涉地鐵運營線路基坑開挖變形控制總結

王歡 朱國俊

1.杭州市安居集團有限公司 浙江 杭州 310000

2.浙江省工程物探勘察設計院有限公司 浙江 杭州 310005

1 工程概況與周邊環境

杭政儲出[2019]59號地塊位于杭州市上城區新風路與驛城路交叉路口東北側。項目總用地面積約23338m2，總建筑面積133941.88m2，其中地上建筑面積79349.2m2，地下建筑面積54592.68m2。擬建建筑物為3幢12F高層建筑和3幢5F裙房及其附屬設施，設整體地下三層地下室，基礎采用灌注樁基礎。擬建項目南側為已建新風路，西側為在建驛城路，北側為在建機場地鐵線路及5號區間風井。東側為筧橋鎮弄口社區經濟聯合社商業綜合用房。

2 工程地質與水文地質條件

基坑開挖范圍內涉及地層如下：

①雜（素）填土：雜色、灰色，松散，干～稍濕。②-1層黏質粉土：灰黃色、黃灰色，稍密，局部為中密，很濕。③-1層砂質粉土：灰黃色、灰色，稍密～中密，很濕。③-2層粉砂夾粉土：灰色、青灰色，飽和，中密，局部為稍密。③-3層砂質粉土：灰色、淺灰色，很濕，稍密，局部中密。⑥-1層淤泥質粉質黏土：灰色，流塑。⑥-2層淤泥質粉質黏土夾粉土：灰色，深灰色，流塑狀。⑦-1層粉質黏土夾粉土：灰綠色、灰黃色，可塑。⑦-2層黏土：黃灰色，硬可塑。⑨-1層粉質黏土：灰黃色，局部為灰褐色，可塑。

基坑開挖影響范圍內的地下水類型為孔隙潛水。孔隙潛水含水層主要主要賦存于表部填土或粉（砂）土中，水位埋深1.40～5.40m。本場地淺部潛水對混凝土結構具微～弱腐蝕性；對鋼筋混凝土結構中的鋼筋在干濕交替下具微～弱腐蝕性。在長期浸水環境條件下具微腐蝕性。

3 工程特點及重難點分析

（1）基坑普遍挖深15.90m，最大挖深16.90m，開挖深度深。開挖面積約15457m2，開挖面積大，且形狀不規則。

（2）坑底位于3-3砂質粉土或6-1淤泥質粘土或6-2淤泥質粉質粘土夾粉土層，工程力學性質較差。地下水位高，且3號土層滲透系數較大。

（3）項目北側為擬建地鐵線，西側為已建新風路，新風路下埋深多條市政管線，其余兩側為在建規劃道路。項目周邊環境復雜，且北側位于地鐵保護區范圍內，對變形的控制要求較高。

4 原基坑圍護設計方案

北側利用區間隧道600mm厚地下連續墻作支護樁，其余側采用800mm厚地下連續墻，整體內設3道鋼筋砼內支撐。北側坑底采用五軸水泥攪拌樁加固；基坑內分坑采用直徑900mm鉆孔灌注樁，坑中坑采用直徑700mm鉆孔灌注樁結合1道鋼筋砼內支撐，五軸水泥攪拌樁作止水擋土帷幕?；觾韧庠O明溝排水，同時坑內設疏干井坑外設備用疏干徑降水。

本項目典型剖面圖如下圖1：

圖1 典型剖面圖

原施工及開挖順序（圖2）：

圖2 基坑圍護設計方案分區塊開挖示意圖

（1）開槽施工Ⅰ區塊（Ⅰ-1和Ⅰ-2），至施工地下室外墻至±0.000。

（2）開槽施工Ⅱ區塊（Ⅱ-1和Ⅱ-2），至施工地下室外墻至±0.000。

（3）開槽Ⅲ區塊（Ⅲ-1和Ⅲ-2），至施工地下室外墻至±0.000。

5 優化方案

（1）清整場地，確保基坑周圍自然地坪在設計標高內，施工工程樁與圍護樁（TRD工法樁、水泥土攪拌樁、鉆孔灌注樁及地下連續墻）。

（2）按剖面標高，開槽施工Ⅰ區塊（Ⅰ-1和Ⅰ-2）冠梁及第一道支撐，待冠梁及第一道支撐達到80%設計強度后，按設計要求分層分塊開挖至第二道支撐梁底。

（3）施工Ⅰ區塊（Ⅰ-1和Ⅰ-2）圍檁及第二道支撐，待圍檁及第二道支撐達到80%設計強度后，按設計要求分層分塊開挖至第三道支撐梁底。

（4）施工Ⅰ區塊（Ⅰ-1和Ⅰ-2）圍檁及第三道支撐，待圍檁及第三道支撐達到80%設計強度后，按設計要求分層分塊開挖至-13.900m，然后按先A后B再C的開挖順序開挖，先開挖區塊的墊層施工完成后方可開挖后挖區塊[1]。Ⅰ區塊（Ⅰ-1和Ⅰ-2）中A、B、C區塊開挖至設計底標高后施工基礎底板及底板傳力帶。施工Ⅰ區塊（Ⅰ-1和Ⅰ-2）底板及底板傳力帶時，同時施工Ⅱ區塊（Ⅱ-1和Ⅱ-2）冠梁及第一道支撐。

（5）Ⅰ區塊（Ⅰ-1和Ⅰ-2）的底板及底板傳力帶達到設計強度的80%設計強度且Ⅱ區塊（Ⅱ-1和Ⅱ-2）冠梁及第一道支撐達到80%設計強度后，按設計要求分層分塊開挖Ⅱ區塊（Ⅱ-1和Ⅱ-2）至第二道支撐梁底。

（6）施工Ⅱ區塊（Ⅱ-1和Ⅱ-2）圍檁及第二道支撐，待圍檁及第二道支撐達到80%設計強度后，按設計要求分層分塊開挖至第三道支撐梁底。

（7）施工Ⅱ區塊（Ⅱ-1和Ⅱ-2）圍檁及第三道支撐，待圍檁及第三道支撐達到80%設計強度后，按設計要求分層分塊開挖至-13.900m，然后按先A后B再C的開挖順序開挖，先開挖區塊的墊層施工完成后方可開挖后挖區塊。Ⅱ-2區塊中A、B、C區塊開挖至設計底標高后施工基礎底板及底板傳力帶。施工Ⅱ區塊（Ⅱ-1和Ⅱ-2）底板及底板傳力帶時，同時施工Ⅲ區塊（Ⅲ-1和Ⅲ-2）冠梁及第一道支撐。

（8）Ⅱ區塊（Ⅱ-1和Ⅱ-2）的底板及底板傳力帶達到設計強度的80%設計強度且Ⅲ區塊（Ⅲ-1和Ⅲ-2）冠梁及第一道支撐達到80%設計強度后，按設計要求分層分塊開挖Ⅲ區塊（Ⅲ-1和Ⅲ-2）至第二道支撐梁底。

（9）施工Ⅲ區塊（Ⅲ-1和Ⅲ-2）圍檁及第二道支撐，待圍檁及第二道支撐達到80%設計強度后，按設計要求分層分塊開挖至第三道支撐梁底。待圍檁及第三道支撐達到80%設計強度后，按設計要求分層分塊開挖至基坑底，然后施工Ⅲ區塊（Ⅲ-1和Ⅲ-2）地下室基礎及底板傳力帶。

6 有限元模擬

采用PLAXIS 3D有限元軟件進行數值分析。包括區間隧道、土體、圍護結構、立柱樁及支撐體系。計算模型選取時，充分考慮基坑開挖深度、基坑平面大小及與既有盾構隧道的距離等工程影響范圍[2]，模型大小取280x230x50.8。模型網格采用四面體進行單元劃分，共劃分已生成252558個單元，432698 個節點。

車站主體結構與盾構隧道采用板單元模擬，立柱樁采用梁單元模擬、地下連續墻采用板單元模擬、鉆孔灌注樁采用樁單元模擬，支撐體系采用梁單元模擬，土體及加固體采用實體單元模擬。

假定同一土層中的圖是均勻、連續、各向同性的，考慮土體非線性的應力-應變關系，將其視為理想的彈塑性體，采用HSS本構模型，模型的材料參數表詳見表1。

表1 模型參數表

模型的邊界條件是：模型四周及底部采用法相約束。設計施工荷載為20kPa。

計算結果表明：Ⅰ區塊開挖至坑底設計標高，土體最大總位移為16.9cm，圍護樁最大水平位移13.0cm，既有車站結構最大位移2.15cm，內支撐最大軸力為4421kN。Ⅱ區塊開挖至坑底時，土體最大總位移為15.2cm，圍護樁最大水平位移13.7cm，既有車站結構最大位移4.48cm，內支撐最大軸力為5446kN。Ⅲ區塊開挖至坑底時，土體最大總位移為21.5cm，圍護樁最大水平位移19.2cm，既有車站結構最大位移4.74cm，內支撐最大軸力為10040kN。其中Ⅲ區、隧道位移云圖見圖3、圖4。

圖3 土體總位移云圖

圖4 既有車站結構位移云圖

7 計算與監測結果對比

根據第三方監測單位提供的基坑施工監測成果顯示：（1）本項目在基坑Ⅰ區塊開挖至坑底時，深層土體水平位移最大為44.43mm，圍護樁樁頂位移最大為35.64mm，結構水平位移為2.60mm，支撐軸力最大值為9736kN；（2）本項目在基坑Ⅰ區塊澆筑墊層及底板完成，深層土體水平位移最大為46.52mm，圍護樁樁頂位移最大為36.33mm，結構水平位移為2.80mm，支撐軸力最大值為9987kN；（3）本項目在基坑Ⅱ區塊開挖至坑底，Ⅰ區塊第一道支撐還未拆撐，深層土體水平位移最大為28.64mm，圍護樁樁頂位移最大為37.77mm，結構水平位移為2.80mm，支撐軸力最大值為4736kN。

由有限元計算結果與實際監測報告可知，圍護樁與深層土體水平位移變形趨勢大體一致，結構水平位移結果較為接近。工期優化方案保證了基坑的順利、安全實施，數值模擬與監測報告顯示，基本均在設計要求范圍內。

8 小結

（1）三維連續介質有限元方法的分析對象包括了基坑圍護結構、鄰近的地鐵隧道和車站以及基坑周邊一定影響范圍內的土體，土體采用HSS模型模擬，是分析基坑開挖引起的環境效應的較為理想的方法。采用有限元數值分析方法對基坑開挖過程進行了對比，結果表明：圍護樁及基坑周邊土體變形的趨勢大體基本一致。有限元計算模型和參數選取是合理的，可基于基坑工程的數值模擬分析。

（2）本工程采取了一系列措施控制基坑施工對周邊環境的影響，如合理設置隔離樁，對基坑進行分坑設計，施工中嚴格控制施工質量，這些技術措施可為類似工程提供參考。

（3）實測數據表明基坑開挖對已運營地鐵產生一定影響，但變形量小于設計值，且完全滿足地鐵運營要求，可見設計所采取的方案及措施是切實有效的。

（4）本項目對施工工況進行優化，按照優化方案進行施工，基坑開挖施工對周邊環境及地鐵的影響均在設計要求范圍內，工期縮短8個月，工程造價降低約35%，節約近2000萬元。