不同開挖方法下坑中坑支護變形特性研究

方晉，方詩圣，陳海薇，郝笛笛

（合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 引言

地鐵車站作為城市軌道交通的地下樞紐，其修建常面臨諸多風險，且在大坑內進一步開挖小坑，形成坑中坑[1]。坑中坑開挖在原有基坑環境基礎上進一步卸載，使得臨近施工段圍護結構受力、變形復雜化，表現為圍護結構側移變形和內支撐結構內力增加[2]。要降低坑中坑施工對基坑環境穩定性的不利影響，應選擇合理的開挖、支護方案，施工作業面布署合理有序、支護結構能夠及時安裝等實施效果[3-4]。目前學術界對基坑圍護結構、周圍結構變形的研究較多，但坑中坑施工對已施工完成的外坑主體結構的影響研究還缺少，特別是外坑底板澆筑的影響。熊中華[5]通過ABAQUS軟件模擬發現坑中坑式基坑變形受到內坑開挖位置、開挖深度、開挖面積影響。王新等[6]針對上海市西藏南路越江隧道浦東接線段基坑工程，借助二維有限元軟件對坑中坑基坑外坑圍護樁插入比進行優化研究。劉念武等[7]通過現場監測分析某基坑開挖對土體的側向位移、土體沉降、管道沉降、建筑沉降的影響。陳樂意等[8]通過對軟土地區基坑開挖進行數值模擬，分析探究開挖深度和坑中坑位置對圍護結構水位移的影響。結果表明，開挖深度對圍護結構水平位移影響顯著，內坑對圍護結構水平位移的影響隨著兩者之間距離增大而減小。陳暢等[9]總結了多種坑中坑支護方案的特點、適用性和設計要點。劉嘉等[10]通過現場監測和數值模擬對比，驗證佛山某基坑采用內支撐加灌注樁結構圍護是合理的。付大喜等[11]結合鄭州某T型換乘站后期開挖工程，利用現場監測和仿真計算，發現換乘節點結構變形是由基坑隆起造成。許濤等[12]針對武漢復雜地質條件提出多種支護結構相結合的基坑支護方案，解決了復雜環境下基坑支護問題。本文針對合肥某地鐵車站坑中坑施工周邊復雜交通環境，提出一種新的四角環形開挖方案，利用有限元軟件，分析對比該方案與常規階梯后退式開挖方案實施對圍護結構變形影響，結合實際監測數據論證該方案可行性，并探究了坑中坑施工對外坑底板澆筑的影響。

1 工程概況

1.1 車站結構

合肥某地鐵車站位于城市交通主干道下，車站基坑主體長216.8m，標準段寬23m，深16.50m～18.18m。靠近車站西側66.7m處存在一處坑中坑，長27.8m，寬 24.8m，深度9m（距地表26.06m）。

1.2 工程地質及水文

結合區域地質資料，根據沿線勘察揭露的地層沉積年代、成因類型、巖性特征，將本勘察單元范圍內的巖土層劃分為5個單元層和若干個亞層,各土層物理力學參數見下表所示。本車站范圍內無地表水，工程區內基巖均為砂巖，富水性及透水性均較弱，基巖裂隙水總體貧乏，地下水總體不發育。

2 坑中坑開挖方案

2.1 基坑開挖方案

單向階梯后退式開挖是基坑采用的最常規開挖方法，根據坑中坑大小，將開挖區分為三個階段。第一階段開挖西側區域1位置土方，開挖深度為4m，東側放坡（坡度為1:1），開挖土方倒運至區域2位置堆積，隨挖隨撐。第一階段施工結束。第二階段開挖西側區域2位置土方，倒運至區域3位置堆積，開挖深度為4m，東側放坡（坡度為1:1），1位置土方繼續開挖至坑中坑基底，隨挖隨撐。第三階段，開挖剩余土方，如圖1所示。

圖1 階梯后退式開挖剖面圖

但考慮到此車站所處道路車流量大，周邊建筑群多，基坑周邊初始應力場復雜，針對坑中坑所處環境，提出了一種新型坑中坑四角環形向內開挖技術方案，根據坑中坑內鋼支撐布置，將開挖區沿豎向分為三個階段。第一階段施工先于坑中坑四角向中心開挖外環土，挖深4 m，開挖土方置于核心土上方，隨土方開挖進行及時架設角部支撐，外環土開挖完成后開挖核心土，并及時架設橫撐；第二階段土方開挖工序同上；第三階段開挖剩余土方，挖深至基坑底部，如圖2所示。

地層力學參數

圖2 四角環形開挖剖面圖

2.2 基坑支護結構設計

外坑區域車站端頭井采用φ1 000@300鉆孔灌注樁，縱向標準段采用φ 800@500（坑中坑段為φ1 200@500）鉆孔灌注樁，坑中坑段南北向采用φ800@500高壓旋噴樁與止水帷幕，止水帷幕進入上部相對隔水地層不小于2m，向下至強風化砂巖層與中風化砂巖層巖土交界面。止水帷幕進入上部相對隔水地層不小于2m，向下至基底以下3m。若強風化砂巖層與中風化砂巖層巖土交界面在基底以下3m范圍內，則止水帷幕向下至強風化砂巖層與中風化砂巖層巖土交界面。坑中坑豎向設置2道支護面，分別位于坑中坑頂面與頂面以下4.6 m處，量支護面均為？，4個角布設5道斜撐，中部3道對撐，見圖3所示。

圖3 坑中坑鋼支撐平面布置

3 坑中坑開挖數值模擬

為比較采用兩種方案施工對基坑穩定性影響的不同，施工開始前以有限元法分析坑中坑開挖前后圍護結構樁側移變形，圍護樁變形選點見圖4所示。

圖4 坑中坑鄰近范圍變形測點布設

車站基坑開挖長度約218m，坑中坑水平尺寸為27m×24m。實際建立整個車站基坑模型難度較大，根據《城市軌道交通工程實測技術規范》（GB50911-2013）中關于基坑工程施工的影響范圍說明，坑中坑開挖主要影響范圍集中在內坑周邊，選取模型沿基坑長度方向包含蓋挖逆做區段與坑中坑區段部分，長度為100m；坑中坑寬度約24m，垂直車站方向模型寬度120m；坑中坑基底深度約26m，取模型高度為80m。建立模型如圖5所示。

圖5 有限元分析模型

土體單元采用8節點六面體單元Solid45。蓋板以及圍護樁均采用有塑性、徐變、大撓度、大應變能力Shell181單元。立柱、鋼支撐、冠梁與鋼筋混凝土支撐計算采用二節點梁單元Beam188；抗拔樁通過加大樁底尺寸，利用土的握裹效應達到抗拔目的，計算分析時將樁單元底部節點與土單元節點進行自由度耦合，達到抗拔效果。鋼支撐所受預應力的施加，由材料線膨脹系數和溫度荷載實現。

圍護結構計算側移曲線，單向后退階梯ZQT-3樁側移峰值達19.7mm，四角環形為17.2mm；單向后退階梯ZQT-3樁側移峰值為16.5mm，四角環形為14.4mm；向后退階梯ZQT-3樁側移峰值為15.7mm，四角環形值為14.8mm；單向后退階梯ZQT-4樁側移峰值為16.3mm，四角環形為14.3mm；采用四角環形開挖4個測點圍護樁側變形均小于階梯后退式開挖圍護樁的側移變形。此外，四角環形開挖方案各測點樁側移峰值點深度更淺。

4 變形監測的實測值和理論值的對比分析

為更加準確地了解四角環形開挖對坑中坑圍護結構樁側移變形規律，對圖6、圖7、圖8、圖9選用的四個測點進行了實際監測，分析結果與實測數據對比如圖10、圖11、圖12、圖13所示。

圖6 ZQT-35樁體側移對比

圖7 ZQT-36樁體側移對比

圖8 ZQT-3樁體側移對比

圖9 ZQT-4樁體側移對比

圖10 ZQT-35側移變形對比

圖11 ZQT-36側移值變形對比

圖12 ZQT-3側移值變形對比

圖13 ZQT-4側移值變形對比

根據曲線圖和誤差分析顯示，相應實際實測得到樁體側移曲線與計算曲線基本一致，且變形峰值位點與峰值大小相比實際平均誤差分別為7.28%、8.24%。可見對于圍護樁的變形分析所得結果較為合理、可靠。

5 坑中坑施工對外坑底板安全澆筑范圍的影響分析

坑中坑開挖將造成鄰近坑中坑的周圍土體沉降增加。根據規范要求，坑中坑開挖施工造成基底周邊沉降增量值應小于0.015倍的坑中坑深度（13.5mm）。

如圖14選取6條路徑研究，采用四角環形向內開挖方案，鄰近施工段在不做底板結構時，各路徑沉降規律見圖15、圖16所示。

圖14 模型路徑示意

圖15 外坑底板未澆筑時各路徑沉降曲線

圖16 不同底板澆筑范圍最大沉降路徑曲線

根據計算結果，關于坑中坑對稱路徑，沉降量也呈對稱規律，各路徑峰值均位于距坑中坑邊緣7m處，路徑1沉降峰值最大為10.2mm（未超過限值13.5mm）。由此可見，鄰近坑中坑施工段底板澆筑安全范圍有增大的空間。以距坑中坑邊緣距離為變量L（距離大于L范圍進行車站底板澆筑），取L為5m、10m、15m，20m、25m進行研究（根據底板尺寸和材料密度將其簡化為面荷載分析，荷載值為25kPa），計算得各L值，外坑基底最大路徑沉降曲線見圖15所示。

根據計算結果，澆筑外坑底板范圍距坑中坑邊緣距離越大，外坑基底最大沉降值越小，在L為5m、10m、15m、20m、25m，最大沉降值分別為15.8mm、14.9mm、14.2mm、13.3mm、11.8 mm。因此，距離坑中坑邊緣20m以外范圍可以進行外坑底板澆筑，即安全施工距離為L≥20m。

6 結論

①結合合肥某地鐵車站基坑工程，提出一種坑中坑四角環形開挖方案，數值分析結果表明，采用該方案施工相比常規階梯開挖，坑中坑開挖對基坑圍護結構變形影響更小，安全性更好。

②經工程實踐，采用四角環形開挖方案，基坑開挖完成時,圍護樁側移變形低于25mm，實施效果良好，此外在工期、成本方面該方案與常規階梯后退式開挖方案相比經濟效益優勢明顯。

③通過數值模擬分析坑中坑施工對相鄰外坑基底的影響，得到坑中坑周邊外坑基底沉降變形情況，確定在坑中坑開挖施工過程外坑主體結構底板的安全施工范圍（外坑底板安全澆筑范圍為L≥20m，L為距離坑中坑邊緣距離）。