復(fù)雜環(huán)境條件下深大基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳麗萍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430000)

1 工程概況

星港街隧道配套(軌道交通)預(yù)留工程?hào)|方之門站位于蘇州軌道交通1號(hào)線東門之門站以北。該站為蘇州軌道5號(hào)線與1號(hào)線換乘的地鐵車站。項(xiàng)目與擬建蘇州工業(yè)園區(qū)星港街公路隧道和人行天橋的緊鄰，為避免項(xiàng)目多次施工對(duì)該區(qū)域的影響，需考慮同步建設(shè)東方之門站、星港街公路隧道和人行天橋。本項(xiàng)目基坑開挖中面積為8 729 m2，其中地下三層段基坑面積3 836 m2，基坑開挖深度約為23.6 m，端頭盾構(gòu)井深度約25.7 m；地下兩層段基坑開挖面積1 103 m2，開挖深度16.8 m；其余均為地下一層，基坑開挖深度9.6 m。本項(xiàng)目基坑距離已運(yùn)營的蘇州軌道1號(hào)線區(qū)間隧道約17 m，基坑與北側(cè)的公路隧道距離約為12 m，東側(cè)緊鄰公路隧道，局部位置需與公路隧道采用共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)。如圖1所示[1]。

圖1 工程總平面

2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

(1)本項(xiàng)目地下三層段基坑開挖深度達(dá)23～25 m，二層段基坑開挖深度約16.5 m，均屬深大基坑工程。在高地下水位的軟土地區(qū)開挖如此深的基坑工程存在著較大風(fēng)險(xiǎn)性，需選用合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式。

(2)整個(gè)基坑開挖深淺不一，并且基坑與星港街公路隧道、過街天橋同時(shí)施工，為減少幾個(gè)項(xiàng)目同時(shí)施工帶來的相互影響，確保工程安全、按期推進(jìn)，整個(gè)工程需要統(tǒng)籌考慮，合理分區(qū)。

(3)環(huán)境保護(hù)、地鐵保護(hù)要求高。項(xiàng)目緊鄰已運(yùn)營的盾構(gòu)區(qū)間，在基坑圍護(hù)工程設(shè)計(jì)施工中應(yīng)采取合理、有效的保護(hù)措施，確保區(qū)間隧道的正常運(yùn)營。

(4)基坑與公路隧道在同一個(gè)區(qū)域范圍，其中部分地下一層段基坑與公路隧道共用圍護(hù)墻，基坑設(shè)計(jì)中應(yīng)采取合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)，保證兩側(cè)基坑的安全。

綜上所述，如何有效、合理解決本基坑工程面臨的諸多問題，特別是解決多項(xiàng)目之間的相互制約，制定合理的工程分區(qū)及對(duì)南側(cè)軌道區(qū)間隧道的保護(hù)是本基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)之關(guān)鍵。

3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型

基坑施工采用成熟、明挖順作法施工。由于該基坑開挖深度大，周邊環(huán)境復(fù)雜，運(yùn)營地鐵的保護(hù)要求嚴(yán)格，同蘇州已建和在建的類似深基坑項(xiàng)目類比，地下三層段、地下兩層段及東側(cè)鄰近公路隧道段均圍護(hù)形式選擇剛度大、擋土能力強(qiáng)、止水效果好的地下連續(xù)墻，墻縫采用H型鋼接頭；整個(gè)項(xiàng)目基坑形狀均為長條形基坑，支撐平面布置均采用受力明確的支撐對(duì)撐形式。支撐體系采用混凝土支撐+鋼支撐體系；為加強(qiáng)支護(hù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，所有基坑第一道支撐均采用混凝土支撐； 基坑安全等級(jí)均按照一級(jí)考慮，由于南端頭井區(qū)緊鄰已運(yùn)營的1號(hào)線隧道區(qū)間，適當(dāng)?shù)奶岣吡嘶幼冃慰刂频燃?jí),限定圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移≤0.10 %H(H為基坑開挖深度)。

3.2 基坑分區(qū)及施工工序

為確保深、淺基坑的安全，且與星港街公路隧道等工程綜合考慮，將基坑分區(qū)實(shí)施。分區(qū)原則：基坑先深后淺、相鄰項(xiàng)目盡量不同時(shí)開挖；本項(xiàng)目基坑分區(qū):三層段車站主體基坑(A區(qū))、二層段車站附屬結(jié)構(gòu)(B區(qū))、單層段車站附屬基坑(C區(qū))。施工分區(qū)及施工工序?yàn)椋?/p>

圖2 基坑分區(qū)

(1)A區(qū)南端頭井緊鄰已運(yùn)營的地鐵1號(hào)線區(qū)間隧道，為了減少基坑開挖對(duì)區(qū)間隧道的影響，將地下三層基坑分區(qū)，在南端頭井處設(shè)置分隔墻，將基坑分為A1、A2、A3區(qū)。首先施工A1區(qū)，待A1區(qū)底板完成澆筑并達(dá)到強(qiáng)度后，回筑拆撐時(shí)開始開挖A2區(qū)，A3區(qū)在A1區(qū)車站主體結(jié)構(gòu)施工完畢前嚴(yán)禁土方開挖。

(2)施工車站2期即B區(qū)基坑，同步實(shí)施公路隧道Ⅱ-4和公路隧道Ⅱ-5。

(3)施工車站3期即C區(qū)基坑，同步實(shí)施公路隧道Ⅲ-4、公路隧道Ⅲ-5、公路隧道Ⅲ-6、公路隧道Ⅲ-7。

3.3 針對(duì)臨近區(qū)間隧道的專項(xiàng)保護(hù)措施

圖3 基坑支撐平面布置

擬建場地臨近軌道交通1號(hào)線東方之門站及盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)區(qū)間對(duì)沉降及變形較為敏感。設(shè)計(jì)中采取了如下措施。

(1)根據(jù)地方對(duì)地鐵保護(hù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定嚴(yán)格的基坑位移控制指標(biāo)及施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)保護(hù)指標(biāo)。①基坑施工過程中，車站及區(qū)間沉降及水平位移≤10 mm；②隧道變形曲線的曲率半徑R≥15 000 m；③隧道的相對(duì)變曲≤1/2 500；④地鐵結(jié)構(gòu)變形速度≤0.5 mm/d，且不得影響正常使用，隧道和車站的差異沉降控制在5 mm以內(nèi)。

(2)為有效控制臨近地鐵側(cè)的基坑在開挖過程中的側(cè)向變形及大基坑開挖產(chǎn)生沉降，對(duì)整個(gè)基坑方案進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)：①對(duì)地下三層段基坑進(jìn)行分區(qū)，將大基坑小塊化[2]，先開挖臨近區(qū)間隧道的A1區(qū)小基坑，充分考慮“時(shí)空效益”，縮短施工工期，從而有效控制基坑土體隆起和坑外的地基沉降；②支撐體系采用混凝土支撐與鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)[2]相結(jié)合的對(duì)撐布置體系，支撐軸力伺服系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際監(jiān)測情況，調(diào)整預(yù)加軸力，控制基坑變形，以達(dá)到有效控制區(qū)間隧道變形，保護(hù)地鐵運(yùn)營。③對(duì)連續(xù)墻采取槽壁加固，并采用H型鋼接頭，可以有效的減少連續(xù)墻滲水、漏沙的情況出現(xiàn)，保證了基坑安全；④對(duì)靠近區(qū)間隧道側(cè)盾構(gòu)區(qū)的軟弱土層進(jìn)行地基加固處理，增強(qiáng)被動(dòng)土區(qū)域的力學(xué)參數(shù)，有利于減少基坑開挖過程中地鐵結(jié)構(gòu)的位移；⑤對(duì)抗承壓水設(shè)計(jì)不滿足要求的區(qū)域的連續(xù)墻進(jìn)行加深，隔斷承壓水土層，避免大范圍降承壓水對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響。⑥加強(qiáng)車站及盾構(gòu)區(qū)域的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果反饋指導(dǎo)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及施工，做好信息化施工。⑦主體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合墻，有利于減少使用期間的長期的滲漏水，減少對(duì)地鐵的影響。⑧基坑工程施工階段對(duì)該側(cè)基坑外側(cè)嚴(yán)格限制任何形式的施工荷載，一方面消除施工重載對(duì)已建1號(hào)線區(qū)間隧道的影響，另一方面減少圍護(hù)體變形進(jìn)而控制對(duì)地鐵車站的影響。

3.4 基坑有限元計(jì)算

為了較準(zhǔn)確地預(yù)測本基坑項(xiàng)目開挖引起周邊環(huán)境(區(qū)間隧道)的附加變形，采用巖土工程專業(yè)有限元軟件Plaxis對(duì)基坑開挖過程數(shù)值模擬，對(duì)圖4所示典型剖面進(jìn)行計(jì)算分析。其中土體材料采用Harding Soil硬化模型[3] 、[4]，地下連續(xù)墻采用線彈性模型模擬。水平方向按照實(shí)際的基坑尺寸關(guān)系建模，水平向尺寸為100 m，考慮一定的開挖影響范圍，深度則取至足夠深度，為地表以下50 m。對(duì)左邊界施加X向位移約束，底邊界施加X、Y向約束，對(duì)稱邊施加對(duì)稱約束邊界條件。計(jì)算模型中根據(jù)實(shí)際工況模擬基坑開挖情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果(圖4、圖5)，基坑開挖對(duì)鄰近隧道產(chǎn)生的最大水平、豎向變形、總位移均小于5 mm。根據(jù)理論預(yù)測結(jié)果并結(jié)合已有的工程經(jīng)驗(yàn)，本方案采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐方案可以有效控制區(qū)間隧道變形在較小范圍內(nèi)，同時(shí)后期在實(shí)際施工中結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)對(duì)位移進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，做到信息化施工。

圖4 基坑計(jì)算剖面A-A

圖5 基坑有限元計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)束語

星港街隧道配套(軌道交通)預(yù)留工程?hào)|方之門站基坑緊鄰已運(yùn)營的蘇州軌道交通1號(hào)線東方之門的區(qū)間隧道及出入口通道，并與擬建的星港街公路隧道、過街人行天橋緊鄰并同期實(shí)施。設(shè)計(jì)中有針性的對(duì)基坑合理分區(qū)，并統(tǒng)籌考慮各項(xiàng)目之間施工工序，較好的解決了項(xiàng)目同期施工的相互影響的難題。并對(duì)車站三層段端頭井基坑分區(qū)卸載，在南端頭盾構(gòu)段采用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)等有效措施，可達(dá)到有效控制基坑圍護(hù)變形，從而保護(hù)緊鄰運(yùn)營區(qū)間隧道安全。通過數(shù)值模擬分析，區(qū)間隧道各項(xiàng)位移參數(shù)均能滿足地方軌道保護(hù)要求。該設(shè)計(jì)方案可為蘇州地區(qū)后續(xù)線路或其他城市類似的工程提供借鑒。

[1] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．星港街隧道配套(軌道交通)預(yù)留工程?hào)|方之門站[R]．2014

[2] 賈堅(jiān). 控制深基坑變形的支撐軸力伺服系統(tǒng)[J] .上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,43(10)

[3] 沈珠江.粘土的雙硬化模型[J] .巖土力學(xué),1995,16(1)

[4] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司.PLAXIS版本8材料模型手冊[M]