地下變電站深基坑工程的變形控制

郝 兵，李從昀，王友軍

(北京電力經濟技術研究院，北京 100055)

近年來，隨著我國城市建設的快速發展，土地資源日漸稀缺，北京城區建設的變電站以地下變電站為主。國家電網公司“兩型一化”變電站設計建設導則中提出了“環境友好型”的技術要求，而地下變電站“節地、和諧、簡約”的設計原則契合了這一要求。地下變電站深基坑開挖既要保證自身施工的安全，更要保證基坑周邊設施的安全和正常使用。深基坑工程對周邊環境的影響主要是由于基坑的開挖卸載引起周圍土體的變形，繼而影響周邊的建(構)筑物、市政道路、地下管線等，變形影響主要體現在基坑附近的地面沉降和周邊土體的位移。因此，在地下變電站基坑支護設計時必須遵照變形控制的原則。

地下變電站基坑工程與一般建設項目相比，具有規模小，深度大，環境條件更加復雜的特點，目前國內已經積累一些復雜環境深基坑類似案例。北京地區近幾年已經積累了一定數量地下變電站深基坑的經驗，分析、總結已有的工程經驗，對今后地下變電站工程建設的順利開展、保證工程安全、保護環境及規避工程建設中的巖土工程風險有重要的意義。

1 變形的影響因素及控制措施

由于基坑的開挖卸載，支護結構會發生變形，位移場通過周邊土體向外傳遞并且逐漸衰減，最終影響周邊建(構)筑物的位移。基坑變形包括圍護墻體的變形、基坑周圍土體位移、坑底回彈和地表沉降等。一般來說，復雜環境條件下的基坑周圍地層位移是基坑工程變形控制的主要問題。地表沉降對周邊地下管線危害極大，是控制地下管線變形的主要控制指標。本文主要討論由于基坑的開挖引起的土體位移問題。

1.1 基坑變形的影響因素

從基坑引起環境變形的機理分析可以得出，基坑的最終變形受多方面因素的制約，包括地層的物理力學性質、地下水條件；基坑周邊建(構)筑物，市政設施和地面荷載，維護結構的剛度、支撐剛度和支護結構入土深度，支撐力的大小，土體主動區和被動區的加固方法，施工工法、開挖方法及施工周期等。

1.2 基坑變形的控制措施

根據上述分析，為了控制基坑引起的周邊土體位移，可主要從三個方面考慮。一是控制支護結構的變形，例如加強支護結構的剛度，選取排樁等剛度較大的支護型式，加大支撐力、支撐剛度，優化支撐位置；加固被動區土體，增加土體抗力；加固坑外側土體，減小主動區荷載。二是在位移場的傳遞路徑上進行控制，如加固土體，設置隔離樁。三是采取有效的施工控制措施，例如利用時空效應規律，分時分塊開挖，減小基坑變形對保護對象的影響。

2 工程概況

北京菜市口220 kV變電站是我國第一個對外開放可供參觀式的220 kV運行變電站。采用框架－剪力墻結構，地上6層～12層，地下5層，置于同一基礎底板，基坑面積約5621 m2，深度29.1 m，集水坑部分深30.7 m，是北京地區較深的基坑工程之一。基坑自2012年7月開挖，2013年6月挖土完成，2014年11月主體結構竣工，基坑支護采用了排樁+錨索的支護方案，地下水采用管井降水。實踐證明，此種方案支護結構的變形控制得較好，周邊建筑物的位移可以控制在安全的范圍內，附近地鐵的運營情況良好。

2.1 建筑設計概況

地下變電站基坑西側緊鄰菜市口大街輔路，地下分布有各類地下管線，以下為正在營運的地鐵4號線陶—菜區間，北側為中山會館，東側為珠朝街，環境條件復雜，如圖1。地鐵4號線陶—菜區間隧道為馬蹄型復合式襯砌結構。為保證地鐵的運營安全，北京市地鐵運營有限公司要求“由于基坑的開挖引起的軌道垂直及水平位移均不超過3 mm”。

圖1 基坑周邊的環境條件

2.2 工程地質條件

2.2.1 地層巖性

基坑計算深度范圍內各土層物理力學性質參數參見表1。

表1 地層物理力學性質

2.2.2 地下水條件

地下變電站工程場區分布2層地下水，第1層地下水類型為潛水，穩定水位標高為20.45 m ～ 21.68 m(埋深 25.50 m ～ 26.40 m)；第2層地下水為承壓水，其穩定水位標高為18.15 m(埋深28.70 m)。

2.3 支護方案設計

經綜合考慮周邊環境條件及控制要求，結合地區經驗，分析比選后采用樁錨支護方案。嵌入深度8.0 m，樁徑1200 mm，樁距1.6 m，支撐采用7道預應力錨索，水平間距1.6 m。上部采用2.5 m高的370 mm磚砌擋墻。采用孔徑800 mm的大口井降水， 井間距6.4 m，井深42 m。基坑支護詳細設計計算如下。

2.3.1 內力變形計算

內力變形計算結果見圖2，整體穩定性計算見圖3。

圖2 內力變形計算結果

2.3.2 整體穩定計算

整體穩定計算見圖3。

圖3 整體穩定性計算

2.3.3 周邊位移預測

為了求解周邊位移，本文選用解析法進行求解周邊任意一點的位移。

水平位移計算見式(1)：

垂直位移計算見式(2)：

其中：

式中：η為開挖時墻趾下部土體影響深度系數；x為計算點至基坑邊的距離；y為計算點至地表的距離；φ為圍護墻后土體內摩擦角；n為支撐合力深度系數，一般可取為0.7；s2=f2(y)為擋墻水平變形OAB部分的變形方程。

根據上述公式，將圖2的位移圖按照解析法進行分解為三角形位移S1和拋物線位移S2，三角形位移函數s1=f1(y)，曲線形位移函數s2=f2(y)(0≤y≤35)，見圖4。為了消除隧道結構對位移場的影響，計算點位置取距離基坑最近的隧道結構外皮M點，見圖5，代入求得該點水平位移為1.3 mm，垂直位移為1.3 mm，考慮計算誤差及隧道結構的調節作用，初步判斷隧道底的位移可以滿足不超過3 mm的要求。

圖4 位移計算函數

圖5 支護結構剖面圖

2.4 基坑支護數值分析

方案設計同時采用數值分析軟件FLAC3D進行基坑施工對既有地鐵隧道影響的變形分析計算，模型大小為280 m×240 m×90 m，共計748060個單元，134161個節點。在模型的底面(z＝－44.0 m)處施加豎向約束，在模型的側面(x＝－95，x＝145 m；y＝－90，y＝190 m)處施加水平約束。模型中的土體本構關系采用非線性彈塑性高級本構cap yield模型。基坑開挖引起維護結構和地鐵隧道的豎向變形和水平變形見圖6～圖8。由于基坑開挖的空間效應，西側圍護結構最大水平變形約23 mm，發生在基坑中部。地鐵隧道向基坑內一側產生水平變形，最大水平變形1.26 mm，最大回彈1.69 mm。數值分析的結果與按照解析法求得的位移吻合度很高。

圖6 基坑支護結構變形(m)

圖7 隧道豎向變形(m)

圖8 隧道水平變形(m)

2.5 施工期變形控制方法

(1)根據時空效應原理，充分發揮土體自身抗變形能力以減少土體位移。對土體開挖按照分層、分塊、對稱、限時的要求，采取抽條式間隔挖土，每條長度20 m。

(2)對于基坑西側錨桿，為了增加錨固力安全儲備，避免對地鐵運營帶來風險，對于最下面三道錨桿進行了二次、三次高壓注漿，注漿壓力不低于2.0 MPa，從而加大預應力。

(3)基礎底板強度達到要求后，與排樁之間肥槽用混凝土與底板同時進行澆筑，確保兩者之間無縫連接。基礎底板澆筑后形成鋼筋砼內撐，以減少基坑變形。

3 監測數據分析

工程施工階段對圍護樁、錨桿以及臨近基坑的地鐵隧道均進行了位移監測，按照開挖1→加支撐1→開挖2→加支撐2………加支撐7→開挖8，可分為15種工況。

3.1 維護樁位移監測

圖9為基坑西側中部的圍護樁深部位移監測結果。為了便于說明，下面選取幾種代表性工況做具體分析。

圖9 圍護樁深層位移變化情況

由圖9可以總結出以下幾點：

(1)支護結構隨著開挖深度的加大，側向變形逐漸增加，監測數據的拋物線變形特征明顯，支護結構上部位移大，下部位移小，向下逐漸衰減，到支護結構底部時位移接近為0，說明支護結構的嵌固深度設置得較為合理。在基坑開挖至基底29.1 m深時樁頂水平位移達到13 mm(ZQ2工況15)，接近監測位移的最大值14 mm(ZQ2工況13)，這與設計位移計算的結果8.5 mm有一定差別。位移的最大值一般出現在樁頂附近，主要原因是由于第一排錨索受周邊環境限制，錨固長度較短，無法施加更大的預加力來控制樁頂位移。

(2)通過比較成對的工況5和工況6，工況11和工況12……工況14和工況15，在錨索施加預應力后支護結構的變形均有明顯減小，預應力錨索在控制支護結構位移方面有顯著的效果。

(3)比較監測位移和設計計算位移可知，利用彈性抗力法計算的的位移與實際監測位移基本上可以吻合。

(4)需要說明的是，深層位移監測的結論只反映相對位移的變化情況，與絕對位移會有一定誤差。主要原因是在測斜管安裝時支護結構已經發生了一定的初始變形，因此與計算得到的支護變形有一定的出入。

3.2 隧道位移監測

從隧道道床沉降和結構位移的監測結果(圖10、圖11)來看，由于基坑支護結構剛度較大，施加的支撐力較大，因此地鐵隧道的位移并不明顯。

圖10 隧道結構豎向位移

圖11 隧道結構水平位移

圖10為隧道右線道床回彈情況。自基坑開挖卸載開始，隧道路床的豎向位移便以回彈為主，在2月20日左右基坑開挖至第4道錨桿深度處，回彈量達到最大值2 mm，之后比較平穩，未有明顯增長。這與按照平面問題的簡單解析法計算位移1.3 mm相接近，與FLAC3D的數值模擬結果1.69 mm相一致，完全處于設計控制范圍之內。

圖11為隧道右線結構水平位移情況。從圖中看出隧道水平位移的規律性似乎并不明顯，在2月10日左右隧道結構水平位移達到接近最大值2 mm后趨于穩定，到基坑開挖至基底未有明顯變化。與簡單解析法計算得到的1.3 mm和FLAC3D數值模擬的1.26 mm十分接近，說明兩種方法的變形預測比較接近實際。

通過監測結果與解析法的計算結果，數值模擬結果對比，實際位移與計算位移差別不大。

4 結論

(1)地下變電站基坑工程，由于周邊的巖土工程條件復雜，因此變形控制應始終貫穿于勘察、設計、施工、監測預警預報的全過程。

(2)為了有效控制基坑周邊土體的位移，可以選擇結構剛度大的支護結構，加大支護樁的剛度、嵌固深度，預應力錨桿采取二次、三次壓漿，并且以基礎底板作為內支撐等多種方式來控制支護結構的變形。

(3)基于“荷載—結構”模型計算得到的支護結構位移與FLAC3D數值模擬的結果以及實際監測結果都非常相近，實際監測的支護結構變形拋物線特征明顯。

(4)應用解析法求解周邊移場的計算結果，與FLAC3D連續介質數值分析方法二者結果基本一致。并且與實際監測的隧道結構位移相比較，計算誤差不大，能夠大大簡化位移計算，滿足地下變電站基坑工程設計中的變形預測要求。

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