超深地鐵基坑支護方案研究及實測分析

沈霄云

（1.中國電建華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省智慧軌道交通工程技術研究中心，浙江 杭州 311225）

1 概述

隨著中國城鎮化建設的不斷推進，居民汽車保有量逐年提高，交通擁堵問題逐漸凸顯。地鐵作為利用地下空間的公共交通工具，使城市交通網絡更加立體化，在一定程度上化解了交通壓力。但是隨著地鐵建設規模不斷擴大，地鐵基坑深度也不斷加深。更深的基坑需要抵抗更大的土壓力，更高的水頭差，基坑風險急劇增加。這就對設計者提出更高的要求，基坑設計不僅要求安全合理可靠，也要求更經濟合理。

常規的地下車站設計，以杭州地鐵為例，主要以多道混凝土支撐結合多道鋼支撐的方案。因為隨著基坑加深，鋼支撐的支撐強度已無法滿足，需要采用混凝土支撐來抵抗更大土壓力，但是混凝土支撐施工進度緩慢，后期鑿除不僅影響工期且造成較多廢棄工程。常規坑底加固采用攪拌樁或者旋噴樁等水泥土加固，但是超深基坑導致加固垂直度精度下降，且成樁質量也下降。超深基坑比一般基坑內外水頭差更大，使圍護接縫的擊穿率大大提高。

因此，超深基坑較一般基坑施工難度更大，施工風險也更大，如何通過合理經濟的設計方案來確保安全是擺著設計師面前的難題。

本文通過對杭州地鐵官河站設計方案的分析和實測數據的研究探討一種合理的深基坑設計方案。

2 工程概況

杭州地鐵官河站為地下四層島式車站，埋深約32.7m，結構底板地層為粉質粘土和粘土。

圖1 車站總平面圖

3 設計方案優化

①多道支撐結合局部逆做樓板的“兩明兩暗”方案。常規深基坑設計一般采用明挖順做，在周邊條件不允許的情況下，會采用逆做法施工。本設計方案在研究中避免混凝土支撐后期鑿除中產生廢棄工程，將第二、三層樓板提前施工。

設計中采取如下措施：

a.兩道樓板在基坑開挖中作為內支撐，抵抗圍護變形，臨時格構柱和地下連續墻支撐這兩道樓板；

b.考慮到后期結構受力減少轉換，格構柱永久和臨時結合，格構柱在永久階段結合結構柱設置（如圖2）；

c.地下墻采用逆作法疊合墻的理念，將樓板鋼筋采用接駁器的形式預埋入地墻內。基坑開挖階段支承樓板及上方施工荷載，主體結構中，結合內襯墻形成抵抗結構側向變形。這樣既能解決逆做樓板豎向承載力的問題，也能減少內襯墻的厚度，減少混凝土用量。

地層物理力學性質表 表1

圖2 格構柱永久結合混凝土柱

圖3 局部樓板逆作法施工順序

支撐體系調整為兩道混凝土支撐+6道鋼支撐+兩道逆做樓板。

通過以上方案不僅能提高支撐整體剛度，且能減少后期鑿除工作量，提高施工進度。

②格構式地下連續墻。本基坑淺層有近15m的砂性土，之下為24m深的深厚淤泥質土。結構底板座落在⑥2粉質粘土和⑧1粘土上。這兩層土為杭州比較常見的軟弱土，尤其在底板施做時會產生較大結構變形。因此，常規會考慮一定的坑底水泥土加固。但是本基坑深度較深，一般的攪拌樁和旋噴樁無法保證垂直度，且加固效果也較差。本次方案考慮采用格構式地下連續墻，通過采用提前在坑底設置一定地下墻，保證坑底的側向抵抗變形能力。

圖5 格構式地下連續墻詳圖

4 監測方案

因為本項目基坑為狹長矩形，為了使監測數據分析具有代表性，現選取基坑長邊中點，基坑長邊1/4處和基坑端部三個典型斷面進行分析，即最不利的第二、四、八等三個單元的監測斷面進行數據分析。

分析內容主要包括四個方面：墻體測斜、支撐軸力、土體測斜和地表沉降。其中墻體測斜和支撐軸力主要反映基坑本身的安全及變形情況，土體測斜和地表沉降則主要反映基坑開挖對周邊環境的影響。

圖6 監測橫斷面圖

5 監測結果分析

5.1 墻體測斜

選取最不利的第二、四、八三個單元的監測斷面（如圖 7、8、9）。

由于后期監測中未保護好測點，3月12日之后無法進行測斜采集。

從三個測點的數據可以看出，混凝土支撐結合第四道鋼支撐，施做完后圍護結構變形有所減少，在下二層底板澆筑后，圍護變形進一步減少。

圖7 第二單元墻體變形最大值變化

圖8 第四單元墻體變形最大值變化

圖9 第八單元墻體變形最大值變化

但是在下三層底板澆筑后，圍護變形并沒預想的減少，反而不斷增大。主要原因在于兩道樓板施工后，開挖面已達到25m，尤其穿過兩道板，到下方架設鋼支撐，難度較大，且架設時間由原來8h增加到24h甚至更長，等鋼支撐架設上后，往往圍護已發生較大變形。因此，變形呈現不斷上升的趨勢。鋼支撐架設完后，變形又得到控制，甚至底板施做完后也未發生較大變形。

監測項目 表2

圖10 第二單元第一道混凝土支撐變化

圖11 第四單元第一道混凝土支撐變化

圖12 第八單元第一道混凝土支撐變化

以上分析可以看出，墻體測斜管能夠直接反映地下連續墻的變形，且對開挖工況最敏感，能夠直接反映基坑的變形情況。

結構樓板作為支撐結構能提供較大剛度，且能對圍護變形進行有效控制，但是兩道結構樓板的設置，嚴重影響了后續鋼支撐的施工，反而會造成結構更大變形。坑底采用格構式地下連續墻，在一定程度上減少了坑底的變形。

5.2 混凝土支撐軸力

選取既最不利的第二、四、八三個單元第一道混凝土支撐軸力變化（詳見圖10、11、12）。

在杭州地區，第一道混凝土支撐進場因基底地層較軟弱，經常會出現受拉的情況。從以上三個單元的第一道支撐數據可以看出，在第五道鋼支撐施工之前，混凝土支撐呈現出接近2000kN的拉力。這說明，下二層底板剛度較大可作為圍護轉動的支點，結合第五道鋼支撐及下面幾道支撐的軸力，形成抵抗矩，使第一道混凝土支撐拉力逐漸減少。

而第三道和第四道鋼支撐之間的第二道混凝土支撐，因其剛度較小，在土壓力影響下，無法作為穩定的支點。

因此，支撐軸力與墻體測斜類似，都能直接迅速的反映基坑開挖工況和基坑本身的安全性。

逆做樓板的設置，能有效減少圍護向外傾斜的被動破壞趨勢，減少第一道混凝土支撐拉力，提高圍護結構的穩定性。

5.3 第一道鋼支撐軸力

選取最不利的第二、四、八三個單元第一道鋼支撐軸力變化（詳見圖13、14、15）。

圖13 第二單元第一道鋼支撐變化

圖14 第四單元第一道鋼支撐變化

圖15 第八單元第一道鋼支撐變化

鋼支撐軸力對初始預加的要求較高。從三個位置的第一道鋼支撐軸力的變化可以看出。

①第八單元預加軸力220kN，約為設計要求預加軸力的1/3，導致基坑開挖中軸力一直較小，無法超過預加軸力，這就是施工中常見的支撐無法發揮作用。

②第四單元預加軸力400kN，約為設計要求預加軸力的0.8，鋼支撐充分受力，支撐軸力不斷變大，甚至承擔部分其他支撐的軸力，但是支撐充分發揮作用。

③第二單元預加軸力450kN，約為設計要求預加軸力的0.75，鋼支撐充分受力，最終達到設計軸力，效果較好。

常規施工中，預加軸力一般取設計軸力的50%～80%，因為鋼支撐架設的原因，軸力在支撐頂緊前，會有一定軸力消散，因此最終預加軸力的大小，直接決定鋼支撐的作用。

5.4 土體測斜

選取最不利的第二、四、八三個單元土體測斜的變化（詳見圖 16、17、18）。

圖16 第二單元土體變形最大值變化

圖17 第四單元土體變形最大值變化

圖18 第八單元土體變形最大值變化

土體側向位移對開挖工況不敏感，而是隨著基坑開挖的過程逐漸發展，甚至在基坑封底后仍有一定程度的發展。

6 結論

根據對杭州地鐵官河站的34m超深基坑支護方案和監測數據的分析：

①超深基坑采用多道支撐結合逆做樓板的設計方案，能有效控制圍護結構變形，提高圍護結構的穩定性。

逆做樓板，因其開孔率有限，尤其兩道逆做樓板，對下方鋼支撐的架設造成較大影響。

逆做樓板受制于永久結構，無法按計算調整架設位置。以官河站為例，車站32m深，設四層，地下四層結構層高超過8m，結合鋼支撐無法及時架設，抵抗變形能力反而減小。

因此，逆做樓板不宜過多，同時應考慮下階段支撐架設的便利性，才能實現有效控制變形。

②格構式地下連續墻對坑底施工，有一定作用，但是本工程無法對比試驗，因此，需進一步研究其發揮作用的機理。

③鋼支撐軸力很大程度取決于消散后預加軸力的大小，因此，施工中做好支撐軸力消散后的附加，能更好的發揮鋼支撐的作用。

④土體側向位移對開挖工況不敏感，而是隨著基坑開挖的過程逐漸發展，甚至在基坑封底后仍有一定程度的發展。