紧邻地铁车站深基坑支护设计分析

薛九天

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

近年来，随着我国经济的高速发展和城市化进程的加快，城市轨道交通和城市地下轨道交通的建设深入推进，深基坑紧邻地铁车站建设的情况日益增多[1-3]。紧临既有地铁车站的基坑施工必定会对地铁结构产生影响，如何将影响控制在安全范围内，保证地铁的正常运营，成为基坑支护设计的重中之重。

目前国内对紧临地铁结构的基坑设计案例多集中在地铁单侧。任亚亮针对相邻深基坑开挖存在交叉工况问题，采用有限元数值模拟,得出受影响车站基坑围护立柱桩差异变形，验证了设计附加措施的有效性[4]。李阳在基坑设计中采用刚度较大的支护体系和遵循时空效应原理的开挖工况，运用有限元计算软件模拟基坑开挖各个阶段，分析了各工况下结构和区间的变形[5]。学者们采用土体加固、分坑开挖和不同土体卸载方式等手段，减小基坑开挖对既有地铁结构的影响。但对地铁车站双侧基坑同时施工的设计案例较为少见。因此，本文以杭州某地下空间开发工程为依托，对地铁车站双侧基坑进行设计和分析，为今后类似工程提供一定的参考。

1 概述

1.1 工程概况

本工程分为两独立地下空间H地块和E地块，均为地下2层停车库并兼顾人防。整平地面标高5.0 m，H地块总建筑面积为21 040.76 m2，基坑坑底标高为-6.3 m，挖深11.3 m，呈不规则梯形，周长为321.7 m，面积约6 240 m2。E地块总建筑面积为11 407.42 m2，基坑坑底标高-6.4 m，挖深11.4 m，呈不规则梯形，周长334.3 m，面积约7 051 m2。两地块周边整体处于待开发状态，地下市政管线均已迁改。H地块东侧和E地块西侧紧邻已建地铁车站，车站围护形式采用800 mm地连墙(墙顶标高为4.500 m，墙底标高为-25.000 m)，内衬墙厚度为700 mm，已施工完成但未运营。周边环境总平面图如图1所示。

1.2 工程水文地质概况

场地属于第四纪滨海湖沼相沉积平原地貌，场地东侧、东南侧表部倾倒有大面积泥浆，场地中部回填有素填土，地面起伏相对较大，地面高程位于2.07 m～6.75 m。场区地层可分10个工程地质层、22个亚层。各层岩土工程特性及分布特征自上而下分别描述如下：

①2层杂填土：灰黄色，稍湿，松散。主要由碎块石组成，含少量黏性土，层厚为0.30 m～6.30 m。

④1层粉质黏土：青灰色，可塑～硬塑。层厚为0.40 m～7.80 m，全场分布。

④2层粉质黏土夹黏质粉土：灰褐色，软塑。层厚为0.60 m～10.40 m。

⑤1层淤泥质粉质黏土：灰色，饱和，流塑，层顶标高-14.51 m～-3.45 m。

⑥层粉质黏土：青灰色，可塑～硬塑，层顶标高-19.58 m～-6.27 m。

⑦粉质黏土:灰色，饱和，软塑。层顶标高-25.71 m～-14.82 m。

⑧1粉质黏土夹粉砂：灰色，饱和，可塑。层顶标高-29.28 m～-18.42 m。

⑧3层圆砾：灰色，很湿，中密，以圆砾为主，成分以石英砂岩、凝灰岩为主。

场地浅部土层中分布有潜水，水位埋藏较浅，水位距地表为0.00 m～3.600 m，相当于85国家高程的-0.39 m～5.85 m之间，该层潜水补给来源主要有大气降水入渗及地表水侧向补给，其排泄方式以蒸发消耗为主。浅部土层中的潜水位埋深，一般离地表面0.3 m～1.5 m，年平均地下水位离地表面0.5 m～0.7 m。

场地下部⑧2层粉砂、⑧3层圆砾层为承压含水层，分布较广泛而连续，其上覆黏性土层构成了承压含水层顶板。承压含水层顶板距离地表按25 m、地下室基坑开挖按15 m计算,承压水不会对基坑产生突涌、底板隆起等影响。

场区土层主要物理力学指标如表1所示。

表1 土层主要物理力学指标

2 设计方案

2.1 工程特点

H，E地块基坑开挖面积大，深度深。存在软弱淤泥质粉质黏土层，地质情况复杂，地下水位较高。周边场地环境较差，北侧和东侧均存在深度15 m左右的已建地下室。

综合考虑基坑及周边环境情况，结合规范要求，本项目基坑等级定为一级。

2.2 基坑支护设计

本工程紧邻地铁车站结构两侧，总体方案采用两侧基坑同时开挖施工，车站两侧基坑同步卸载，浅部约5 m深度采用放坡开挖，在车站两侧同步开挖。浅坑下约6 m深坑采用φ600@800 mm钻孔灌注桩+三轴搅拌桩止水，结合一道混凝土水平支撑和斜抛撑。为保证车站的稳定性，深度5 m处结合地铁地下连续墙设置混凝土围檩，增设水平支撑及斜抛撑，车站两侧地块坑内留土，间隔调挖施工底板。

基坑支撑平面布置见图2。

车站位置横剖面设计图见图3。

3 计算分析

采用同济启明星FRWS8.2进行斜抛撑与水平撑计算分析。基坑深度11 m，上部5 m深度采用放坡开挖卸土，下部采用桩撑体系[6]。

水平撑计算简图如图4所示。

水平撑计算结果包络如图5所示。

斜抛撑计算简图如图6所示。

斜抛撑计算结果包络如图7所示。

水平撑剖面最大水平位移为7.8 mm，最大弯矩为126.6 kN·m，最大剪力为55.6 kN。

斜抛撑剖面最大水平位移为7.9 mm，最大弯矩为243.9 kN·m，最大剪力为83.2 kN。

采用Plaxis有限元模拟软件，土体采用自带的土体硬化(HS)模型，土体HS模型相关参数[7]：Eoed=(1.0～1.2)ES；E50=(1.0～2.0)Eoed；Eur= (7.0～10.0)E50；围护及车站结构刚度根据截面尺寸计算。二维模型尺寸为水平方向150 m，竖直方向43.9 m。模型底部的约束条件为水平、竖直方向都固定，两侧约束条件为水平方向固定，竖直方向自由。地面超载取20 kPa。选取最不利断面，一侧斜撑一侧对称卸土至第一道支撑[8]。计算模型见图8。

根据设计方案，计算分析根据实际施工工况分步为：(工况1)自重应力场平衡，(工况2)施工地铁车站，(工况3)EH地块同时开挖第一层土，(工况4)E地块施工第一道支撑，(工况5)E地块中间土方开挖，(工况6)E地块施工斜抛撑[9]。计算结果如图9，图10所示。

不同工况计算结果如表2所示。

表2 各个工况计算结果 mm

车站结构最大水平位移为10.43 mm，最大竖向位移4.72 mm，根据地铁保护条例，本基坑开挖方案对地铁车站结构的影响均处于可控范围，满足轨道交通设施变形控制和GB 50157—2013地铁设计规范的要求[10]。

4 结论

本文通过对杭州市某紧邻地铁车站的基坑工程，结合当地地质情况，通过采用启明星计算软件并利用Plaxis有限元软件进行数值模拟，对地铁车站两侧基坑开挖设计方案进行计算分析，结果表明：1)地铁车站两侧对称部分卸土，施工过程中分层对称开挖。2)合理利用地铁围护结构，设置水平支撑和斜抛撑。3)地块底板分块施工，地铁结构外侧留土掏槽分块施工底板等设计方案可有效控制基坑施工对地铁车站结构的影响，将车站位移控制在保护范围内。该文为后期类似工程提供了设计参考和借鉴。