涉地铁运营线路基坑开挖变形控制总结

王欢 朱国俊

1.杭州市安居集团有限公司 浙江 杭州 310000

2.浙江省工程物探勘察设计院有限公司 浙江 杭州 310005

1 工程概况与周边环境

杭政储出[2019]59号地块位于杭州市上城区新风路与驿城路交叉路口东北侧。项目总用地面积约23338m2，总建筑面积133941.88m2，其中地上建筑面积79349.2m2，地下建筑面积54592.68m2。拟建建筑物为3幢12F高层建筑和3幢5F裙房及其附属设施，设整体地下三层地下室，基础采用灌注桩基础。拟建项目南侧为已建新风路，西侧为在建驿城路，北侧为在建机场地铁线路及5号区间风井。东侧为笕桥镇弄口社区经济联合社商业综合用房。

2 工程地质与水文地质条件

基坑开挖范围内涉及地层如下：

①杂（素）填土：杂色、灰色，松散，干～稍湿。②-1层黏质粉土：灰黄色、黄灰色，稍密，局部为中密，很湿。③-1层砂质粉土：灰黄色、灰色，稍密～中密，很湿。③-2层粉砂夹粉土：灰色、青灰色，饱和，中密，局部为稍密。③-3层砂质粉土：灰色、浅灰色，很湿，稍密，局部中密。⑥-1层淤泥质粉质黏土：灰色，流塑。⑥-2层淤泥质粉质黏土夹粉土：灰色，深灰色，流塑状。⑦-1层粉质黏土夹粉土：灰绿色、灰黄色，可塑。⑦-2层黏土：黄灰色，硬可塑。⑨-1层粉质黏土：灰黄色，局部为灰褐色，可塑。

基坑开挖影响范围内的地下水类型为孔隙潜水。孔隙潜水含水层主要主要赋存于表部填土或粉（砂）土中，水位埋深1.40～5.40m。本场地浅部潜水对混凝土结构具微～弱腐蚀性；对钢筋混凝土结构中的钢筋在干湿交替下具微～弱腐蚀性。在长期浸水环境条件下具微腐蚀性。

3 工程特点及重难点分析

（1）基坑普遍挖深15.90m，最大挖深16.90m，开挖深度深。开挖面积约15457m2，开挖面积大，且形状不规则。

（2）坑底位于3-3砂质粉土或6-1淤泥质粘土或6-2淤泥质粉质粘土夹粉土层，工程力学性质较差。地下水位高，且3号土层渗透系数较大。

（3）项目北侧为拟建地铁线，西侧为已建新风路，新风路下埋深多条市政管线，其余两侧为在建规划道路。项目周边环境复杂，且北侧位于地铁保护区范围内，对变形的控制要求较高。

4 原基坑围护设计方案

北侧利用区间隧道600mm厚地下连续墙作支护桩，其余侧采用800mm厚地下连续墙，整体内设3道钢筋砼内支撑。北侧坑底采用五轴水泥搅拌桩加固；基坑内分坑采用直径900mm钻孔灌注桩，坑中坑采用直径700mm钻孔灌注桩结合1道钢筋砼内支撑，五轴水泥搅拌桩作止水挡土帷幕。基坑内外设明沟排水，同时坑内设疏干井坑外设备用疏干径降水。

本项目典型剖面图如下图1：

图1 典型剖面图

原施工及开挖顺序（图2）：

图2 基坑围护设计方案分区块开挖示意图

（1）开槽施工Ⅰ区块（Ⅰ-1和Ⅰ-2），至施工地下室外墙至±0.000。

（2）开槽施工Ⅱ区块（Ⅱ-1和Ⅱ-2），至施工地下室外墙至±0.000。

（3）开槽Ⅲ区块（Ⅲ-1和Ⅲ-2），至施工地下室外墙至±0.000。

5 优化方案

（1）清整场地，确保基坑周围自然地坪在设计标高内，施工工程桩与围护桩（TRD工法桩、水泥土搅拌桩、钻孔灌注桩及地下连续墙）。

（2）按剖面标高，开槽施工Ⅰ区块（Ⅰ-1和Ⅰ-2）冠梁及第一道支撑，待冠梁及第一道支撑达到80%设计强度后，按设计要求分层分块开挖至第二道支撑梁底。

（3）施工Ⅰ区块（Ⅰ-1和Ⅰ-2）围檩及第二道支撑，待围檩及第二道支撑达到80%设计强度后，按设计要求分层分块开挖至第三道支撑梁底。

（4）施工Ⅰ区块（Ⅰ-1和Ⅰ-2）围檩及第三道支撑，待围檩及第三道支撑达到80%设计强度后，按设计要求分层分块开挖至-13.900m，然后按先A后B再C的开挖顺序开挖，先开挖区块的垫层施工完成后方可开挖后挖区块[1]。Ⅰ区块（Ⅰ-1和Ⅰ-2）中A、B、C区块开挖至设计底标高后施工基础底板及底板传力带。施工Ⅰ区块（Ⅰ-1和Ⅰ-2）底板及底板传力带时，同时施工Ⅱ区块（Ⅱ-1和Ⅱ-2）冠梁及第一道支撑。

（5）Ⅰ区块（Ⅰ-1和Ⅰ-2）的底板及底板传力带达到设计强度的80%设计强度且Ⅱ区块（Ⅱ-1和Ⅱ-2）冠梁及第一道支撑达到80%设计强度后，按设计要求分层分块开挖Ⅱ区块（Ⅱ-1和Ⅱ-2）至第二道支撑梁底。

（6）施工Ⅱ区块（Ⅱ-1和Ⅱ-2）围檩及第二道支撑，待围檩及第二道支撑达到80%设计强度后，按设计要求分层分块开挖至第三道支撑梁底。

（7）施工Ⅱ区块（Ⅱ-1和Ⅱ-2）围檩及第三道支撑，待围檩及第三道支撑达到80%设计强度后，按设计要求分层分块开挖至-13.900m，然后按先A后B再C的开挖顺序开挖，先开挖区块的垫层施工完成后方可开挖后挖区块。Ⅱ-2区块中A、B、C区块开挖至设计底标高后施工基础底板及底板传力带。施工Ⅱ区块（Ⅱ-1和Ⅱ-2）底板及底板传力带时，同时施工Ⅲ区块（Ⅲ-1和Ⅲ-2）冠梁及第一道支撑。

（8）Ⅱ区块（Ⅱ-1和Ⅱ-2）的底板及底板传力带达到设计强度的80%设计强度且Ⅲ区块（Ⅲ-1和Ⅲ-2）冠梁及第一道支撑达到80%设计强度后，按设计要求分层分块开挖Ⅲ区块（Ⅲ-1和Ⅲ-2）至第二道支撑梁底。

（9）施工Ⅲ区块（Ⅲ-1和Ⅲ-2）围檩及第二道支撑，待围檩及第二道支撑达到80%设计强度后，按设计要求分层分块开挖至第三道支撑梁底。待围檩及第三道支撑达到80%设计强度后，按设计要求分层分块开挖至基坑底，然后施工Ⅲ区块（Ⅲ-1和Ⅲ-2）地下室基础及底板传力带。

6 有限元模拟

采用PLAXIS 3D有限元软件进行数值分析。包括区间隧道、土体、围护结构、立柱桩及支撑体系。计算模型选取时，充分考虑基坑开挖深度、基坑平面大小及与既有盾构隧道的距离等工程影响范围[2]，模型大小取280x230x50.8。模型网格采用四面体进行单元划分，共划分已生成252558个单元，432698 个节点。

车站主体结构与盾构隧道采用板单元模拟，立柱桩采用梁单元模拟、地下连续墙采用板单元模拟、钻孔灌注桩采用桩单元模拟，支撑体系采用梁单元模拟，土体及加固体采用实体单元模拟。

假定同一土层中的图是均匀、连续、各向同性的，考虑土体非线性的应力-应变关系，将其视为理想的弹塑性体，采用HSS本构模型，模型的材料参数表详见表1。

表1 模型参数表

模型的边界条件是：模型四周及底部采用法相约束。设计施工荷载为20kPa。

计算结果表明：Ⅰ区块开挖至坑底设计标高，土体最大总位移为16.9cm，围护桩最大水平位移13.0cm，既有车站结构最大位移2.15cm，内支撑最大轴力为4421kN。Ⅱ区块开挖至坑底时，土体最大总位移为15.2cm，围护桩最大水平位移13.7cm，既有车站结构最大位移4.48cm，内支撑最大轴力为5446kN。Ⅲ区块开挖至坑底时，土体最大总位移为21.5cm，围护桩最大水平位移19.2cm，既有车站结构最大位移4.74cm，内支撑最大轴力为10040kN。其中Ⅲ区、隧道位移云图见图3、图4。

图3 土体总位移云图

图4 既有车站结构位移云图

7 计算与监测结果对比

根据第三方监测单位提供的基坑施工监测成果显示：（1）本项目在基坑Ⅰ区块开挖至坑底时，深层土体水平位移最大为44.43mm，围护桩桩顶位移最大为35.64mm，结构水平位移为2.60mm，支撑轴力最大值为9736kN；（2）本项目在基坑Ⅰ区块浇筑垫层及底板完成，深层土体水平位移最大为46.52mm，围护桩桩顶位移最大为36.33mm，结构水平位移为2.80mm，支撑轴力最大值为9987kN；（3）本项目在基坑Ⅱ区块开挖至坑底，Ⅰ区块第一道支撑还未拆撑，深层土体水平位移最大为28.64mm，围护桩桩顶位移最大为37.77mm，结构水平位移为2.80mm，支撑轴力最大值为4736kN。

由有限元计算结果与实际监测报告可知，围护桩与深层土体水平位移变形趋势大体一致，结构水平位移结果较为接近。工期优化方案保证了基坑的顺利、安全实施，数值模拟与监测报告显示，基本均在设计要求范围内。

8 小结

（1）三维连续介质有限元方法的分析对象包括了基坑围护结构、邻近的地铁隧道和车站以及基坑周边一定影响范围内的土体，土体采用HSS模型模拟，是分析基坑开挖引起的环境效应的较为理想的方法。采用有限元数值分析方法对基坑开挖过程进行了对比，结果表明：围护桩及基坑周边土体变形的趋势大体基本一致。有限元计算模型和参数选取是合理的，可基于基坑工程的数值模拟分析。

（2）本工程采取了一系列措施控制基坑施工对周边环境的影响，如合理设置隔离桩，对基坑进行分坑设计，施工中严格控制施工质量，这些技术措施可为类似工程提供参考。

（3）实测数据表明基坑开挖对已运营地铁产生一定影响，但变形量小于设计值，且完全满足地铁运营要求，可见设计所采取的方案及措施是切实有效的。

（4）本项目对施工工况进行优化，按照优化方案进行施工，基坑开挖施工对周边环境及地铁的影响均在设计要求范围内，工期缩短8个月，工程造价降低约35%，节约近2000万元。