緊鄰地鐵結構深基坑半逆作法施工方案的三維數值分析

伍尚勇，楊小平，劉庭金

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州 510640;2.亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東廣州 510640)

隨著我國城市地下空間的高密度開發和城市軌道交通的快速發展，緊鄰地鐵結構的深基坑工程越來越多。對這種環境狀況下的基坑工程，設計方經常通過采用支護結構與主體結構相結合的逆作法或半逆作法方案以減小基坑施工對周邊環境的不利影響。董月英等［1］結合工程實例對基坑施工順序由“順作法”改為“半逆作法”時圍護設計中遇到的問題進行了探討和計算分析，指出基坑按半逆作法施工能有效縮短總工期，并能有效緩解深基坑施工對周邊環境的不利影響和解決施工場地狹小的問題。芮瑞等［2］基于三維有限元，對采用“逆作法”施工的地下連續墻深基坑進行了設計方案研究，提出了按變形控制的設計方法。鐘錚等［3］以工程實例為背景，介紹了該基坑工程的逆作法設計內容，針對周邊特殊環境進行了數值模擬計算，并對主要監測結果作了分析。徐中華等［4］分析了上海軟土地區的一個全逆作法深基坑施工對周邊三幢歷史保護建筑物的影響。

在廣州益豐小區三期項目深基坑工程中，基坑圍護結構外壁與地鐵隧道結構的最小水平距離僅4.4 m，深基坑開挖將對緊鄰地鐵隧道結構產生不利影響。為此，本文結合深基坑工程及緊鄰地鐵結構的場地工程地質條件及基坑支護結構設計特點，采用有限元軟件建立三維數值分析模型，分別按半逆作法和順作法對基坑施工的全過程進行動態模擬。研究深基坑工程采用不同的施工工藝時圍護結構的變形及對緊鄰地鐵結構的影響，并探討相應的控制措施，以期為類似工程提供一定的借鑒意義。

1 工程概況

益豐小區三期項目位于廣州市海珠區江南大道，規劃總用地面積約2 289 m2，總建筑面積約44 312 m2。項目為商住樓，地上28層，地下4層，其基礎為人工挖孔樁。項目基坑周長約為234 m，近似呈長方形，基坑開挖深度為14.9 m，原設計為人工挖孔樁+內支撐及樁錨組合支護。

本項目地塊東側為江南大道中小學，該小學地上5層，無地下室;南側緊鄰佳兆業項目深基坑工程，該基坑開挖深度為15.0 m左右，設4層地下室，其基礎形式為人工挖孔樁，目前該項目地下室已完工;西側為一排單層商鋪，商鋪與基坑開挖邊線距離較近，商鋪下方有正在運營的廣州地鐵二號線江南西—市二宮區間隧道;北側為地鐵二號線市二宮地鐵車站及其風亭結構。深基坑平面、立面布置及其周邊環境見圖1、圖2。本項目場地原始地貌為剝蝕殘丘地貌單元，局部有少量沖積土層分布，場地地層的主要物理參數如表1所示。

2 基坑支護方案

圖2 深基坑立面(單位:mm)

表1 土層物理力學參數

本項目基坑設計采用φ1200@2500 mm人工挖孔灌注樁圍護，半逆作法施工，地下室負一層為順作，負二至負四層為逆作，在基坑長邊方向設一道φ600@7500 mm鋼管(t=12 mm)作為負一層順作時的臨時水平支撐。對于東側鄰近地鐵隧道一側，考慮到部分原人工挖孔半樁嵌固深度較小，為確保地鐵隧道安全，在原人工挖孔半樁樁間新增旋挖灌注樁φ1200@2500 mm，要求進入相鄰地鐵隧道底下不小于3 m;緊貼佳兆業項目的南側擬利用佳兆業已施作的旋挖樁作為圍護結構;西側利用原已施工半樁作為現基坑圍護并在樁下部新增鎖腳錨索;北側由原施工人工挖孔樁和新增一道預應力錨索支護。基坑止水形式采用深層水泥土攪拌樁，并在靠近地鐵隧道側增加樁間三管旋噴樁止水。

2.1 基坑前期原半圓形舊圍護樁的利用

為了滿足業主要求，本工程現主要利用原已施工的人工挖孔半樁作為圍護結構，由于現基坑開挖深度為14.9 m，故原部分圍護樁的嵌固深度將不足0.6 m，基坑超短嵌固深度圍護樁的安全性將是本工程應該關注的重點，如何在利用原圍護樁取得經濟效益的同時保證工程的安全也是本工程的難點。在設計計算時，原圍護半樁按照原施工樁長、C25混凝土、φ800@2500、主筋18φ25考慮，圍護樁與地下室側墻通過植筋聯結為整體，并通過在東側及西側圍護樁頂冠梁上設置壓頂梁以保證地上結構施工時豎向荷載的可靠傳遞。由于舊圍護半樁距今已有7年多時間，故在本工程施工前應根據相關規定對原人工挖孔半樁樁身長度、完整性、強度、配筋等進行檢測、驗證，以保證在工程安全的前提下取得合理的經濟效益。

2.2 鎖腳錨索的應用

本工程利用原半圓形人工挖孔樁(φ1200@2500 mm)作為現基坑的主要圍護結構，且基坑東側圍護結構全部為原人工挖孔半樁，原圍護樁本設計用于開挖深度為10.70 m的原基坑，由于現基坑開挖深度達14.9 m，按施工記錄揭示，原圍護樁所對應嵌固深度僅為0.50～5.90 m，故基坑開挖過程風險較大。加之基底軟質泥巖通常具有吸水膨脹特性和軟化特性，若基坑開挖到底后，暴露時間過長，則基坑東側的超短嵌固深度圍護樁有可能會發生“踢腳”而造成嚴重安全事故，故設計在基坑開挖至－14.0 m時，在樁腳設置一道預應力鎖腳錨索，使樁腳所受土壓力轉化為基巖內力，以提高基坑開挖過程東側圍護樁的穩定性。

3 基坑開挖的三維數值計算與分析

3.1 有限元三維數值模型

采用巖土隧道專用有限元分析軟件Midas/GTS建立三維數值模型，重點分析基坑圍護結構的變形規律及基坑施工對緊鄰地鐵隧道結構變形的影響。為簡化計算，在三維數值分析中做了如下假設:

1)在土體小應變范圍內［5］，土體采用線彈性模型，有利于提高進行數值模擬時的計算效率;

2)三維有限元計算模型中的地層自上而下依次簡化為等厚的成層土，土層厚度依據場地內各土層埋深的變異性及起伏性，經綜合考慮確定。

三維有限元模型的尺寸為320 m×250 m×64 m。采用板殼單元模擬基坑圍護結構、地鐵結構、隧道襯砌和地下室結構，采用梁單元及植入式桁架單元模擬基坑支護結構體系;模型采用不均勻網格，共307 912個單元，48 560個節點。計算模型上表面為自由邊界，底部為豎向位移約束，各側面均為對應方向的位移約束。

3.2 半逆作法施工計算結果分析

根據基坑實際開挖過程，基坑按半逆作法施工的主要步驟如下:①場地初始應力分析;②施作地鐵車站結構;③施作盾構及礦山法隧道;④施作地鐵南端風亭及共建商鋪結構;⑤施作益豐原支護結構;⑥開挖基坑至－8 m后回填;⑦佳兆業基坑開挖并回筑地下室結構;⑧施作益豐基坑新圍護樁和結構柱及臨時鋼支撐;⑨開挖基坑至－5.5 m并施作負一層地下室;⑩開挖基坑至－8.8 m并施作負二層地下室;?開挖基坑至－12.1 m并施作負三層地下室;?開挖基坑至－14.0 m并施作鎖腳錨索;?開挖基坑至底并施作負四層地下室。圖3和圖4分別為基坑施工過程基坑西側和東側圍護結構的側向變形，圖5為基坑施工過程緊鄰基坑西側右線隧道結構的水平位移。

圖3 基坑西側圍護結構的側向變形

圖4 基坑東側圍護結構的側向變形

圖5 右線隧道結構的水平位移

由圖3和圖4可以看出基坑圍護結構的變形規律如下:①按半逆作法施工時，當第一層土體開挖后，圍護樁頂出現較大水平變形，但當負一層地下室樓板施工完成后，再向下開挖過程中，圍護樁頂基本不產生水平變形，說明地下室樓板平面內的剛度是非常大的，能很好地限制圍護結構的側向變形;②隨著基坑開挖深度的增加，圍護樁最大側移的位置開始下移，基坑圍護結構出現了“腰鼓”現象，基坑開挖至－14.9 m深度時，最大側移位置出現在－7.5 m深度左右，最大側移量為3.2 mm，說明按半逆作法施工，基坑圍護結構的水平變形能得到很好控制;③由于基坑西側存在超載，基坑開挖過程側向土壓力通過水平支撐的傳遞，使基坑東側的圍護樁頂發生了向坑外的變形;④基坑開挖到底后，東側超短嵌固深度原圍護樁腳的水平變形較小，對原圍護樁用預應力錨索進行及時“鎖腳”后，將能有效控制原圍護樁發生“踢腳”事故。

由圖5可知，基坑按半逆作法施工造成緊鄰區間隧道結構發生朝向基坑方向的水平位移，并且隧道結構的水平位移隨著基坑開挖深度的增加而不斷增加，但隧道結構的水平位移較小，最大只有1.5 mm。計算還表明，由于基坑施工過程未采取應對豎向卸載的有效措施，故隧道結構發生了較大的豎向隆起，且隨著開挖深度的增加而不斷增大，基坑開挖到底時發生了最大豎向位移4.0 mm。

基坑開挖對隧道水平和豎向位移影響較大范圍都主要集中在基坑開挖區域附近，對基坑開挖范圍以外的隧道結構影響甚小。

3.3 兩種不同施工工藝的變形對比分析

基坑早期的支護方案為采用一排φ1200@2500 mm的旋挖樁對基坑形成整體圍閉，設兩道混凝土內撐，按順作法施工，不考慮原圍護半樁的擋土作用。

圖6和圖7分別為基坑按兩種不同施工工藝開挖到底時基坑圍護結構的水平側移對比和隧道結構右線的水平位移對比。

圖6 兩種不同施工方式基坑圍護結構側向變形

圖7 兩種不同施工方式右線隧道結構水平位移

由圖6可知，相對于順作法，基坑采取半逆作法施工可以明顯減小圍護結構的側向變形，基坑圍護結構的最大側移減小了43%，故認為逆作法施工對于控制基坑圍護結構的側向變形是十分有效的。由圖7可知基坑采取半逆作法施工能有效減小緊鄰隧道結構的水平位移。對比分析可知，限制地鐵結構側基坑圍護結構的側向變形能有效減小地鐵結構的水平變形。

綜上可知，半逆作法以結構梁板作為水平支撐體系，大大增強了支撐體系的平面內剛度，能有效控制圍護結構變形，保護周邊環境，特別是對基坑周邊環境較為復雜時更能發揮它的重要作用。因此，半逆作法作為一種很有發展前途和推廣價值的施工工藝，不僅能更好地控制基坑施工時對周邊環境的影響和縮短總工期，在設計方案合理，施工組織科學的前提下，還能節約成本和資源。

4 結論

1)基坑開挖誘使隧道結構一側的土壓力發生水平卸載和豎向卸載，導致隧道產生了朝向基坑內的水平側移和豎向隆起，且隧道受影響范圍主要集中在卸土區段。

2)半逆作法相對于順作法施工會明顯減小基坑圍護結構的側向位移與緊鄰地鐵隧道的水平位移，限制基坑圍護結構的側向位移對于控制緊鄰地鐵隧道結構的變形非常關鍵，但對于水平位移的控制作用較豎向位移更顯著。

3)在類似開挖之后又回填或緊貼其它地下工程的基坑工程中，合理地利用基坑前期或其它項目已施作的圍護結構，不僅能取得較理想的經濟效益，還能節約資源，縮短工期，做環境友好型項目。

［1］ 董月英，魏建華，李象范．“半逆作法”施工的深基坑工程的設計應用探討［J］．巖土工程學報，2010，32(增1):299-233．

［2］ 芮瑞，夏元友．基于三維有限元的地下連續墻深基坑逆作法施工方案設計［J］．巖土力學，2008，29(5):1391-1395．

［3］ 鐘錚，許亮，王祺國，等．緊鄰保護建筑的深基坑逆作法設計與實踐［J］．巖土工程學報，2010，32(增1):249-255．

［4］ 徐中華，王衛東，王建華．逆作法深基坑對周邊保護建筑影響的實測分析［J］．土木工程學報，2009，42(10):88-96．

［5］ 褚峰，李永盛，梁發云，等．土體小應變條件下緊鄰地鐵樞紐的超深基坑變形特性數值分析［J］．巖石力學與工程學報，2010，29(增 1):3184-3192．