地鐵深基坑交叉施工支護方案設計優化與實踐

黃躍翔

(陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南 714000)

1 工程概況

蘇州軌道交通一號線玉山公園站與B30地塊的分區1-1緊臨,B30地塊的圍護灌注樁與玉山公園車站圍護結構外墻凈間距為2.1～5.15 m,B30地塊的隔水帷幕與玉山公園車站圍護結構外墻凈間距僅為1.1～4.15 m。二者的平面位置如圖1、圖2所示。

圖1 B30地塊與地鐵玉山公園車站相對關系平面

圖2 B30地塊與地鐵玉山公園車站相對關系剖面(單位：m)

B30地塊為地下2層,基坑開挖深度11.5 m,靠近玉山公園站的為分區1-1,支護結構采用φ900 mm灌注樁,入土深度22.8 m,插入比約為0.983?；迂Q向設2道支撐,第1道支撐為混凝土支撐,第2道支撐為雙拼φ609 mm鋼管支撐。

玉山公園車站主體結構設計為地下2層,頂板厚800 mm,覆土2 m,中板厚400 mm,底板厚900 mm,圍護結構采用600 mm厚地下連續墻,連續墻入土深度27 m,插入比0.82；端頭井采用800 mm厚地下連續墻,連續墻入土深度29.5 m,插入比約0.78；標準段開挖深度14.82 m,端頭井開挖深度16.525 m。支撐系統采用鋼筋混凝土支撐及φ609 mm(δ=16 mm)鋼管支撐。標準段豎向1道鋼筋混凝土支撐加3道鋼管支撐,鋼管撐水平間距3 m左右。端頭井段豎向1道鋼筋混凝土支撐加4道鋼管支撐。

2 前期設計方案確定及施工中方案的優化

2.1 玉山公園站基坑設計前期論證

B30地塊先于地鐵車站施工。為減少B30地塊施工對地鐵玉山公園站的影響,根據《B30地塊項目基坑施工與地鐵施工相互影響安全評估報告專家審查意見》：B30地塊(分區1-1)的地下結構施工至設計±0.000高程后,才能進行車站的基坑開挖,否則會對車站的變形產生較大影響。由于兩近鄰項目深基坑同時施工的特殊性,在設計階段基坑圍護方案評審過程中,專家重點強調了上述結論,并將其作為玉山公園車站和B30地塊基坑支護結構設計的首要前提條件。

2.2 B30地塊施工順序的優化調整

由于B30地塊工期滯后,已嚴重影響玉山公園站的節點工期及地鐵項目整體工期進度。根據蘇州軌道交通一號線的工期安排,結合B30地塊工期相對滯后現狀,綜合考慮玉山公園車站和B30地塊施工的實際進度,建議調整B30地塊基坑的施工順序,即B30地塊先施工分區1-2、1-3基坑。這樣雖然兩基坑緊鄰,但能滿足同步施工安全距離的要求。由B30地塊先施工變地鐵車站先施工,待車站地下結構施工至設計±0.000高程后,可以跟進相鄰的B30地塊分區1-1基坑施工。合理調整,統籌兼顧,既保證蘇州軌道交通工期又不影響B30地塊整體工期。

3 對兩深基坑支護結構設計方案同時進行優化

3.1 相鄰基坑跟進施工安全距離的確定

玉山公園站北端頭井距離相鄰B30地塊最北端的距離為20.5 m,B30分區1-1基坑初始開挖距離30 m,其關系詳見圖3。綜合考慮基坑開挖對車站結構的影響、基坑規模及幾何尺寸、圍護墻體及支撐結構體系布置、基坑加固及施工條件等各種因素,經過計算得出結論是：當L=30 m,B=80.5 m時(詳見第4節),B30分區1-1基坑開挖卸載引起已建玉山公園站結構產生的附加內力增加值可控制在10%以內,采取加固措施后,對已建地鐵車站產生的附加位移和沉降可控制在15 mm以內。

圖3 B30分區1-1跟進玉山公園站施工關系平面(單位：mm)

3.2 已建地鐵車站保護標準

3.2.1 B30地塊基坑的側向水平位移控制值

根據上海、北京等城市建設經驗,在軌道交通沿線一定范圍內進行工程活動應該遵循相關規定。上海與蘇州同處長江三角洲,均為軟土地區,地下水位都很高,參照上海地區經驗,按一級基坑考慮,即對B30地塊的分區1-1圍護結構的最大側向位移按照1.4‰H(H為開挖深度)作為控制值。

B30地塊基坑的開挖深度為11.5 m,分區1-1最大側向位移控制值應為16.1 mm,考慮到B30地塊分區1-1基坑與玉山公園站凈距較近,按15 mm考慮。

3.2.2 已建地鐵車站的保護標準

參考《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定》,對于深基坑、樁基施工、降水、堆載等各種卸載和加載的建筑活動,引起地鐵結構設施附加絕對沉降量及水平位移量的總量不容許超過20 mm?？紤]到B30地塊工程的實際情況,將來導致已建地鐵玉山公園車站產生附加位移至少由以下兩個部分疊加而成：

(1)B30地塊基坑開挖卸載對地鐵車站產生的附加位移；

(2)B30地塊建筑物本身的樁基沉降引起地鐵車站產生附加位移。

考慮到地鐵車站的重要性,要求B30地塊基坑開挖卸載引起的地鐵車站結構設施附加絕對沉降量及水平位移量均不超過15 mm。

3.3 B30地塊設計方案

B30地塊原設計自身圍護結構的最大水平位移為25.1 mm,B30地塊基坑開挖引起地鐵車站的最大附加水平位移為23.19 mm,車站頂板最大附加沉降為17.43 mm,均超過15 mm,原支護結構設計不能滿足對地鐵保護要求。

3.4 保護已建地鐵車站擬采取的工程措施

由于B30地塊分區1-1的圍護結構已經施工完畢,地鐵車站的連續墻還未正式施工?；谝陨蠈嶋H情況,結合以往工程經驗,現擬采取以下工程措施。

3.4.1 地鐵車站支護結構標準段連續墻加厚

為減少地鐵車站的附加位移和沉降,增強結構自身的剛度是最直接、最有效的辦法。因此,玉山公園車站標準段地下連續墻厚度從原設計的600 mm增強至800 mm(同端頭井),從加強自身剛度的角度主動控制已建地鐵車站結構的附加變形。

3.4.2 B30地塊分區1-1增加1道水平支撐

B30地塊分區1-1原設計為2道水平支撐,第1道為鋼筋混凝土支撐,第2道為雙拼φ609 mm鋼管支撐,現增加1道雙拼φ609 mm鋼管支撐,圈梁采用雙拼H700×300型鋼,以進一步減少圍護結構側向位移,從源頭上控制已建地鐵車站結構的附加變形。

3.4.3B30地塊分區1-1與地鐵車站之間的土體加固

分區1-1與地鐵車站二者圍護結構之間的土體采用三軸攪拌樁滿堂加固,加固范圍為地表到B30地塊基坑底高程,以提高該區域土體的物理力學指標,增強土體抗側移和抗沉降能力,從傳遞路徑上控制已建地鐵車站結構的附加變形。設計優化后的方案詳見圖4。

圖4 設計優化后的方案(單位：mm)

4 支護設計方案優化檢算

4.1 B30地塊基坑自身側向位移

按照調整后的方案,對B30地塊基坑進行了側向位移進行計算,詳見圖5。

圖5 B30地塊基坑自身計算結果(調整后方案)

4.2 安全保護距離的確定

首先對在沒有B30地塊開挖的條件下車站結構自身的內力情況進行分析,以便對比得出B30地塊基坑開挖對已建玉山公園車站地下結構的影響,驗算上述工程措施的可靠性,并最終能夠定量確定保護距離L,分析結果見圖6～圖8。

圖6 車站結構彎矩圖(單位：kN·m)

圖7 車站結構軸力圖(單位：kN)

圖8 車站結構剪力圖(單位：kN)

地鐵車站地下結構出±0.000的距離B與保護距離L的關系為

B=50.5+L(m)

玉山公園車站南北方向為178 m,保護距離L的確定需要綜合考慮各種因素,在有限元計算分析中L體現在對車站地下結構剛度(南北方向)的貢獻,本次分別選取L=0 m、L=15 m、L=30 m、L=45 m、L=122.5 m五種情況進行計算、對比。當L=122.5 m時,B=178 m,整個車站的地下結構完全出±0.000,此時地鐵車站南北方向的剛度取100%。計算模型如圖9所示。計算結果如表1所示。從計算結果可以看出,當L≥30 m時,在采取了加固措施后,地鐵車站內力增加幅度可以控制在10%左右,L=30 m和L=122.5 m的計算結果相差不大,因此可取L=30 m作為地鐵的保護距離。

圖9 地鐵車站計算模型(優化后方案)

保護距離L/m車站結構出±000的距離B/m05051565530805459551225178車站最大附加內力計算值車站內力增加幅度/%附加彎矩：374kN·m312附加軸力：1336kN287附加剪力：219kN305附加彎矩：203kN·m169附加軸力：694kN149附加剪力：123kN171附加彎矩：126kN·m105附加軸力：442kN95附加剪力：80kN112附加彎矩：110kN·m92附加軸力：386kN83附加剪力：64kN89附加彎矩：97kN·m81附加軸力：363kN78附加剪力：60kN84

注：以上車站附加內力是在采取加固措施以后的計算結果。

4.3 B30地塊基坑開挖引起地鐵車站的附加位移

支護結構設計方案后的計算結果表明,B30地塊自身的圍護結構最大水平位移為10.4 mm(見圖5),B30地塊基坑開挖引起地鐵車站的最大附加沉降為6.78 mm(見圖10),最大附加水平位移為9.55 mm(見圖11)，少于15 mm,滿足地鐵保護要求。

5 結論和建議

(1)根據支護結構設計方案優化及施工方案的調整,在保證軌道交通工期籌劃的的前提下,又使B30地塊的整體工期不受影響。

圖10 地鐵車站頂板沉降

圖11 地鐵車站連續墻側向變形

(2)原設計方案不能滿足地鐵保護要求。通過采取“B30分區1-1增加一道鋼支撐、地塊與地鐵之間的土體加固、地鐵車站標準段地下連續墻加厚為800 mm”的工程措施,增強了支護結構本身的剛度,減小了B30地塊基坑開挖卸載引起玉山公園車站結構附加沉降和水平位移,降低了施工風險。

(3)通過有限元計算分析,確定了相鄰基坑交叉跟進施工的安全保護距離,增加了基坑施工的安全度。

(4)相鄰基坑同期交叉跟進施工時,由于距離非常近,必須編制好詳細的施工組織設計,事先做好各個方面的協調工作,加強環境監測方案,真正做到信息化施工。

[1] 殷德順,王保田,張文慧.不同方向卸載對基坑支護位移內力的影響[J].巖土力學,2008(6).

[2] 吉建華.深基坑支護技術應用初探[J].山西建筑,2010(1):109-110

[3] 隋本山.建筑深基坑的支護設計與施工工藝[J].黑龍江科技信息,2009(1)．

[4] 趙洪波,茹忠亮.基坑支護設計優化研究[J].巖土工程學報,2006(S1)．

[5] 鄭向紅.北京地鐵深基坑工程對周圍環境的影響分析[J].鐵道標準設計，2008(12)：16-21.

[6] 肖武權,冷伍明.深基坑支護結構設計的優化方法[J].巖土力學,2007(6)．