富水砂卵石地层大型地铁车站基坑变形与支护结构受力分析*

刘季富

(中铁十四局集团隧道工程有限公司， 250002， 济南∥高级工程师)

在基坑施工过程中，不仅要保证基坑结构自身安全稳定，还要保障基坑周边环境能满足正常使用要求。尤其城市中的深基坑施工，若支护不当，基坑内土体卸载将会威胁周边既有重要建筑物的安全[1-2]。文献 [2-5]分析了基坑施工对临近高架桥桩变形、承载力的影响，通过设定不同工况确定影响分区，以指导实际施工；文献 [6-10]基于实际工程，分析了复杂地层基坑开挖对既有地铁车站的力学响应，以判断近接工程控制因素并对其进行风险评估。

综上可见，大型深基坑施工存在风险，同时亦会危及周边重要建筑物，而富水砂卵石地层基坑降水导致的风险更大。本文以成都5号线(以下简为“5号线”)青羊宫站深基坑为工程背景，该深基坑处在成都特殊的富水砂卵石地层，具有强渗透性，且基坑施工产生的复杂性与可变性亟需探明。本工程首次在砂卵石地层中引入止水帷幕，综合考虑基坑变形、基坑施工及支撑体系，分析超厚富水砂卵石地层对基坑变形与支护结构受力的影响。

1 工程概况

青羊宫站为5号线的中间站，车站位于一环路西二段与青羊上街交叉路口北侧，与远期13号线预留通道换乘条件。青羊宫站为12 m岛式站台，主体结构沿一环路路中布置，呈南北走向，如图1所示。

图1 成都地铁5号线青羊宫站总平面图Fig.1 General plan of Qingyanggong Station of Chengdu Metro Line 5

青羊宫站采用明挖法施工。为保证一环路交通疏解需求，分别于十字路口及青羊宫门口设永久顶板。车站北端接双线矿山法隧道，南端为双线盾构始发。该车站长282.7 m、宽21.5 m、深21.5 m，为大型深基坑工程。地下连续墙采用φ1 200 mm@2 000 mm钻孔桩。施工期间采用管井井点降水。青羊宫门前盖挖范围第1道支撑采用截面宽度与高度均为600 mm的混凝土支撑，其余内支撑采用φ609 mm、管壁厚16 mm的钢管支撑，共设4道支撑。第1道支撑水平间距为6 m，第2、3、4道支撑水平间距均为3 m。另外，在下穿隧道内设置1道换撑，采用φ609 mm、管壁厚16 mm的钢管支撑。

2 青羊宫站基坑施工模拟分析

2.1 计算模型的建立

依托5号线青羊宫站基坑施工方案和设计资料，基于圣维南原理，充分考虑边界效应的影响，采用MIDAS有限元软件，建立青羊宫站三维数值仿真模型，如图2所示。

车站基坑总长282.7 m、宽21.5 m、深21.5 m。青羊宫门前和青羊正街道路采用盖挖法施工，这两个区域第1道支撑采用混凝土支撑，其余内支撑采用钢管支撑，共设4道支撑，并设4道腰梁，见图2 b)。其中，车站基坑支护体系，包括围护桩、内支撑、地连墙、冠梁等结构采用实体单元；基坑开挖土体与地层采用修正摩尔-库伦本构模型。根据青羊宫站详细勘察阶段岩土工程勘察设计参数建议值，车站支护体系和地层土体物理力学参数选取见表1～2。

图2 青羊宫站有限元计算模型Fig.2 Finite element calculation model of Qingyanggong Station

表1 青羊宫站基坑支护体系物理力学参数

表2 青羊宫站土层物理力学参数

青羊宫站基坑降水深度分别设置为 6.35 m、13.10 m、18.35 m和23.05 m。基坑降水总水头云图如图3所示。

a) 第1次降水深度为6.35 m b) 第2次降水深度为13.10 m c) 第3次降水深度为18.35 m d) 第4 次降水深度为23.05 m图3 设置截水帷幕的基坑降水总水头云图Fig.3 Nephogram of total head of foundation pit precipitation with water cut-off curtain

2.2 基坑施工模拟结果分析

2.2.1 基坑施工变形分析

2.2.1.1 基坑周边地表沉降分析

在青羊宫站基坑中，由于青羊宫盖板和青羊正街盖板(见图2)的存在，以及所采用混凝土支撑及支撑结构体系的变化，导致基坑周边地表沉降出现等值线分区闭环；地表呈下沉趋势，而基坑底部出现明显隆起现象。如图4所示。

a) x方向测线上地表沉降变化曲线 b) y方向测线上地表沉降变化曲线图4 基坑周边地表沉降变化曲线Fig.4 Curve of surface settlement around foundation pit

2.2.1.2 地连墙水平变形分析

选取基坑中3个特征位置的测线(见图5)对地连墙水平变形进行分析，如图6所示。由图6可知，随着基坑开挖土卸载，地连墙后土体产生回弹变形挤压围护结构，开挖深度越大，基坑底部基础变形越明显；在青羊宫站所在地层中，上覆土层的施工引起地连墙水平变形较小；当开挖至砂卵石地层时，由于砂卵石地层颗粒之间存在较大空隙且无黏接力，施工扰动对地层的影响灵敏。随着基坑开挖，原来的岩土体应力平衡状态受到破坏，引起砂卵石块滚动，砂卵石块碰撞加剧挤压围护结构变形。故在基坑深度10 m以下需严格控制钢支撑轴力，控制地层变形，减少周边地层扰动。

图5 地连墙水平变形测线位置Fig.5 Position of diaphragm wall horizontal deformation measuring line

2.2.2 支护结构内力分析

基于青羊宫站基坑工程，探究砂卵石地层基坑施工时钢支撑的内力变化规律。选取车站基坑端头扩大区域的各层钢支撑，并对其轴力进行分析，如图7所示。由图7可知，随着上覆土层开挖，钢支撑轴力变化缓慢；随基坑开挖深度增大，特别是开挖至砂卵石层时，钢支撑轴力显著增大；基坑底部变形显著，所需支撑轴力也较大。

a) 青羊宫测线

b) 标准段测线

c) 青羊正街测线

图7 钢支撑轴力变化曲线Fig.7 Variation curve of axial force of steel support

3 结论

1) 基坑降水施工中，截水帷幕的存在，可有效阻断基坑内外的水层交流，改变基坑内外水流路径，缩小了坑内降水对幕墙以外的地下水位影响，有效保障了周围建筑物的稳定性。

2) 富水砂卵石地层中“长条型”深基坑降水时，在距离基坑边界10～50 m((0.4～2.4)D，D为基坑宽度)范围内，有无截水帷幕在基坑纵剖面与横断面上对基坑降水的敏感度上存在显著差异，且随砂卵石地层厚度增大，其差异越明显。

3) 富水砂卵石地层基坑土体卸载，距离基坑边界0～35 m((0～1.5)D)范围内地表呈小幅度隆起趋势，距离基坑边界35 m之外(>1.5D)的地表呈小幅度沉降趋势，且基坑X向断面较Y向断面地表沉降变化显著。

4) 青羊宫站所在的砂卵石层是力学不稳定地层，颗粒间空隙较大、无黏聚力，颗粒间点对点传力。卸荷时土层原来的平衡状态受到破坏，引起砂卵石块滚动，砂卵石碰撞加剧挤压围护结构变形。因此，基坑深度10 m以下需设钢支撑轴力伺服系统，控制围护结构侧向变形，减少地层扰动。