考慮巖面埋深的地鐵基坑支護分析

吳俊峰 徐淼升 郭劍鋒

摘 要：浙中紅層地區具有典型的土巖組合地質條件，經調查，在金華軌道交通深基坑工程中普遍存在地質條件和支護結構相似，但巖面埋深變化較大的情況，大部分基坑開挖深度范圍內的強風化-中風化巖體占到總量的50%以上。鑒于土、巖物理力學特性差異明顯，為分析不同巖面埋深對基坑支護工程的影響，本文以金華軌道典型土巖基坑支護工程為例，使用理正軟件建立模型，分析了巖面埋深對支護結構穩定性、支撐軸力和地表變形的影響。取得的成果可為區域內類似工程設計施工提供指導建議。

關鍵詞：巖面埋深;基坑支護;穩定性;地表變形

0 引言

隨著地鐵、管廊等城市地下空間建設的廣泛開展，深基坑工程在我國已不是難題，但如何對不同地質條件下的基坑設計、施工進行優化一直是研究的熱點。很多學者通過總結上海、杭州、寧波等地區的多種支護形式的基坑，來分析地質環境與圍護結構變形的關系，提出豐富的優化成果[1]。雷剛[2]等依托青島地鐵1號線對土巖組合地層明挖基坑樁撐體系的設計進行了優化。黃敏[3]、鄭學東[4]等使用有限元對土巖組合地層深基坑的開挖變形性狀進行了研究。蔡景萍[5]、李淑[6]、李少波[7]、徐洪鐘[8]對青島、北京、廈門、南京等地土巖組合深基坑的嵌巖深度和地表變形進行了統計分析，成果豐富。金華等浙中城市具有典型的粉砂巖上覆粘土層的紅層土巖組合結構，金義東軌道交通建設涉及到多個大型土巖組合深基坑項目，它們大都使用灌注樁加內支撐的圍護結構形式，施工方便、支護效果較好，本文在此基礎上使用數值計算對不同巖面埋深的深基坑穩定性和變形進行分析。

1 案例模型概況

1.1 圍護結構簡介

金華軌道某地下三層11 m島式站臺車站深基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁+內支撐形式，樁徑1 m，樁間距1.2 m，樁體嵌固深度為5 m，開挖深度約24 m，共設4道內支撐。第一道為砼支撐，第二、三、四道為鋼支撐，各支撐間距分別為6.8 m、6.5 m、5.5 m。隨基坑開挖，樁間土采用掛網噴射混凝土支護，典型圍護剖面如圖1所示。

1.2 工程地質條件

場地地層由上至下依次為：①素填土，層厚1.4 m～6.8 m;②粉砂，層厚0.6 m～1.3 m;③圓礫，層厚1.9 m～4.9 m;④強風化泥質粉砂巖，層厚0.4 m～2.0 m;⑤中風化泥質粉砂巖，層厚6.0 m～34.0 m。中風化泥質粉砂巖層頂面在地表以下約9 m處（土巖分界面），各土層物理力學參數指標如表1所示。

場地內水系屬錢塘江水系范疇，地表水體發育不明顯，距離最近的武義江約為400 m～500 m，武義江與本場地地下水水力聯系一般。勘探深度范圍內地下水類型主要可分為潛水和基巖裂隙水，水位埋深2.70 m～6.50 m。地下水位埋深和變化幅度受季節和大氣降水的影響，動態變化大，水位變幅一般在1.0 m～3.0 m。

1.3 模型基本信息

本次使用理正深基坑軟件建立分析模型，相關參數見表2，圍護結構按平面問題進行分析，取“荷載-結構”模式，采用彈性有限元法進行結構計算。在施工階段，按施工過程進行受力計算，開挖期間圍護結構作為支擋結構，承受全部的水土壓力及路面荷載。其受力分析模擬了施工過程，遵循“先變位，后支撐”的原則，在計算中計入結構的先期位移值及支撐變形。

2 巖面埋深模擬分析

該案例實際巖面埋深為9.2 m，現假設巖面埋深分別為6 m、15 m、20 m、25 m，其它條件不變，分別計算得到了不同巖面埋深條件下的圍護結構深層水平位移、地面沉降、軸力、樁中彎矩和整體穩定性系數。

2.1 巖面埋深對整體穩定性的影響分析

總體上巖面埋深與穩定性系數成反比關系（見圖2），當巖面埋深在15 m以內時，整體穩定性系數變化不大，在1.78～1.8之間，曲率較小;若巖面埋深超過15 m，則穩定性迅速降低，埋深25 m時僅為1.47;若巖面埋深低于坑底標高，則整體穩定性系數小于1，支護結構失穩。

2.2 巖面埋深對圍護樁深層水平位移的影響分析

由圖3可見，樁的深層水平位移隨著巖面埋深增加而增大，兩者大致呈線性正比關系。當巖面埋深為15 m時，樁位移20.4 mm，近實測位移的2倍;當巖面埋深25 m時，樁位移達到40.4 mm，處于危險狀態，所以當巖面埋深位于坑底及以下時，應增加支護措施，如增加樁體和支撐結構剛度、增加支撐道數、增加錨索支護或者采取其他加固措施，以減小圍護結構的深層水平位移，保證結構安全。

2.3 巖面埋深對地表沉降的影響分析

總體上兩者成正比關系，地表沉降量隨著巖面埋深的增加而增大（見圖4），大致呈線性增加，當巖面埋深為20 m時，地面沉降量達到46 mm，已超過該項監測控制值6 mm，須引起重視。此時基坑整體穩定性較好，但為更好的控制地表沉降量，減少施工對周邊環境的影響，建議在巖面埋深為基坑開挖深度的0.6～0.8倍時，優化圍護結構的支撐布置，增加支撐道數、加強支撐或者樁體剛度以減少地表沉降。

2.4 巖面埋深對支撐軸力的影響分析

根據支撐軸力與巖面埋深的關系曲線圖，各道支撐軸力均隨著巖面埋深增加而增大，但各有不同。第一道支撐的軸力隨深度變化不大，均在2 000 kN以內;第三道支撐的軸力最大，當巖面位于坑底時，軸力超過5 000 kN;第四道支撐的軸力增速最快。分析為第一道支撐在地表以下2 m處，主要承受上部淺層側向土壓力，其它支撐部位的則向土壓力隨巖面埋深增加，變化較大，導致支撐軸力響應敏感，該現象與實測情況相符。在實際案例中第一道采用1 000 mm×

1 200 mm砼支撐，第二、三、四道支撐為φ609，t=16 mm鋼支撐，該類型鋼支撐極限承載能力一般上設為3 600 kN，因此當巖面埋深超過20 m時鋼支撐存在失穩可能，在設計時需考慮增加支撐道數，增加支撐水平間隔，或將部分鋼支撐替換為砼支撐，以保證結構穩定。

2.5 巖面埋深對樁中彎矩的影響分析

從關系曲線可以看出，隨著巖面埋深的增加，圍護樁中彎矩不斷增加，設計需要增加配筋以增加抗彎能力。在巖面埋深9.2 m時，算得彎矩為358 kN.m，實際情況下灌注樁+四道支撐圍護是合理的，但如果巖面埋深增加，特別是超過25 m時，必須增加支撐道數或者支撐的水平、豎向間距以減小圍護樁的彎矩和位移。

3 結論

通過理論分析、模擬計算與現場實測相結合的方法，對假定巖面埋深的軌道深基坑工程的穩定性和變形開展分析，得出了如下結論：（1）隨著巖面埋深的增加，基坑整體穩定性系數減小，巖面埋深在15 m以內，穩定性系數變化較緩，大于15 m，特別是巖面位于坑底及以下，整體穩定性系數迅速降低。（2）當巖面埋深位于坑底及以下時，應采取加強樁體和支撐結構剛度、增加支撐道數、增加錨索等其他措施進行加固，以減小圍護結構的深層水平位移。（3）各道支撐軸力隨著巖面埋深的增加而增加，第一道支撐軸力變化不大，第三道支撐軸力數值最大，第四道支撐軸力增加最快。（4）開挖25 m左右的深基坑，當巖面埋深15 m以內及淺埋時，使用4道撐是可行的，可以優化支撐豎向和水平向間距，以保證基坑和周邊環境的安全。

參考文獻：

[1]路林海，孫紅，王國富，等.地鐵車站支護與主體結構相結合深基坑變形[J].中國鐵道科學，2021，42（1）：9-14.

[2]雷剛，賀彥衛，張曉霞，等.土巖組合地層明挖基坑樁撐體系設計優化[J].科學技術與工程，2021，21（3）：1150-1156.

[3]黃敏.土巖組合地層深基坑開挖變形性狀研究[D].中國海洋大學，2013.

[4]鄭學東.土巖組合地層有限巖土體基坑開挖變形研究[D].北京交通大學，2017.

[5]蔡景萍.土巖組合地層地鐵深基坑地表變形規律研究[J].中外公路，2015，35（4）：23-29.

[6]李淑，張頂立，邵運達.復雜環境下北京地鐵車站深基坑變形時空規律研究[J].北京交通大學學報，2019，43（4）：29-36.

[7]李少波.廈門軌道交通工程質量安全標準化管理與實踐探索[J].工程質量，2019，37（10）：10-13+17.

[8]徐洪鐘，崔文森，胡文杰.南京地區地鐵車站深基坑變形性狀分析[J].防災減災工程學報，2018，38（4）：599-607.