地鐵深基坑內支撐預應力對基坑變形的影響淺探

徐德馨，彭漢發，周玉琴

(1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022； 2.湖北省水利水電科學研究院，湖北 武漢 430070)

1 引 言

隨著全國城市化進程的推進，城市地下空間開發利用熱潮興起，城市地鐵項目正在緊鑼密鼓地開工建設。而地鐵通常穿越城市最繁華的路段，周邊環境嚴峻，且地鐵車站基坑大都采取明挖法，開挖深度多超過 12.0 m，有些甚至超過 15.0 m，屬于超深基坑，基坑開挖易導致周邊房屋沉降開裂、道路下沉、管線破裂等，嚴重影響周邊建(構)筑物的安全。怎么在地鐵設計和施工過程中采取合適的技術措施[1～6]，把基坑施工對周邊建(構)筑物的影響[7～10]控制在容許范圍內，是一個十分重要的研究課題。本文對武漢市典型地層(在武漢市分布范圍較廣)一個超深地鐵基坑進行開挖與周邊建(構)筑物的共同作用數值分析，探討了支撐預應力技術措施對周邊建(構)筑物的影響，研究結果對順利開展地鐵建設和保障城市安全具有重要的借鑒意義。

2 工程及地質概況

2.1 工程概況

擬建地鐵車站為地下2層、10 m島式站臺車站，車站外包尺寸為 184 m×18.5 m×12．71 m(長×寬×高)，車站頂部覆土約 3 m采用明挖法施工，標準段明挖基坑深度 15.9 m，寬度 18.5 m，鋼管內支撐水平間距為 3.0 m；盾構井加深加寬段明挖基坑深度 17.2 m，寬度 22.9 m。車站維護結構采用 800 mm厚連續墻加鋼管內支撐，墻深共分三種，北端頭盾構進出洞處 31.0 m深，端頭井部位 27.5 m，標準段 25.8 m。基坑支護安全等級為一級。地鐵基坑北部三維數值分析模型如圖1所示。

圖1 基坑北部三維數值分析模型

標準段典型剖面設置內支撐三道，剖面布置圖如圖2所示。

圖2 標準段剖面支護布置圖

車站基坑周邊環境嚴峻，車站東側為商用樓及老式住宅樓，住宅建筑密集，距離基坑 11 m～14 m；周邊地下管線密集，種類多，有些臨近管線被遷移處理，距離基坑東側 6 m處的鑄鐵給水管線是最重要的監測管線。

2.2 場地地層概況

場地地層分布如下：

①(1-1)層為雜填土(Qml)，成分較雜，厚度總體不大，結構松散且疏密不均，建筑性能差。

場地地層物理力學參數如表1所示。

基坑場地地層物理力學參數 表1

3 基坑標準段開挖數值分析

3.1 數值分析模型和計算參數

由于基坑北端和南端基坑底部均進行了加固，且周邊均沒有建筑物，標準段2-2剖面測斜布置點CX-04處有建筑物，距離基坑開挖邊線約 11 m，建筑物為1～4層磚混結構，天然地基，本次分析的對象為該剖面，稱為標準段典型剖面。

建(構)筑物等效荷載60 kPa，分布范圍 10 m。根據基坑場地土層情況及支撐布置情況以及周邊建(構)筑物情況，建立基坑共同作用數值分析的平面應變模型[11，12]，如圖3所示。

圖3 標準段剖面數值分析模型圖

根據本基坑勘察報告和土工試驗成果，典型剖面地層修正劍橋模型[13～15]力學參數如表2(表中，自然對數壓縮指數λ、自然對數回彈指數k、泊松比μ、臨界狀態應力比M、初始孔隙比e0、靜止土壓力系數k0)。

典型地層修正劍橋模型力學參數 表2

地下連續墻厚0.8 m，采用線彈性模型，彈性模量為2.4×107kPa，泊松比為0.2；3道支撐，第1道φ609@12(直徑 609 mm、壁厚 12 mm)，第2、3道φ609@16(直徑 609 mm、壁厚 16 mm)，鋼管內支撐采用線彈性模型，彈性模量為2.0×108kPa，泊松比為0.2。

3.2 數值分析與監測結果對比

在該地鐵站基坑設計過程中，進行初步計算，得到設計軸力和預加軸力如表3所示。

支撐設計和預加軸力值 表3

按初步設計預加軸力值對3道內支撐施加預應力，對基坑開挖進行分步開挖模擬，基坑開挖到坑底后數值分析計算結果見圖4、圖5(云圖位移單位為m)。

圖4 基坑開挖到坑底后水平位移分布云圖

圖5 基坑開挖到坑底后垂直位移分布云圖

數值分析地下連續墻計算結果與測斜CX-E4監測結果對比如圖6所示，從圖中可知，基坑在施加預應力情況下，墻頂位移朝向基坑外側，到基坑開挖深度約 14 m，即坑底上 1 m～2 m處，地下連續墻向坑內位移到達最大，數值分析計算結果與測斜監測結果分布規律基本一致。

圖6 基坑開挖到坑底后地下連續墻水平位移計算與監測結果分布圖

從圖7基坑開挖到坑底后周邊地表沉降分布圖中可以看到，地表沉降最大值位于建筑物處，約為 16.7 mm，監測結果為 15 mm；在內支撐預應力作用下，基坑開挖邊線處土體有少量隆起，周邊地表最大沉降量得到了很好的控制。

圖7基坑開挖到坑底后周邊地表沉降計算與監測結果圖

4 內支撐預應力在超深基坑開挖中的作用分析

從上節數值分析計算結果可知，內支撐在基坑開挖過程中施加預應力后，基坑變形較小，本節來對基坑內支撐施加預應力與否的效果進行對比分析。

當基坑開挖時內支撐不施加預應力時，基坑開挖到坑底后位移分布云圖如圖8、圖9所示。

圖8 未施加預應力開挖到坑底后水平位移分布云圖

圖9 未施加預應力開挖到坑底后垂直位移分布云圖

為了更好地比較內支撐施加預應力與未施加情況下對基坑變形的影響，把兩種情況下基坑開挖到坑底后，地下連續墻水平位移和基坑周邊地表沉降曲線分別進行對比，如圖10、圖11所示。

從圖10施加預應力與否連續墻水平位移分布對比圖中，可知內支撐不施加預應力后，地下連續墻變形有著明顯增加，不過最大水平位移位置與施加預應力時相同。

從圖11施加預應力與否地表沉降分布對比圖中可知，內支撐不施加預應力后，地表沉降有著明顯增加，不過最大沉降位置與施加預應力時相同。

圖10 施加預應力與否連續墻水平位移分布圖

圖11施加預應力與否地表沉降分布圖

施加預應力對基坑變形的影響對比分析 表4

從表4施加預應力對基坑變形的影響對比分析中可以發現，基坑內支撐施加預應力后，基坑變形(水平位移和地表沉降)可以減少約1/3；基坑內支撐施加預應力不改變基坑支護結構、周邊沉降的變形形態(變形分布曲線)，與不施加預應力的支護形式的變形機理基本一致。對于周邊建(構)筑物密集、周邊環境嚴峻的基坑，施加預應力是一個很好的控制基坑運行期間變形的措施。

5 結 論

(1)一級階地一般黏性土典型地層超深基坑施加預應力后，支護體系最大水平位移常可控制在1‰～2‰這種較小的范圍內，最大沉降與最大水平位移比較接近，且沉降影響較大的范圍約為1.5H(H為基坑開挖深度)。

(2)施加預應力對基坑變形的影響對比分析中可以發現，基坑內支撐施加預應力后，基坑變形(水平位移和地表沉降)可以減少約1/3，對于周邊建(構)筑物密集、周邊環境嚴峻的基坑，施加預應力是一個很好的控制基坑運行期間變形的措施。

(3)超深基坑由于其重要性，支護剛度通常較大，加上內支撐施加了預應力，對控制基坑變形的能力較強，支護體系側土體應力分布規律和未施加預應力的基坑有所不同，其應力分布規律和變形機理有待進一步研究。