某邻地铁不对称开挖基坑支护设计方法分析

龚丛强

（中航勘察设计研究院有限公司，北京100098）

0 引 言

随着地下空间开发利用规模越来越大，繁华市区出现大量的复杂基坑工程，由于基坑周围环境复杂，存在土层分布差异较大的不良地质条件，因此形成了许多不对称基坑，这些基坑比普通基坑设计复杂，应采取更多方法互相验证和补充，以保证基坑本身的安全，控制基坑开挖引起支护结构及周围建（构）筑物变形满足现行监测规范要求，确保邻近建（构）筑物安全和正常使用［1-2］。本文以某邻地铁不对称基坑实际工程为例，充分考虑基坑周围环境和地质条件复杂的特点，采用不同方法对支护结构体系进行设计，得到使用规范法与整体分析方法相结合进行不对称基坑设计的有益经验，本项目的支护形式及施工方法得当，既为现场施工技术提供依据和指导，又可为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程规模及周边环境条件

某邻地铁项目基坑开挖面积约40 300 m2，支护周长约870 m，基坑开挖深度8.1～17.1 m。

基坑周边环境复杂，东邻城市主干道及地铁车站与区间，东侧邻近两个地铁出入口，东北侧出入口距离基坑边为11.7 m，东南侧出入口距离基坑边为20.4 m，支护结构距离地铁隧道最近处约9.8 m，东侧还分布大量市政管线，是本基坑工程重点保护对象；南侧为在建市政道路，该侧将铺设雨水管、污水管、电力线、通信电缆等市政管线；西侧场地起伏较大，基坑开挖前已进行场地整平，以使现场标高平缓变化；北侧为空地。

1.2 地质条件及地下室布置

场地地形起伏较大，整体呈北高南低之势，地面高程为38.50～54.50 m，南北高差约16 m。地貌单元为阶地，局部发育有坳沟亚地貌。场地西侧有8.0～14.5 m 厚土质较差的填土；东侧邻近地铁土质较好，基岩埋深较浅，东西侧土质条件差别较大。

将基坑由北向南分成 A、B、C 三区，如图 1 所示。地下室板面呈台阶型变化，A 区地下室板面标高比B、C区高5.80 m。

图1 基坑平面布置Fig.1 Layout plan of foundation pit

2 基坑支护结构设计

本项目土层分布及基坑支护参数如表1所示。

基坑的不对称性有如下特点:

（1）基坑西侧填土较厚，土质较差，东侧岩层埋深较浅，土质较好，造成支护结构上土压力的不对称；

（2）根据地下室布置情况，基坑一侧挖深较深，另一侧挖深较浅，造成开挖方式的不对称。

表1 场地地层分布及基坑支护参数Tab 1 Site stratum distribution and foundation pit supporting parameters

基坑各种不对称性导致支护结构上内力及变形的不对称，造成单侧分析设计方法无法预估结构整体向一侧移动。

姜燕、杨光华等［7-8］将支撑内力及位移在不对称支护结构两侧重新分配，从而修正支撑刚度，通过不断迭代得到可以应用的支撑力结果。

高辛财、李铁生［9］认为根据支护结构受力及刚度变化，通过简化荷载-结构模型按增量法或全量法可得到支护结构受力情况，还需通过有限元分析法分析基坑开挖对周边环境的影响。

徐志兵［10］将支护桩与支撑简化为框架结构，根据变形协调条件形成整体刚度矩阵［K］，根据总体节点力｛F｝与总体节点位移｛d｝的关系，列出矩阵方程｛F｝=［K］｛d｝，求解出内力值。

以上方法均是通过整体条件对刚度进行分配调整，进而求解出整体结构内力。本项目方法一采用规范法计算单侧支护结构参数，方法二将两侧不对称受力支护结构及支撑简化为整体框架结构，分析两侧支护结构相互影响导致支护结构变形及内力，使结构分析更接近实际受力情况。综合两种计算分析结果，最终确定基坑支护结构参数。

本项目根据环境、土质等条件，确定基坑采用灌注桩加混凝土支撑支护形式，选取B 区支撑体系的东侧及对应西侧为分析对象，说明本基坑支护的设计思路，其支护结构剖面见图2，基坑东侧和西侧均挖深15.5 m。东侧支护桩桩径1 000 mm，桩间距1 300 mm，桩长约21 m；西侧支护桩桩径1 300 mm，桩间距1 500 mm，桩长约27 m；基坑内设置两层混凝土支撑，第一层支撑位于地面下3.5 m，第二层位于地面下8.5 m。

图2 B区支护结构剖面（单位:mm）Fig.2 Section of support structure in Block B

采用有限元数值分析方法取单位宽度的框架体系为研究对象，对框架进行分析计算。土层分布及参数如表1所示，根据《基坑工程手册》［4］及吴水根［5］、郑军［6］等相关工程有限元分析经验，土体采用M-C 本构模型，其参数由弹性部分和塑性部分组成，主要有弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角；围护桩及内支撑按刚度等效原则近似为板单元，采用线弹性材料模型。

根据姜燕、杨光华等［7-8］，徐志兵［10］分析结果:土压力较大一侧支护结构变形较规范法计算结果大，支撑力小；土压力较小一侧支护结构变形较规范法计算结果小，支撑力大。加大桩径，提高桩身刚度能一定程度减少支护结构变形，但地铁管理部门对支护结构变形要求严格，故设定支护结构变形最大值为15 mm。按照《建筑基坑支护技术规程》计算出单侧结果后，将西侧土质较差区段桩径增大，采用支护桩桩径1 300 mm，中心间距1 500 mm，桩长27.1 m。东侧采用支护桩桩径1 300 mm，中心间距1 500 mm，桩长21.0 m，计算结果见表2。采用有限元单侧及整体分析方法，计算模型如图3 所示，单侧分析法将东侧和西侧单独建模计算，分别得到东侧和西侧受力结果；整体分析法将东侧和西侧进行整体建模计算，土层渐变，东西侧支护结构通过支撑体系相连，通过整体计算同时得到东西侧受力结果，计算结果见表3 和表4。按有限元单侧法和整体法计算结果可知，东侧支护结构虽然变形减小，但支护结构内力增大，将规范法内力增大同等比例进行支护结构设计。

图3 有限元计算模型Fig.3 Finite element calculation model

表2 规范法计算结果Table 2 Calculation results of standard method

表3 有限元单侧分析法计算结果Table 3 Calculation results of finite element analysis method of one side

表4 有限元整体分析法计算结果Table 4 Calculation results of finite element analysis method of entirety

3 基坑监测设计及监测结果

由于场地环境复杂和各种计算模型的局限，仅依靠理论分析和经验估计很难准确地预测基坑支护结构和周围土体在施工过程中的变化规律［1］。为了保证工程安全，验证本项目设计，并指导信息化施工，依据《建筑基坑工程监测技术规范》［2］和《建筑基坑支护技术规程》［3］布置监测内容，监测项目包括围护结构桩顶水平位移、桩体深层水平位移、桩体内力、支撑轴力、周边道路及管线沉降、建筑物沉降等，通过多层次的监测项目综合分析基坑各区段支护结构安全性和对周边环境的保护作用，监测周期从基坑土方开挖到地下室侧壁回填完成的全过程，具体监测内容、方法及精度见表5。

表5 基坑监测内容Table 5 Monitoring content of foundation pit

B 区监测于4 月25 日布设监测点并开始初测，至次年2月1日完成监测。基坑土方由西向东分层开挖，开挖结束后垫层及底板施工，基坑监测周期根据基坑变形与基坑施工进程作相应调整。监测过程与施工过程同步，历经第一层土方开挖及第一层支撑施工、第二层土方开挖及第二层支撑施工、第三层土方开挖及垫层和底板施工、第二层支撑拆除、第二层支撑拆除、基坑侧壁回填等阶段。

3.1 桩顶水平位移变化

图4 为东侧、西侧测点D12、D45 桩顶水平位移累积量随时间的变化曲线，从曲线可以明显的看出，开挖初期位移较小，随着上部土方开挖位移逐渐增大。在基坑土方开挖到底（8 月份）和第一层支撑拆除阶段（12 月份）位移均变化较大，其余施工阶段变化比较平稳。D12监测点位于基坑东侧，桩顶水平位移最大值为7.2 mm。D45 监测点位于基坑西侧，桩顶水平位移最大值为24.2 mm，该侧变形小于计算结果，是因为该侧作为施工道路不宜出现较大变形，使地面开裂、雨水下渗，故坑外采用间隔双排桩进行加强，监测结果表明加强措施得当，保证了施工的顺利进行。东西侧水平位移累计最大值均在设计要求允许值的80%以内。

图4 桩顶水平位移随时间变化曲线Fig.4 Horizontal displacement curve of pile top with time

3.2 桩体深层水平位移变化

将测斜管布设于桩体内，可以反映桩体及周边土体深层水平位移变化。图5 为东西两侧CX9、CX29 深层位移监测结果最大值沿桩深度变化规律曲线。由图5 可知，东侧CX9 点最大深层位移为11.5 mm，最大点在第二层支撑位置附近；西侧CX29 最大深层位移为39.8 mm，最大点在地面下10 m 左右，位于第二层支撑以下，考虑到外排桩的加固作用，桩身变形应小于设计计算变形，桩体深层水平位移值监测结果均小于报警值，说明支护结构安全稳定，可以有效控制基坑周边土体的变形。

图5 深层水平位移随深度变化曲线Fig.5 Change curve of deep horizontal displacement with depth

3.3 桩体内力

由于施工过程中桩身内力监测点损坏较多，桩身内力监测结果较少，仅能从个别数据中反映桩身内力变化的趋势。由图6 可知，由于支撑的设置，基坑面以上桩体受负弯矩较大，正弯矩在基坑下部及基坑面以下较大，正弯矩要远小于负弯矩，桩体受力以负弯矩为主。此两点监测结果均小于报警值。

3.4 支撑轴力变化

图6 桩体弯矩沿深度变化包络图（迎土一侧受拉为正）Fig.6 Envelope of pile bending moment along depth

基坑外侧的侧向水土压力由支护桩及支撑体系承担，采用钢筋应力计对混凝土支撑进行轴力监测。轴力计算把支撑监测截面内的测点应力平均后与支撑截面乘积，仅反映所监测截面的平均应力［4］。图7 表示支撑结构体系受力随时间变化情况。初期，随着土方开挖，支撑轴力逐渐增大；后期随着工况、施工作业及气温的变化情况，支撑轴力出现波动，但支撑轴力整体趋势随基坑开挖逐渐增大。8 月份基坑开挖到底，在此期间支撑轴力达到最大值，第二层支撑力略大于第一层；由于7 月、8 月份气温较高，使各层支撑监测值均大于计算值，但各监测值均未超过报警值；9 月份基础底板施工完成后，支撑轴力略有下降；10 月份第二层支撑拆除后，第一层支撑轴力增大，后期趋于平缓。

图7 支撑轴力随时间变化曲线Fig.7 Curves of supporting axial force versus time

3.5 周边道路沉降变化

为更好保护地铁结构，加强周边环境监测，在基坑东侧垂直基坑边线方向，每个监测断面布置了两个道路沉降监测点，再加上桩顶竖向位移监测点就形成了一个完整的地面沉降监测断面，其中桩顶位移监测点D12 和道路沉降监测点R12、R13 在一个监测断面上。图8 为地面沉降与基坑距离变化的曲线，由曲线可知，地面沉降最大值为7.1 mm，说明基坑开挖对东侧地面的影响较小，有效保护了地铁结构安全。

图8 基坑东侧道路沉降变化曲线Fig.8 Settlement curve of Road on the east side of foundation pit

3.6 周边建筑物沉降变化

基坑东侧为地铁车站和区间，在地铁出入口设置沉降观测点，图9 表示北侧地铁出入口H1 点沉降值随时间变化的曲线。由图8 可以看出，在3～4 月份首层土方开挖及第一层支撑施工阶段变化较快，这是由于第一层支撑在圈梁以下，支撑施工期间，开挖面以上为悬臂结构，支护结构变形较大，其余阶段变形比较平缓，12 月份第一层支撑拆除之后，出入口沉降值不再变化。整个地下结构施工阶段，地铁出入口沉降值最大为4.6 mm，最大沉降量均未超过报警值。

图9 地铁构筑物沉降累计值随时间变化曲线Fig.9 Variation curves of cumulative value of subway structure with time

4 结 论

通过分析某地铁不对称基坑实际工程，采用不同的设计方法和检测不同支护结构内力及变形规律，得出以下结论:

（1）在基坑两侧不对称受荷条件下，采用规范法与整体分析方法相结合进行支护结构设计是合理有效的。

（2）由单侧分析与整体分析结果对比表明，在不对称受荷条件下，整体分析法土压力较小一侧支护结构变形小于单侧法计算结果，土压力较大一侧支护结构变形大于单侧法计算结果；由整体分析法及现场监测数据表明，不对称受荷条件下，两侧支撑轴力相近。

（3）各项监测数据表明，本项目采取的支护形式对东侧地铁车站及区间的保护是得当的。