地鐵車站坑中坑開挖施工中支護體系轉換對周圍環境的影響

趙世永

(1.中鐵十五局集團有限公司， 上海 200070； 2.中鐵十五局集團城市軌道交通工程有限公司， 洛陽 471000)

在地鐵明挖隧道施工過程中往往為了滿足使用功能的需求，在大基坑內需要開挖不同深度的小基坑，各小基坑有著獨立的內支撐體系，同時相鄰的小基坑之間又共用一道圍護墻。各小基坑開挖時會對鄰近基坑產生影響，同時各小基坑開挖過程中，需要不斷換撐，拆除共用圍護墻，以滿足車站主體結構的施工要求。這樣一來形成的坑中坑開挖工況，不僅增加了施工工序，可能也會增加周邊環境變形。為此，需要對此類坑中坑開挖方式和支護體系設計進行優化分析，以求簡化施工工序，減小對周邊環境變形影響的目的。

目前有關此方面，諸多文獻主要通過數值模擬方法和工程實測數據分析進行研究，郝志斌等[1]結合澳門某深基坑支護工程，模擬了基坑局部挖深對基坑整體穩定性和支護結構的影響；李連祥等[2]通過建立三維有限元模型研究了支護結構空間受力的力學性狀和內坑開挖對外坑支護結構的影響；楊麗春等[3]、葛曉永等[4]以實際工程為背景，通過建立三維數值模型研究了基坑的空間效應對支護結構變形的影響；倪茜等[5]采用有限元軟件對上海某深基坑工程建立了三維模型，通過改變開挖方式對基坑圍護結構位移變化、地表沉降進行了研究。韓同春等[6]基于極限平衡理論和平面滑裂面假定，建立了坑中坑條件下基坑底部有限土體滑裂面剪切破壞角的數學表達式；Bransby[7]通過有限元模擬結果和離心機試驗的結果對比分析研究樁土相互作用性狀；Leung等[8-10]采用離心模型試驗研究了懸臂式基坑開挖對臨近樁基的影響；朱興云等[11]通過強度折減有限元法研究了坑中坑條件下基坑在支護結構條件等因素對基坑破壞模式和抗隆起穩定安全系數的影響；李惠霞等[12]通過研究坑中坑條件下的基坑破壞模式，得到了能計算破壞面抗隆起穩定安全系數的改進圓弧滑動法；侯新宇等[13-14]蘇州某地鐵換乘站坑中坑基坑工程為背景建立了基本模型，分別研究了外墻和外墻插入比對支護結構和基坑土體變形的規律。Kung等[15]通過基坑工程監測數據分析得出了影響支護結構變形和支護結構后側土體沉降的因素。對于基坑開挖的相關研究較多，但是目前對于坑中坑開挖和換撐對基坑周圍環境的影響規律的研究較少，進行這方面的研究具有現實意義。

1 工程概況

鄭州地鐵5號線西沙區間明挖段二期工程，基坑開挖寬度為20 m，開挖深度(包括坑內的基坑)為29～31.5 m。大基坑圍護結構為Ф1 200 mm@1 500 mm單排鋼筋混凝土鉆孔灌注樁+冠梁，坑內小基坑中隔墻為Ф1 000 mm@1 400 mm單排鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，鉆孔灌注樁采用C35混凝土，彈性模量為3.15×104N/mm2[16]。鉆孔樁間掛網砼厚100 mm，鋼筋網采用雙向Ф6.5 mm@150 mm，砼采用C25早強混凝土，鋼筋網與灌注樁可靠連接?；觾裙膊荚O6道內支撐，其中第1道為鋼筋混凝土撐，與第2道支撐垂直間距6.5 m；第2～6道支撐為鋼管撐，各支撐垂直間距4.1～6.5 m。冠梁和砼支撐采用C35混凝土，鋼支撐采用Ф800 mm鋼管，材料為Q235鋼。如圖1所示，大基坑內由中隔墻分成兩個小基坑，各監測斷面左右小基坑寬度各不相同。截面1-1的左右小基坑寬度分別為Lzz=13.6 m，Lzy=6.7 m。

圖1 基坑支護體系平立面圖

擬建場地30～40 m深度范圍內地層主要為第四系上更新統地層，基坑開挖范圍內主要為填土、砂質粉土、細砂和黏質粉土。地下水位穩定在地表下25 m。

2 有限元模型

2.1 計算模型

二維有限元計算模型長320 m、寬70 m，基坑開挖寬度20.3 m，大基坑內左右小基坑開挖深度和支撐布設位置如圖2所示。

圖2 二維有限元網格

2.2 基本假定

基坑開挖前和過程中均進行了降水施工，地下水位始終保持在坑底以下1 m，為此模擬過程中忽略地下水滲流和土體的固結變形。

2.3 單元類型與計算參數

土體采用三角形15節點單元，鉆孔灌注樁根據剛度等效原則，將支護樁按式(1)等效為地下連續墻采用板單元模擬[17]，其重度為混凝土的重度減去相同體積的土體重度?；炷林魏弯撝尉捎命c對點錨桿，板和土體間設置接觸單元。在基坑兩側各取了30 m進行區域網格加密，提高計算精度。等效公式為

(1)

式(1)中：D為鉆孔灌注樁樁徑；t為樁凈間距；單根鉆孔灌注樁等價為長D+t的地下連續墻，等價后的墻厚為h。

模型中砂土采用摩爾庫倫模型，其他土體采用修正劍橋模型，土層物理力學指標和修正劍橋模型計算參數分別如表1和表2所示。圍護樁、坑內中隔墻、內支撐假定為線彈性體。鉆孔灌注樁和支撐的關鍵參數如表3和表4所示。

表1 土體物理力學指標

表2 土體修正劍橋模型計算參數

表3 鉆孔灌注樁的模擬參數

表4 鋼筋混凝土支撐和鋼支撐的模擬參數

2.4 模擬步驟

表5為截面1-1先開挖右側小基坑，后開挖左側小基坑，并換撐時的模擬步驟，其余建模工況類似。

表5 建模步驟

2.5 數值模擬與實測數據對比

實際工程中每個監測斷面基坑外地表沉降測點間距分別為2、7、14、22、30 m，測點編號DBCx-y，表示為x截面的第y個測點。通過實測數據與數值模擬結果對比(圖3)，發現本次模擬的精度基本滿足要求。

圖3 截面1-1坑外地表沉降實測結果與數值模擬結果對比曲線

3 參數影響分析

3.1 坑內中隔墻插入深度的影響

本次模擬中隔墻入土深度Hz分三個工況，分別為4.8 m和8.8 m。如圖4～圖6分別給出了隨著中隔墻插入深度的增加，坑外地表沉降、坑底隆起和圍護樁深層水平位移的變化規律。從中可以看出，隨著中隔墻插入深度的增加，坑外地表沉降、圍護樁深層水平位移略有減小。

圖4 不同插入深度下坑外地表模擬沉降變化曲線

如圖6所示，增加坑內中隔墻的插入深度可以減小右側基坑坑底隆起量，但對左側基坑坑底的隆起量影響較小?？傮w上，調整中隔墻插入深度對控制基坑支護體系的變形效果不明顯。

3.2 開挖工況的影響

通過兩個不同工況分析左右側基坑開挖順序變化對基坑和周邊環境變形的影響，即工況一參考表5的基坑開挖工況，將表5中左右側基坑開挖順序逐步互換為工況二。如圖7所示，兩個工況的左側坑外地表沉降明顯大于右側，并且地表沉降最大值出現的位置更靠近圍護樁。工況二的左側坑外地表沉降大于工況一；工況二的右側坑外地表沉降小于工況一。此外，對于坑外地表沉降最大值出現的位置，工況二相比工況一在左側更貼近圍護樁，而在右側兩者差別不大。綜上所述，左右基坑開挖深度和開挖順序，對坑外地表沉降的影響比較顯著，也就意味著空間效應所引起的土體應力卸荷路徑的變化對坑外地表沉降的影響需要在基坑設計中考慮。

圖5 不同插入深度下左側圍護樁深層水平位移變化曲線

圖6 不同插入深度下坑底隆起模擬曲線

圖7 不同開挖工況下坑外地表沉降模擬曲線

圖8和圖9所示，兩個工況的左側圍護樁處測斜明顯大于右側。對于左側圍護樁測斜變形，工況二大于工況一；而對于右側圍護樁測斜變形，工況一和工況二差別不明顯。而開挖順序互換對于基坑坑底隆起影響較弱。

圖8 不同開挖工況下圍護樁深層水平位移模擬曲線

圖9 不同開挖工況下坑底隆起模擬曲線

3.3 中隔墻左右位置的影響

將中隔墻與左側圍護樁的水平距離進行調整，分別設置三個工況，分別為12.6、13.6、14.6 m。從圖10、圖11可以看出，隨著中隔墻與左側圍護樁距離的增加，左側坑外地表沉降和圍護樁深層水平位移均逐漸增大，而右側未發生顯著變化。

圖10 坑外地表沉降變化曲線

圖11 圍護樁深層水平位移變化曲線

而如圖12所示，中隔墻位置變化對坑底最大隆起量的影響依然較弱。

圖12 坑底隆起變化曲線

4 結論與建議

依托鄭州地鐵5號線某明挖隧道工程，系統探討了坑中坑開挖過程中，分區開挖順序、中隔墻破除和內支撐轉換對基坑和周邊環境變形的影響，初步得到如下結論。

(1)改變坑內圍護樁的插入深度會使坑外地表沉降和圍護樁深層水平位移略有減小，可以減小右側基坑坑底隆起量，但對左側基坑坑底的隆起量影響微弱。

(2)調整分區基坑開挖先后順序，并逐步換撐對坑外地表沉降和圍護樁深層水平位移的影響相對顯著。相比先開挖淺、小基坑，后開挖深、大基坑，隨后逐步換撐而言，先開挖深、大基坑，后開挖淺、小基坑，隨后逐步換撐，有利于減小右側坑外地表沉降量，但對右側圍護樁深層水平位移的影響較小，同時會使左側坑外地表沉降量和圍護樁深層水平位移增加，此外左側坑外地表沉降最大值出現位置更貼近圍護樁。

(3)當調整坑內圍護樁位置使一側坑中坑寬度增加時，會增加該側坑外地表沉降和圍護樁深層水平位移量，但對另一側地表沉降和圍護樁深層水平位移的影響可以忽略，同樣對坑底最大隆起量的影響也較弱。

(4)實際工程中，當一側小基坑外周邊環境保護要求較高時，建議偏向該側設置中隔墻。如果無法調整中隔墻位置和小基坑開挖深度，而小基坑寬度大的一側坑外周邊環境保護要求又較高，建議先開挖寬度小、深度淺的小基坑，后開挖寬度大、深度深的小基坑，這樣可以減小對圍護結構和周邊環境的影響。