明挖地铁配套的深基坑开挖卸载的计算与设计

吴燕泉

（福建省建筑科学研究院，福建福州350025）

明挖地铁配套的深基坑开挖卸载的计算与设计

吴燕泉

（福建省建筑科学研究院，福建福州350025）

以厦门轨道交通1号线杏锦路站基坑支护工程为案例，运用有限元和理正深基坑设计软件，通过数值模拟结果分析基坑开挖坑底回弹的规律和不对称开挖对地铁工程的影响.研究发现，离基坑边越远、开挖越深，坑底土体回弹越明显；土体不对称开挖产生土体偏压，桩前塑性区范围与基坑开挖深度成正比，且在土体偏压一侧比另一侧明显.为保护地铁工程结构的功能性和安全性，可采用排桩+预应力锚索结合排桩+内支撑支护方案，解决基坑整体稳定性和变形控制问题；可采用土方分层分段分块、均匀、对称的开挖方案，减少土体偏压对支护结构的影响.

地铁工程；基坑开挖；有限元；土体偏压；坑底回弹；厦门；轨道交通1号线

随着城市化进程的发展，地铁隧道建成通车，城市轨道交通网络日益完善，拉动了地铁沿线特别是地铁口经济的增长，因而地铁沿线及地铁口的开发将会成为城市的黄金地段.错综复杂的工程地质和水文地质决定了地下空间利用开发的困难性，基坑往往位于地铁隧道之上、单侧或两侧，必然会大大增加地下空间开发的复杂性和风险性.

基坑的开挖卸载引起地层损失，土体初始应力状态发生改变，土体有效应力的重新分配造成土体发生形变，基坑不对称开挖造成土体偏压，土体开挖坑底回弹带动地铁工程结构变形等问题，对地铁使用功能和安全性构成严重威胁.陈震等通过建立位于地铁上部的基坑数值分析模型得到，基坑开挖对开挖面以下土体具有显著的垂直方向卸荷作用，带动土体中的地铁产生位移，同时基坑开挖卸荷的速度和方式是直接影响既有地铁变形的关键因素［1］.王卫东等建立位于地铁区间隧道正上方的基坑数值分析模型，考虑设计中隧道周围土体加固充分利用时空效应开挖土方等重要措施，动态地分析了施工过程中开挖卸荷对地铁隧道的影响［2］.伍尚勇等针对地铁隧道双侧的深基坑建立数值分析模型，通过数值模拟结果与实测数据的对比分析及数值试验等手段，分析双侧深基坑按不同顺序开挖对穿越其间的已运营地铁隧道的影响，得出两基坑对称开挖比不对称开挖能更好地控制隧道水平位移［3］.因此，寻求合理的基坑设计方案，控制基坑开挖对地铁轨道的影响是一个亟需解决的问题.为此，本文结合厦门轨道交通1号线杏锦路站地块配套项目基坑支护工程实例，综合运用有限元和理正深基坑设计软件，模拟了基坑开挖对地铁工程的影响，提出合理的基坑开挖设计方案，为基坑开挖保护地铁工程结构的安全性和功能性提供参考.

1 工程概况

厦门轨道交通1号线杏锦路站地块配套项目位于厦门市集美区，场地东侧为杏锦路，西侧为居民区，北侧为董任站南地块.场地原始地貌类型属剥蚀台地，周边环境较为简单，主要为已回填的废弃鳗鱼池、菜地、空地和已拆迁零星分布的工厂仓库及低矮民房.场地内有地铁工程穿越，地铁工程采用明挖法，支护形式由灌注桩+对撑和桩顶放坡组成，与基坑大致同时施工，基坑开挖过程中以地铁工程优先原则，保护地铁工程顺利施工.

现场地标高大部分区域在黄海高程3.0～4.0 m，西北侧为两层地下室，底板垫层底标高为黄海高程-5.70 m，挖深为8.7 m；其他区域为3层地下室，底板垫层底标高为黄海高程-9.80 m，挖深为12.8 m、13.3 m和13.8 m.穿越的地铁工程基坑坑底标高为黄海高程-16.7～-17.774 m，出入口处的基坑坑底标高为黄海高程-9.70 m.地铁工程内穿基坑，基坑与地铁工程结构平面位置关系见图1.

图1 基坑与地铁工程平面位置关系Fig.1 PIan at foundation pit and subway

2 计算分析

地铁工程优先作业，而基坑与地铁及出口处交叉点甚多，基坑的开挖处处都要考虑保护地铁工程及附属结构，因此地铁工程安全保护范围的基坑设计将是重点和难点.本文主要选取了基坑与地铁左侧收口处为例进行计算分析.

基坑地下室范围线与地铁轮廓线距离比较近，采用直接放坡处理，坡脚线退地铁轮廓线距离采用有限元数值分析来确定.放坡采用理正深基坑计算软件来计算，结果 （见图2）为：第一级坡高4.3 m，平台2 m，第二级坡高5 m，坡率均为1∶1.25，边坡安全稳定系数［4］为1.27的放坡支护.

图2 放坡稳定性计算结果Fig.2 ResuIt of sIope stabiIity

2.1 计算模型基本假定

围护桩及支撑梁混凝土相对周围土体强度和刚度都足够大，模拟时采用线弹性本构模型；土体已经完成固结作用，土体应力应变关系的非线性，模拟时采用摩尔库伦模型.土体计算参数如表1所示.建立相应的几何模型：土深为基坑深度的2倍，土宽度为基坑深度的3倍，以尽可能消除边界效应对结果的影响.

表1 基坑支护范围内岩土体物理力学参数TabIe 1 PhysicaI and mechanicaI parameters of rock and soiI within foundation pit support

模型采用自由网格划分方式划分网格.边界约束情况为：模型左右两边界面限制其x方向线位移，底面边界限制其x，y两方向上的线位移，尽可能消除边界效应对结果的影响.

2.2 工况计算

为了求得基坑开挖引起的位移场及应力场分布，需消除初始应力场产生的沉降变形.首先根据土层自重，形成土体自重应力场，又由于假定土体已完成固结作用，在模拟下一工况前，土体的位移场要归为0.为此，确定模拟开挖工况：先只施加重力荷载，得到初始应力场及位移场值；接着将土体初始位移场归为0，完成围护桩施工；再分两次开挖土体至坑底；而后施工第一道支撑并完成第一段土体开挖；最后施工第二道支撑并完成第二段土体开挖.

3 结果与分析

通过比较坡脚线退地铁轮廓线距离1，3，4，5，6，7 m对地铁工程围护桩位移影响分析，确定坡脚线退地铁轮廓线距离5 m可使得土体偏压对围护桩的位移的影响在控制范围之内.并对坡脚线退地铁轮廓线距离5 m时，土体开挖产生的应力场与位移场进行分析.

通过3个阶段的基坑开挖时所产生的位移场 （图3）显示：上覆土层开挖后未开挖的土体位移场向上，在坑底同一开挖深度下，越靠近坑边的向上位移场越小；当地铁工程进行开挖时，围护桩及内撑梁也出现了向上的位移并随着开挖深度的增加而增大；土体开挖时左侧放坡处坡体随着地铁工程开挖深度的加深产生的滑移位移越明显.这是因为基坑开挖引起地层损失，土体为弹塑性体，卸去上方的约束，坑底出现了回弹；离基坑边越远处受边界的约束越小，土体回弹越明显；开挖越深处卸载越大，土体回弹越明显；地铁工程土体进行开挖周边土体发生侧向位移，约束坡脚的土体发生了滑移，引起坡体的滑动位移.

图3 基坑开挖至地铁工程坑底位移场变化Fig.3 DispIacement fieId variation of excavation to subway pit

通过3个阶段的土体开挖时所产生的塑性区 （图4）显示：当地铁工程围护桩施工后，土方开挖至基坑坑底时桩周及桩端土体有部分发生了塑性变化，坡体出现了圆弧状塑性区；当地铁工程进行开挖时，放坡坡体塑性区范围随着开挖深度增加而增大，围护桩周边土体及靠近围护桩的坑底土体也发生了塑性变化，且左侧发生塑性变化的范围远远大于右边的.说明：基坑开挖坑底以上土体向基坑开挖方向移动，形成主动土压力挤压围护桩，坑底以下土体则受到围护桩的挤压产生被动土压力，引起土体发生塑性变化，基坑开挖的越深，被动土压力越大，塑性区范围就越大；基坑右侧土体完全开挖，左侧放坡，左侧土体形成的土压力远远大于右侧，造成了土体的偏压.因此，地铁工程坑底左侧围护桩坑底土体受被动土压力远大于右侧，形成的塑性区范围远远大于右边的.

图4 基坑开挖至地铁工程坑底塑性区变化Fig.4 PIastic zone variation of excavation to subway pit

4 技术措施

4.1 设计措施

根据该场地的工程地质、水文地质、周边环境、基坑开挖深度等条件［5］，为了解决基坑整体稳定性和变形控制问题，基坑西北侧两层地下室采用灌注桩+2道预应力锚索支护，其余区域采用灌注桩+3道预应力锚索支护.坑内2、3层地下室分界处采用自然放坡临时支护.基坑采用桩间双重管高压旋喷桩作止水帷幕，桩间设喷射砼面层.基坑降排水采用坑内疏干井结合集水明排.基坑支护平面布置图如图5所示.

图5 基坑支护平面布置图Fig.5 PIan of foundation pit support

1）1号出口.1号出口的一侧为基坑3层地下室，一侧为基坑一层地下室，为了避免两层地下室高差的土体偏压问题，一层地下室区域退地铁轮廓线10 m范围内开挖至3层地下室标高，并以1∶1.25坡率放坡到一层地下室标高.待3层地下室地下结构做到负一层时，一层地下室区域超挖部分才能进行回填，再进行一层地下结构施工.

2）2号出口.为了避免土体偏压问题，与地铁车站垂直部分两侧都有3层地下室的，直接对称开挖；一侧有3层地下室，一侧没有地下室的部分，采取没有地下室部分超挖至3层地下室，对称开挖.与地铁车站平行的部分因一侧为3层地下室，一侧靠近杏锦路没有超挖的空间，采取盆挖法，两道内斜撑支护.

3）区间部分.区间的一侧为2层地下室，一侧为3层地下室，有一层地下室高差的土体偏压问题，3层地下室预留距地铁轮廓线20 m的土台，待地铁地下结构做完再进行开挖.

4）车站部分.区间的两侧均为3层地下室，3层地下室预留距地铁轮廓线20 m的土台，待地铁地下结构做完再进行对称开挖，或不预留土台在地铁进行地下结构施工前直接进行对称开挖均可.

5）收口处.左侧收口处退线成一5 m宽平台再放坡即可；右侧收口处，开挖深度有3层地下室高差，因此采取没有地下室部分超挖至3层地下室，对称开挖.

4.2 施工措施

土方开挖应分层分段分块、均匀、对称地进行开挖，每一层土方开挖应在其上部的支护体系能够满足设计要求后进行.沿着地铁走向的开挖分段开挖长度约为20 m，土方开挖面高差不宜过大，以确保开挖过程中土体自身的稳定，避免造成工程桩移位.如支护桩间出现流土或流砂现象，应及时在围护桩间喷锚阻土 （砂）.土方开挖过程中应对整个支护体系的变形、受力情况进行严密的监测，一旦发现异常情况立即停止开挖，查明原因并采取有效措施后方可继续开挖［5］.

5 结论

1）土体为弹塑性体，基坑开挖卸载，坑底表面失去竖直向上的约束，坑底出现回弹.离坑边越远处受边界约束越小，土体回弹越明显.开挖越深卸载越多，土体回弹越明显.

2）土体不对称开挖时，产生土体偏压.基坑开挖的越深，一侧主动土压力越大，塑性区范围就越大.

3）基坑开挖时，构筑物两侧同时对称开挖可以避开土体偏压问题.若一侧开挖空间有限时，要退一个安全距离减少土体偏压的影响.当坑开挖产生土体偏压无法避免时，基坑可采用逆作法和盆挖法施工，后者较前者造价低且工期短.

［1］陈震，王希勇，吕小军，等.基坑开挖卸载对下部地铁的作用分析 ［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2012，35（4）：508-512.

［2］王卫东，吴江斌，翁其平.基坑开挖卸载对地铁区间隧道影响的数值模拟 ［J］.岩土力学，2004，25（S）：251-255.

［3］伍尚勇，杨小平，刘庭金.双侧深基坑施工对近邻地铁隧道变形影响的分析 ［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（S1）：3 453-3 458.

［4］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程 ［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［5］龚晓南，高有潮.深基坑工程设计施工手册 ［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998.

Calculation to the Excavation of Deep Foundation Pit Supporting the Open Excavation Subway Engineering

WU Yan-quan
（Fujian Academy of Architecture Research，Fuzhou 350025，China）

According to Xiamen Subway Line 1 Xingjin Road Station excavations case，the finite element and the Leading deep foundation software are employed to establish a numerical analysis model to simulate and analyze the rules of pit bottom rebound and the asymmetric excavation on subway engineering.The study found that the farther from the side of foundation and the deeper excavation，the more obvious to the soil rebound；Asymmetric soil excavation produces bias，the soil plastic zone before the pile is proportional to the depth of excavation，and the soil bias side is more obvious than the other side.For the protection of subway excavation engineering structure functionality and security，row piles with prestressed anchor and row piles with inner brace can be used in combination to solve the overall stability of foundation and deformation control issues，excavation scheme of the sub block and uniform and symmetrical earth moving can be used to reduce the impact of bias on the soil of supporting structure.

subway engineering；excavation；finite element；soil bias；bottom rebound；Xiamen；rail transport subway line 1

TU94

A

1673-4432（2015）03-0091-05

（责任编辑 雨 松）

2015-02-02

2015-05-05

吴燕泉 （1988-），男，助理工程师，硕士，研究方向为岩土工程设计.E-mail：929726662@qq.com