩施工（激活围护桩单元）；④先期留反压土施工（移除除反压土外的土体，激活中间跨部位的楼板、柱等结构单元）；⑤后期架设第一道混凝土支撑（激活第一道混凝土支撑单元）；⑥后期开挖反压土及架设混凝土支撑（依次移除反压土单元，在第二道混凝土支撑附近激活混凝土支撑单元后，继续移除反压土单元，直到开挖至基底）；⑦后期施工边跨结构（依次激活边跨板、柱单元，移除支撑单元，直至顶板，施加上部结构荷载）。

2）分析结论。由图 15 可以得知，地层最大水平位移出现于围护桩底部，最大位移约为 7.5 mm，地层最大竖向位移出现于基坑底部，最大位移约为 36 mm。

图15 开挖到基坑底工况地层变形云图

由图 16 可知，基坑反压土开挖完成后，地铁车站及出入口的最大水平位移约 2.4 mm，最大竖向位移约4.07 mm。基坑开挖导致地铁车站主体和出入口结构的水平、竖向位移均较小。

图16 开挖到基坑底地铁结构变形云图

4 测量机器人自动化监测

4.1 监测方案

4.1.1 监测内容及测点布设

按照地铁公司意见，结合本工程特点、设计要求及类似工程经验，地铁监测范围为地下室基坑工程直接影响区域的地铁二号线平行区段双线车站隧道。自动化监测区域右线约 500 m 范围，隧道里程为 DK 20+749～DK 21+139 范围，沿隧道两端各延伸 30 m 布设稳定不动参考基准点，拟采用四台高精度测量机器人（TM 30），对应用来监测车站隧道结构的水平位移和沉降的三维形变，隧道测点断面布置间距约 20 m。共计 11 个监测断面（见图 17），每个监测断面 3 个监测点（其中在第 6 个监测断面架设测量机器人，该测量断面仅布设 2 个监测点），包含如下监测项目：道床沉隆及水平位移监测；结构侧壁沉隆及水平位移监测；现场安全巡视。

图17 监测布点示意图

4.1.2 监测频率

①地铁车站隧道结构水平位移、隆降（测量机器人自动化监测）采取 24 h 不间断监测，基坑开挖施工期间每天观测 3 次，基坑主体结构施工期间每天观测 1 次；②当监测数据出现异常后，应加密监测频率，并及时通知相关各方做好应急措施；③地铁结构安全现场巡视，频率每 3～4 周 1 次，监测结果异常时，根据现场实际情况增加频率，现场安全巡视工作，以目测为主，查看地铁结构是否有异常等情况，必要时配合拍照等技术。

4.2 监测结果

选取中心区域地下室结构施工时典型监测结果分析，如图 18 所示。

图18 监测结果曲线图

由监测结果显示，道床沉降最大值为 1.4 mm，水平位移最大值为 1.4 mm，各项监测项目数据均在监测报警值范围之内，满足工程设计和地铁管理部门的要求。

5 结语

武汉梦时代广场项目北侧临近地铁二号线区间及站房，采用中心岛支护体系，有效结合留土反压和结构支撑，经过现场实践，中心岛支护体系在风化岩地质条件下相对逆作法更有优势，一方面风化岩强度高，采用中心岛支护体系结合留土反压变形可控，另一方面便于大型设备开挖，大大提高了土石方开挖的效率。采用自动化测量机器人对地铁变形实施不间断监测，其监测结果可供施工方动态调整，表明中心岛支护体系在风化岩地质条件下临地铁深基坑工程中是一个新的设计思路［7］。Q