地鐵基坑工程坑中坑影響下的支護結構設計探析

吳子淇

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津300308）

1 引言

在地鐵建設實際工程中，常遇到需要在深（大）基坑內進行二次開挖得到內部小坑來容納局部結構的情況，或地鐵與市政工程共建的情況，或“十”字換乘車站的方案。這些都會涉及坑中坑問題，但目前相關規(guī)范中沒有涉及坑中坑具體情況，導致在實際工程中設計人員缺少依據(jù)，往往低估甚至于忽略坑中坑的不利影響，使基坑圍護設計方案安全度不足，從而產(chǎn)生基坑失穩(wěn)事故的發(fā)生。

2 坑中坑對基坑工程的影響

通常采用庫倫土壓力理論或朗肯土壓力理論計算作用在基坑圍護結構上的土壓力值，但理論的假設與實際情況有一定的出入。一些試驗結果證明，庫侖土壓力理論在計算主動土壓力時，與實際較為接近；計算被動土壓力時，其計算結果與實際相比往往偏大。郎肯理論由于沒有考慮墻背邊界條件，其計算結果與實際比較往往主動土壓力偏大，而被動土壓力偏小。故而在實際應用中，尤其針對軟土地層，周邊環(huán)境復雜的，多按郎肯土壓力理論計算，有利于基坑的安全。對于存在坑中坑的基坑，由于2 種經(jīng)典理論采用的是半無限土體的假設條件，而對較淺基坑被動區(qū)土體由于坑中坑的存在，屬于有限土體范疇；對較深基坑主動區(qū)土體由于淺基坑的先期開挖，土體的固結影響，這些都會影響基坑計算模型的邊界條件，而且大都為不利影響[1～3]。

3 坑中坑對基坑支護結構影響的應對措施

3.1 小型坑中坑

為滿足地鐵車站建筑使用功能，常需在主體深（大）基坑內進行二次開挖得到內部小坑，來容納電梯井、集水井等局部結構（措施）的情況，這類坑中坑相對于深（大）基坑，體量小，二次開挖深度淺。

在設計上，合理布置坑中坑位置，盡量遠離圍護結構；優(yōu)化局部結構體量，盡量做到坑中坑平面規(guī)則、深度淺，以減小坑中坑對支護結構的影響。視地層及周邊環(huán)境的情況，采取必要的措施。在飽和黏土地層，周邊環(huán)境較簡單，可采取坑內放坡開挖；在軟土地層，粉砂含水地層，周邊環(huán)境復雜的，坑中坑影響范圍內需采取地層加固措施。另外，應明確施工順序，基坑開挖至設計標高后，盡快完成墊層施作，再進行二次基坑開挖。

3.2 較大、長條型坑中坑

以某地鐵車站為例，車站主體沿城市主干道布置，另該主干道規(guī)劃地下車行道。為合理利用城市地下空間，采取二者共建方案，同期明挖施工，另因二者寬度需要較大，為合理優(yōu)化工程造價及工期，采取坑中坑支護方案。結構地下1 層為規(guī)劃車行道；地下2 層為地鐵站廳層；地下3 層為地鐵站臺層。頂板覆土2.5m，地下1 層底板埋深9.5m，地下3 層底板埋深23m。基坑支護根據(jù)承載能力極限狀態(tài)進行設計，分別進行承載力計算和穩(wěn)定性及變形驗算。確保支護結構穩(wěn)定，不產(chǎn)生傾覆、滑移和局部失穩(wěn)，支撐系統(tǒng)不失穩(wěn)。

根據(jù)經(jīng)典的郎肯土壓力理論，被動區(qū)無限土體滑裂面與水平面夾角，即剪切破壞角為45°+φ/2（φ 為土的內摩擦角）。針對本站淺基坑，被動區(qū)土體受坑中坑的影響，有限范圍土體的土壓力是小于普通半無限連續(xù)土體的土壓力，即被動區(qū)土壓力計算取值與實際相比偏大，對基坑安全是不利的，導致如抗傾覆安全系數(shù)（樁墻內側被動區(qū)抗傾覆作用力矩總和/樁墻外側主動區(qū)抗傾覆作用力矩總和）計算結果與實際相比偏大[4]。

對于內坑（坑中坑），由于外坑（淺基坑）開挖卸荷的影響，坑底以下的土體處于超固結狀態(tài)，坑中坑的開挖將使作用在坑中坑圍護體上的土壓力由靜止的側向土壓力分布曲線向主動土壓力曲線發(fā)展，即按普通基坑計算方法得出的內坑外側土壓力與實際作用在內坑樁墻外側的土壓力相比偏小，這對基坑安全是不利的，導致如抗傾覆安全系數(shù)計算結果與實際相比也偏大[5]。

故而計算過程中需注意這些影響因素，對輸入計算軟件的參數(shù)進行修正。同時，為改善邊界條件而采取措施，如淺基坑坑底土體加固措施，加強被動區(qū)土體；加強坑中坑支護結構的整體剛度。本站最終基坑支護方案主要圖1 所示，外坑支護方案為SMW 工法樁+內支撐（第一道為混凝土支撐，設置臨時立柱），坑底攪拌樁加固（厚度3m）。內坑支護方案為地連墻（淺基坑范圍內為素混凝土）+內支撐（第一道為混凝土支撐，設置臨時立柱）。如基坑周邊環(huán)境復雜，地質條件較差，還可外坑坑底素混凝土墊層內增設構造鋼筋。

3.3“十”字換乘節(jié)點坑中坑

以某“十”字換乘地鐵車站為例，主要分析平面上坑中坑帶來的不利影響及應對措施。車站與遠期地鐵線“十”字換乘，換乘節(jié)點處同期施工，采取坑中坑支護方案。

一般基坑支護結構，內支撐兩端的受力是對等的，是一種平衡狀態(tài)。而對于車站換乘節(jié)點坑中坑（斜撐支護體系），支撐兩端的墻體所受土壓力差異明細，必然會導致所受土壓力較小的墻體向坑外移動，外側土體隆起，墻體所受土壓力值逐漸增大；同時，所受土壓力較大的墻體向坑內移動，外側土體下沉，墻體所受土壓力值逐漸減小，直到二者達到新的平衡為止。而這些對基坑安全都是不利的[6]。

圖1 某地鐵車站主體圍護結構橫斷面圖

針對這類情況，可采取坑中坑坑外主動區(qū)土體加固措施，換乘段外轉角處采用地層加固措施，加強坑中坑支護結構剛度（圍護結構為地連墻，坑內第一道支撐采取混凝土支撐，設置封閉混凝土腰梁），另計算單根支撐彈性支點剛度系數(shù)時，對支撐不動點調整系數(shù)合理取值。地質條件允許的話，也可取消斜撐設置，長邊采取對撐設置，短邊處采取錨桿（鎖）支護體系。

4 結語

基坑工程作為一個涉及建設、勘察、設計、施工、監(jiān)測等多專業(yè)的系統(tǒng)工程，影響因素眾多，本文基于多個工程項目的成功經(jīng)驗，從支護設計專業(yè)角度分析坑中坑對地鐵基坑支護結構影響的各種不利影響，并提出應對措施，對其予以歸類總結，以期對巖土工程師應對該類困難時提供幫助。