地铁车站附属明挖基坑开挖分析

曾超

（中铁第五勘察设计院集团有限公司东北分院,黑龙江 哈尔滨 150000）

随着我国城市化进程的不断加速,城市用地日趋紧张,地铁车站往往敷设在城市主干道人流量大、建筑物密集的位置。为降低基坑开挖的风险需从自身风险、环境风险和监控量测等方面综合考虑分析,从而选出相对稳定安全的基坑开挖支护方案。

1 工程概况

本站位于哈尔滨市主干道,2 号出入口周边现状为办公楼（高层民用住宅裙房建筑3/16 层）,框架结构,一层地下室,桩基础,深约22m 左右,地下现状为商服及住宅小区停车场。该建筑物距离2 号出入口最近处约为3.1m,出入口最深处覆土约7.2～7.6m,标准段跨度为7.7m,人防段跨度为9.2m；基坑开挖最深处深度约14.5m,平直段深度约13.5m,采用明挖法施工。本站所处地貌单元为岗阜状平原,地基土分布较均匀,性质变化较大。表层由杂填土组成,上部地基土主要由粉质黏土组成,下部主要由中粗砂夹厚薄不均的黏性土组成。地面标高在141～142m 左右,自然高差约为0.8m 左右。

2 风险分析及设计应对措施

2.1 风险分析

基坑开挖时不论是对基坑自身的影响,还是对周边环境的影响,关键环节在于基坑变形的控制,控制好基坑变形,不仅能更好的保证基坑自身的安全,更能减小对周边环境的影响。从设计角度来说,基坑变形控制不当的主要原因在于支护结构偏弱或支撑体系设计不合理,因此针对风险,基坑支护进行了针对性设计：

a.本场区为粉质黏土,基坑范围内无地下水,基坑深（约13.5m）,临近重要建筑物,保护要求较高。因此设计拟采取Φ800mm 围护桩来控制基坑变形,进而减少对建筑物沉降的影响。

b.结合13.5～14.5m 的基坑深度设置了三道钢支撑（直径609mm,壁厚16mm）。为最大程度控制变形,将第一道支撑设置于贴近地面位置,有效控制第一步开挖引起的变形,将第二道支撑设置于顶板以上位置,有效控制开挖和拆除下部支撑工况的变形；将第三道支撑设置于距坑底4m 处,在保证施工空间的同时,保证最大程度的控制基坑变形。

c.通过理论计算及数值模拟计算,来预测分析基坑开挖产生的土体扰动对建筑物沉降的影响（现取最不利两工况为例）,计算分析结果如下：

拆除第三道支撑：（图1、2）

图1 围护结构变形图

图2 建筑物沉降图

该工况为:底板浇筑完成,拆除第三道支撑,此时围护结构最大变形为18.87mm,通过模拟计算结果可知,与基坑相邻两排桩基受基坑开挖影响最大,沉降值分别为0.0019m 及0.0011m,差异沉降值约为0.0008m。

拆除第二、一道支撑及回填：（图3、4）

图3 围护结构变形图

图4 建筑物沉降图

该工况为:主体结构完成,拆除最后两道支撑及回填：此时围护结构最大变形为18.87mm,围护结构水平位移≤0.3%H（H 为基坑深度）且小于等于30mm；通过模拟计算结果可知,与基坑相邻两排桩基受基坑开挖影响最大,沉降值分别为0.0023m 及0.0014m,差异沉降值约为0.001m。根据《建筑地基基础设计规范》规定,结合本工程特点,建筑物差异沉降允许值取0.001L（L 为基础净距=7m,0.007m),建筑物沉降允许值取15mm,建筑物倾斜取0.001 作为控制值指标。建筑物差异沉降值0.001m＜0.007m,小于控制值。

通过上述分析可知,在基坑开挖过程中,对建筑物影响最大的工况为拆除第三道支撑时,桩水平位移达到最大变形值,建筑物的沉降值也有较大突变,因此该工况为风险最大的工况；随着基坑开挖至结构回筑工序中,建筑物沉降随之增加,拆除第一、二道支撑后,沉降最终达到最大。

2.2 设计应对措施

2.2.1 控制基坑变形及控制周边环境风险的常用措施主要从自身措施和附加措施两方面考虑。

自身措施主要包括：

a.优选围护结构形式；

b.提高围护结构刚度。

附加措施：

a.隔离保护；

b.土体改良；

c.其他措施。

本场区为粉质黏土,基坑范围内无地下水,基坑深（约13.5m）,临近重要建筑物,保护要求较高。因此设计采取加强基坑自身措施来控制基坑变形,进而减少对建筑物沉降的影响,即采取Φ800mm 围护桩+3 道钢支撑（1.5m、5m、4m,基坑变形不利位置）体系。

2.2.2 因建筑为重要建筑物,距离基坑较近,基坑变形会引起土体扰动,导致建筑物沉降,因此基坑变形控制标准按照二级进行设计：地面沉降量≤0.2%H（基坑深度）,水平位移0.3%H（基坑深度）且≤30mm。

2.2.3 针对各工况风险,尤其在拆除第三道支撑工况时其风险最大,提出合理的基坑开挖顺序及相关要求,如结构混凝土未达到强度要求时,不得拆撑等。

3 风险监控量测

3.1 监控量测控制标准

根据《建筑地基基础设计规范》规定,结合本工程特点,建筑物差异沉降允许值取0.001L（L 为基础净距=7m,0.007m), 建筑物累计沉降允许值取15mm,建筑物倾斜取0.001 作为建筑物各项指标控制值。

3.2 监控预警的原则及处理措施

城市轨道交通工程监测应根据工程特点、监测项目控制值、当地施工经验等制定监测预警等级和预警标准。城市轨道交通工程施工过程中,当监测数据达到预警标准时,必须进行警情报送。

根据轨道交通工程监测预警体系,工程监测预警等级可划分为三级,黄色预警为变形监测的绝对值和速率值双控指标均达到控制值的70%,或双控指标之一达到控制值的85%；橙色预警为变形监测的绝对值和速率值双控指标均达到控制值的85%,或双控指标之一达到控制值；红色预警为变形监测的绝对值和速率值双控指标均达到控值。

当量测中发现指标超限时,应立即停止施工作业,并及时通知监理工程师及设计工程师,召开现场相关会议,分析与查找原因,提出对策,采取可靠措施后方可施工,具体处理措施如下：

a.当安全性为“黄色预警”时,应加密监测频率,加强对排水管线的水平、竖向位移、差异沉降的监测；

b.当安全性为“橙色预警”时应加强施工措施,加强观测,并召集设计、施工及监测单位进行会诊,对可能出现的各种情况作出判断和决策,启动备用方案；

c.当安全性为“红色预警”时,应立即停工,并启动应急预案。

4 结论

在地铁车站基坑设计中,设计人员要从场区水位地质、周边环境、基坑自身特点等角度出发,充分考虑多种因素,选定最佳的围护结构设计方案。对于地铁基坑来说,它相比于其他的建筑基坑要深很多,并且分布于城市主干道上方。这就使得城市交通存在一定的风险威胁人们的生命财产安全,所以必须在地铁基坑工程施工过程中采取科学合理的措施并结合工程的实际情况,有效的控制施工风险。