京張高鐵清河站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傅慧敏 吳海洋 昝海柱 李喜慶 王 永

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.北京交通大學(xué)建筑勘察設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100044；3.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

城市地下工程建設(shè)多穿越既有建筑、市政道路、管線等基礎(chǔ)設(shè)施非常完善的城市中心地帶，常遇到既有設(shè)施鄰近地下工程深基坑，成為地下工程建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)源。此時(shí)，地下工程建設(shè)會(huì)對(duì)既有設(shè)施的使用、安全造成影響。

京張高鐵清河站房工程地下為二層。基坑西側(cè)鄰近地鐵13號(hào)線，影響13號(hào)線長(zhǎng)度近800 m。因此，需要對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行理論分析，論證其安全性，保證地鐵13號(hào)線的正常運(yùn)營(yíng)安全[3]。

張燕書(shū)[1]、吳鋒波[2]等對(duì)明挖地鐵深基坑的變形進(jìn)行了深入研究；康志軍[3]就基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移深度對(duì)周邊環(huán)境的影響進(jìn)行了探討；孫宏偉[4]、李偉強(qiáng)[5]、賈夫子[6]、孟曉偉[7]、信磊磊[8]、鄒淼[9]等對(duì)深基坑鄰近風(fēng)險(xiǎn)源的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。以下借鑒以上學(xué)者的理論分析，對(duì)清河站房的深基坑設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 清河站工程概況

京張高鐵清河站綜合交通樞紐工程位于北京市海淀區(qū)清河鎮(zhèn)，小營(yíng)西路與G7京新高速交匯處東北角，西側(cè)緊鄰地鐵13號(hào)線西二旗站-上地站區(qū)間。樞紐由高鐵站房及配套工程、地鐵車站及換乘配套工程、市政配套工程組成。地下二層，地上二層(見(jiàn)圖1)。

圖1 清河站平面示意

基坑概況：寬60～140 m，長(zhǎng)660 m，深8.30～21.70 m(鄰近13號(hào)線側(cè)最大深度為17.5 m)，總面積84 800 m2；基坑西側(cè)臨近地鐵13號(hào)線，影響13號(hào)線長(zhǎng)度近800 m，基坑距離13號(hào)線路基段最近處僅5.6 m，距離高架段最近處僅7 m(見(jiàn)圖2)。

圖2 基坑平面

2 既有地鐵13號(hào)線概況

地鐵13號(hào)線是北京市的一條重要軌道交通線。清河站地下工程施工期間，13號(hào)線的運(yùn)營(yíng)不能受到影響。

高架段結(jié)構(gòu)：高架橋上部結(jié)構(gòu)由8聯(lián)(25 m+25 m+25 m)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)梁組成，對(duì)應(yīng)墩號(hào)為0～24號(hào)，橋墩為雙墩，基礎(chǔ)為4樁承臺(tái)基礎(chǔ)；承臺(tái)頂入土深度為0.5～0.8 m，承臺(tái)下部為直徑1 m的鉆孔樁，樁長(zhǎng)25～30 m。

路基段結(jié)構(gòu)：擋土墻的高填方段采用了碎石道床結(jié)構(gòu)，線路間距為3.6 m，路基段寬11 m，路基填方高約3.1 m。

3 鄰近13號(hào)線一側(cè)的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

(1)工程地質(zhì)剖面

典型工程地質(zhì)剖面見(jiàn)圖3。

圖3 地質(zhì)剖面(高程單位：m)

(2)水文地質(zhì)

勘探深度范圍內(nèi)存在4個(gè)可含水層，分別為③細(xì)砂層、⑤砂礫層、⑦卵礫石層和⑨卵礫石層。③細(xì)砂層中可賦存層間水；⑤砂礫層具有穩(wěn)定的地下水位，為潛水-承壓水，穩(wěn)定地下水位埋深 23.0～27.3 m，⑦卵礫石層和⑨卵礫石層均賦存有層間承壓水。

3.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

采用明挖法施工，在基坑外布設(shè)單排φ600@350 mm的旋噴樁止水帷幕[10]。

(1)確定基坑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

①基坑設(shè)計(jì)目標(biāo)

按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[11]要求，地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)與軌道變形控制指標(biāo)為：豎向變形控制值3.0 mm，橫向變形控制值3.0 mm。

②安全等級(jí)

根據(jù)基坑深度、距離既有13號(hào)線的水平距離、13號(hào)線結(jié)構(gòu)的破壞后果影響程度，將基坑分為不同的安全等級(jí)，鄰近13號(hào)線路基段的基坑安全等級(jí)為一級(jí)，鄰近13號(hào)線高架段的基坑安全等級(jí)為二級(jí)。

③支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形控制值及地表的沉降變形控制值

根據(jù)規(guī)程[12]第3.1.7-4條確定：一級(jí)基坑為0.002h，二級(jí)基坑為0.004h；地面沉降量按≤30 mm控制；h為基坑開(kāi)挖深度。

(2)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)初步方案確定

采用平面設(shè)計(jì)經(jīng)典計(jì)算方法進(jìn)行試算，初步確定基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方案(基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面位置見(jiàn)圖2)。

鄰近路基段典型支護(hù)剖面(1-1剖面)見(jiàn)圖4。

圖4 路基段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)(單位：mm；高程單位：m)

位置：基坑西南側(cè)鄰近13號(hào)線路基段，基坑與既有線路基水平距離為5.38～5.58 m，基坑雙排樁外皮至路基擋土墻外邊線最近距離約1.5 m，基坑深度為 17.2 m。

采用“雙排樁+預(yù)應(yīng)力錨索”支護(hù)[14-15]，樁長(zhǎng)30.4 m。打設(shè)5道預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長(zhǎng)度為19.0～24.0 m。

支護(hù)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果：樁頂水平位移為19.2 mm≤0.002h，地面沉降為17 mm≤30 mm。

鄰近高架段典型基坑支護(hù)剖面(3-3剖面)見(jiàn)圖5。

位置：基坑與既有地鐵13號(hào)線高架段橋墩墩臺(tái)外邊線水平距離為6.42～21.30 m，基坑雙排樁外皮至高架段橋墩墩臺(tái)外邊線的最近距離約為3.4 m；基坑深度為8.3 m。

地鐵運(yùn)營(yíng)公司不允許錨索進(jìn)入13號(hào)線橋墩承臺(tái)下，故采用了雙排樁[14-15]的支護(hù)方式，樁長(zhǎng)14.5 m。

支護(hù)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果：樁頂水平位移為6.28 mm≤0.004h，地面沉降為8 mm≤30 mm。

圖5 高架段段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)(單位：mm；高程單位：m)

3.3 數(shù)值模擬分析

建立“基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)—巖土—13號(hào)線結(jié)構(gòu)”整體模型，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。

(1)計(jì)算模型的確定

①基本假定

僅考慮正常使用工況，不考慮地震、人防工況。

假定地鐵結(jié)構(gòu)為線彈性材料。

假定新建基坑、既有地鐵結(jié)構(gòu)及土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則。

②計(jì)算模型材料參數(shù)

土層參數(shù)參考地勘資料選取，土層及結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

③計(jì)算軟件及模型建模

采用 ANSYS 軟件，模擬新建基坑施工過(guò)程對(duì)地鐵 13 號(hào)線上地站-西二旗站區(qū)間結(jié)構(gòu)及軌道的安全性影響。

根據(jù)不同的材料采用不同的本構(gòu)模型。對(duì)于混凝土材料，采用線彈性模型，對(duì)于各層土體，采用D-P模型。土層和既有地鐵結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元Solid45模擬。對(duì)于周圍土體，采用實(shí)體單元，不同的土層對(duì)應(yīng)不同的材料。邊界條件：頂面取為自由邊界，四個(gè)側(cè)面為法向約束，底面每個(gè)方向均約束。

表1 材料參數(shù)

④模型計(jì)算范圍

模型范圍的確定：根據(jù)基坑工程鄰近13號(hào)線的相對(duì)位置關(guān)系及影響范圍，基坑鄰近路基段模型范圍為沿既有地鐵線路縱向140 m，橫向80 m，土層厚50 m。基坑鄰近高架橋段模型范圍為沿既有地鐵線路縱向180 m，橫向80 m，土層厚50 m。

(2)模擬工序(模型一)

路基段基坑工序模型如圖6。

圖6 路基段基坑工序模型

第一階段：施作圍護(hù)樁，開(kāi)挖4.3 m，設(shè)置第一道錨索；第二階段：開(kāi)挖4 m，至第一級(jí)臺(tái)階，設(shè)置第二道錨索；第三階段：施作第二級(jí)臺(tái)階圍護(hù)樁，設(shè)置第三道錨索，開(kāi)挖3.5 m：第四階段：開(kāi)挖3 m，設(shè)置第四道錨索；第五階段：設(shè)置第五道錨索，開(kāi)挖2.5 m至坑底；第六階段：混凝土攪拌樁加固施工，坑內(nèi)樁基加載。

13號(hào)線路基結(jié)構(gòu)的變形預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 模型一變形值

(3)模擬工序(模型二)

高架段基坑工序模型如圖7。

圖7 高架段基坑工序模型

第一階段：施作圍護(hù)樁，開(kāi)挖表層土1 m；第二階段：開(kāi)挖7.3 m，至第一級(jí)臺(tái)階；第三階段：施作混凝土攪拌樁，開(kāi)挖4.5 m；第四階段：開(kāi)挖4.4 m至坑底后加載。13號(hào)線高架段結(jié)構(gòu)的變形預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 模型二變形值

(4)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)

13號(hào)線側(cè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制指標(biāo)見(jiàn)表4、表5。

表4 鄰近高架橋段基坑支護(hù)樁變形控制指標(biāo)

表5 鄰近路基段基坑支護(hù)樁變形控制指標(biāo)

(5)小結(jié)

13號(hào)線的路基段距離基坑邊緣近，基坑深度大，原基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案需要調(diào)整。調(diào)整方案為“此范圍基坑內(nèi)側(cè)保留寬度不小于4 m，深度不小于9 m的被動(dòng)土體，在坑內(nèi)形成二級(jí)基坑，二級(jí)基坑邊增打一排樁”。經(jīng)分析，調(diào)整后的方案可滿足地鐵變形的要求。

基坑支護(hù)措施加強(qiáng)：在開(kāi)挖前，對(duì)基坑底部深4 m、寬4 m范圍內(nèi)的土體進(jìn)行水泥土攪拌樁加固處理； 13號(hào)線路基段埋設(shè)袖閥注漿管；加強(qiáng)13號(hào)線高架段橋墩承臺(tái)之間的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)(增加錨索)。

4 優(yōu)化后的基坑設(shè)計(jì)方案

4.1 鄰近路基段基坑支護(hù)體系

條件允許的情況下盡量保留土體，在基坑內(nèi)形成二級(jí)基坑：一級(jí)基坑深8.3 m，臺(tái)階寬4～12 m；二級(jí)基坑深8.8 m。基坑的最大深度為17.2 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)：一級(jí)基坑為“雙排樁+兩道預(yù)應(yīng)力錨索”，二級(jí)基坑為“單排樁+三道預(yù)應(yīng)力錨索”(見(jiàn)圖8)。

圖8 路基段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案(單位：mm；高程單位：m)

4.2 鄰近高架段的基坑支護(hù)體系

對(duì)13號(hào)線橋墩承臺(tái)之間的支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用了“雙排樁+錨索支護(hù)”方式，增加了2道錨索，見(jiàn)圖9。

圖9 高架段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案(單位：mm；高程單位：m)

5 基坑變形監(jiān)測(cè)

5.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)

圖10 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)橫向變形時(shí)程曲線

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形時(shí)程曲線表明(見(jiàn)圖10、圖11)，鄰近13號(hào)線高架及路基側(cè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)各檢測(cè)點(diǎn)的水平位移均小于3 mm，滿足控制值(6 mm)的要求[12]。

圖11 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向變形時(shí)程曲線

5.2 13號(hào)線結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)

13號(hào)線高架段結(jié)構(gòu)及路基段結(jié)構(gòu)變形時(shí)程曲線表明(見(jiàn)圖12～圖15)，13號(hào)線的結(jié)構(gòu)變形均小于2 mm，滿足結(jié)構(gòu)豎向變形及水平變形的控制值(3 mm)的要求。

圖12 13號(hào)線橋梁結(jié)構(gòu)橫向變形時(shí)程曲線

圖13 13號(hào)線橋梁結(jié)構(gòu)豎向變形時(shí)程曲線

圖14 13號(hào)線路基結(jié)構(gòu)橫向變形時(shí)程曲線

圖15 13號(hào)線路基結(jié)構(gòu)豎向變形時(shí)程曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

建立“基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)+土體+風(fēng)險(xiǎn)源結(jié)構(gòu)”的整體計(jì)算模型，得出風(fēng)險(xiǎn)源結(jié)構(gòu)的變形值。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)源結(jié)構(gòu)的變形要求，確定基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形標(biāo)準(zhǔn)，找出支護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，改進(jìn)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，確保深基坑施工期間風(fēng)險(xiǎn)源(地鐵運(yùn)營(yíng))的安全。