某緊鄰地鐵深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)分析

王秀麗，舒麗紅，何春保

( 1．西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安　710600; 2．華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東廣州　510642)

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某緊鄰地鐵深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)分析

王秀麗1，舒麗紅1，何春保2

( 1．西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710600; 2．華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東廣州510642)

摘要:某深基坑工程緊鄰地鐵車站一側(cè)，由于受場(chǎng)地限制，必須利用既有車站連續(xù)墻作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，而其它側(cè)根據(jù)相應(yīng)地質(zhì)條件采用旋挖樁加內(nèi)支撐及預(yù)應(yīng)力錨索的綜合支護(hù)方案。為了準(zhǔn)確分析基坑開挖對(duì)地鐵車站和隧道結(jié)構(gòu)的影響，按照基坑三維實(shí)體結(jié)構(gòu)建立計(jì)算模型，進(jìn)行三維有限元分析。同時(shí)，為了確保施工安全，在施工期間對(duì)基坑周邊的沉降、水平位移和內(nèi)支撐軸力等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果表明:基坑支護(hù)變形和受力滿足規(guī)范要求?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是可行的，可供類似工程參考。

關(guān)鍵詞:深基坑工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算監(jiān)測(cè)

1　工程概況

某銀行大廈項(xiàng)目位于深圳市福田中心區(qū)鵬程一路與深南大道交匯處東北角，主體建筑由主塔樓和輔助裙房組成，采用型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積108 726 m2。主塔樓地上37層，總高度178. 85 m，裙房地上5層，高度23. 65 m，地下室共有4層，主體基坑開挖深度20. 75～21. 50 m。

場(chǎng)地內(nèi)分布的地層主要有人工填土層、第四系沖洪積層、殘積層，下伏基巖為燕山晚期花崗巖。巖土物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1巖土層物理力學(xué)指標(biāo)

場(chǎng)地地下水類型以潛水為主，主要賦存于第四系各地層中，受場(chǎng)地東側(cè)地鐵施工降水影響，場(chǎng)地地下水位埋深較大，一般介于7. 60～13. 50 m。地下水對(duì)混凝土及鋼筋有弱腐蝕性。

場(chǎng)地周邊環(huán)境復(fù)雜，東側(cè)為深圳地鐵3號(hào)線福田車站及少年宮～福田盾構(gòu)區(qū)間，南側(cè)為深南大道輔道及地鐵地下通道，西側(cè)為鵬程一路和深圳廣電大廈。

設(shè)計(jì)施工難點(diǎn)主要有兩個(gè)方面:

1)基坑?xùn)|側(cè)臨近地鐵隧道和地鐵福田站，必須控制基坑開挖對(duì)其的影響。

2)基坑?xùn)|側(cè)南段由于旋挖樁施工空間不足，需利用地鐵福田站原有連續(xù)墻(厚度800 mm)作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

2　設(shè)計(jì)方案

考慮到周邊地鐵車站、盾構(gòu)及地下通道影響，基坑支護(hù)安全等級(jí)取為一級(jí)，采用內(nèi)支撐體系進(jìn)行基坑支護(hù)。其中:①基坑?xùn)|側(cè)北段及基坑南側(cè)采用旋挖咬合樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu);②基坑?xùn)|側(cè)南段征得地鐵公司同意后利用該車站原有連續(xù)墻(厚度800 mm)作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)為保持地鐵車站受力平衡，基坑內(nèi)支撐軸線標(biāo)高與地鐵三號(hào)線福田站樓板軸線標(biāo)高相一致;③基坑南側(cè)臨近深南大道輔道，支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)深度5. 6 m位置存在一擬建地鐵福田站人行通道，因此基坑支護(hù)亦采用咬合樁，樁底入基坑底6. 0 m;④基坑西側(cè)及北側(cè)場(chǎng)地較空曠，采用旋挖樁+樁間旋噴止水。

根據(jù)地鐵公司要求，本基坑在利用福田站地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)避免在該連續(xù)墻上植筋。為保證該支護(hù)段基坑腰梁不產(chǎn)生豎向位移，在內(nèi)支撐與腰梁位置設(shè)置豎向18#工字鋼，工字鋼底部入坑底5. 0 m?；又ёo(hù)平面布置見圖1，剖面設(shè)計(jì)見圖2。

圖1基坑支護(hù)平面及控制測(cè)點(diǎn)布置(單位: mm)

圖2基坑支護(hù)剖面(單位: mm)

3　三維有限元分析

為了加強(qiáng)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的保護(hù)，利用Ansys軟件建立三維有限元分析模型詳細(xì)分析基坑開挖對(duì)地鐵隧道的影響。其中:

①支撐梁(鋼筋混凝土矩形梁)，采用Beam3梁?jiǎn)卧Ｐ?，截面尺寸?. 8 m×1. 0 m;

②支撐立柱(直徑0. 8 m旋挖樁)，采用Pipe16管單元模型;

③基坑腰梁，采用Beam3梁?jiǎn)卧Ｐ?，截面尺?. 8 m×1. 0 m;

④基坑支護(hù)樁(樁徑1. 2 m的旋挖樁)，采用Shell殼單元模型進(jìn)行近似模擬，單元厚度0. 8 m;

⑤地鐵車站樓板，模型采用Shell殼單元進(jìn)行模擬，頂板、底板及樓板厚度均按0. 5 m考慮;

⑥地鐵車站外墻，車站西側(cè)外墻為0. 8 m厚地下連續(xù)墻+ 0. 4 m厚襯墻，東側(cè)外墻為直徑1. 2 m鉆孔樁+ 0. 4 m厚襯墻。模型采用Shell殼單元進(jìn)行模擬，厚度均按0. 8 m考慮。

主要計(jì)算條件設(shè)置:①基坑支撐立柱底端位移、支護(hù)樁底端位移、車站連續(xù)墻及旋挖樁底端位移、車站在模型中截?cái)嗟臄嗝鎅方向位移均取為0;②根據(jù)各剖面反力計(jì)算結(jié)果，第1至第3道支撐冠(腰)梁的均布荷載分別為372. 75，792. 9及497. 0 kN/m;③考慮地鐵福田車站東側(cè)為新近回填的證交所基坑，對(duì)地鐵頂板、樓板自上到下施加對(duì)應(yīng)基坑位置50%的均布力，即分別為186. 38，396. 45及248. 5 kN/m。三維有限元模型如圖3所示。

圖3有限元計(jì)算模型

計(jì)算得到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)和地鐵車站的位移如表2所示，表中支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移方向均向坑內(nèi)。

表2主要結(jié)構(gòu)位移計(jì)算結(jié)果

綜合計(jì)算結(jié)果，得到內(nèi)支撐最大彎矩為780. 5 kN·m，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移為20. 3 mm。地鐵隧道和福田車站最大位移為6. 48 mm，遠(yuǎn)小于地鐵變形控制標(biāo)準(zhǔn)值15～20 mm。

4　監(jiān)測(cè)方案與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4. 1監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)本基坑場(chǎng)地條件和基坑設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)相關(guān)規(guī)范要求，主要監(jiān)測(cè)以下內(nèi)容:①圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移;②基坑沉降;③支撐軸力;④水位和周邊建筑物、道路、管線變形等。主要測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

監(jiān)測(cè)頻率為:①基坑開挖期間2次/1 d，底板施工完后1次/2 d;②監(jiān)測(cè)頻率可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化或異常情況進(jìn)行調(diào)整。

監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)如下:

1)基坑坑頂最大水平位移允許值為0. 25% H(坑深)即45 mm，最大沉降允許值為45 mm。

2)基坑?xùn)|側(cè)北段臨近地鐵盾構(gòu)區(qū)間，基坑坑底位置支護(hù)樁水平變形量≤15 mm，將地鐵軌道變形控制在允許范圍內(nèi)。

3)基坑?xùn)|側(cè)南段臨近地鐵福田站，地鐵連續(xù)墻水平變形量≤5 mm。

4)基坑變形警戒值取上述允許值的80%。

4. 2監(jiān)測(cè)結(jié)果

1)坑頂沉降

基坑邊共布置12個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)得的主要測(cè)點(diǎn)坑頂沉降如圖4所示。

圖4沉降變化曲線

基坑邊沉降最大為10. 25 mm，滿足基坑沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)支撐軸力

內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)上主要布置12組支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)得的主要測(cè)點(diǎn)支撐軸力如圖5所示。

支撐軸力比較離散，支撐軸力變化主要發(fā)生在前期土方開挖階段( 2012年3月—2012年11月)，底板和地下室施工期間( 2012年11月以后)變化較為穩(wěn)定，ZL12- 2測(cè)點(diǎn)最大值1 687 kN，小于計(jì)算值3 220 kN，說(shuō)明本項(xiàng)目基坑實(shí)際受力情況小于設(shè)計(jì)荷載，基坑支撐受力較為安全。

圖5支撐軸力曲線

3)水平位移

共布置10個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)得的主要測(cè)點(diǎn)坑頂水平位移如圖6所示。

圖6水平位移變化曲線

監(jiān)測(cè)表明基坑水平位移主要發(fā)生在土方開挖階段，基坑開挖結(jié)束后位移趨于穩(wěn)定，最大位移發(fā)生在基坑西側(cè)，達(dá)到了9. 5 mm，小于三維有限元計(jì)算結(jié)果( 20. 3 mm)，遠(yuǎn)小于位移控制值0. 25% H( 45 mm)，說(shuō)明基坑實(shí)際變形與設(shè)計(jì)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況相關(guān)，實(shí)際受力比理論計(jì)算要小。

4)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜

共布置7個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)得的地鐵結(jié)構(gòu)主要測(cè)點(diǎn)CX03傾斜情況如圖7所示。

圖7測(cè)斜孔不同深度水平位移變化曲線

測(cè)試數(shù)據(jù)表明:在基坑支撐點(diǎn)有明顯的變形拐點(diǎn);地鐵福田車站總的變形量較小，最大約為6. 2 mm，與有限元分析結(jié)果基本相近，較好地保證了車站的正常使用。

5　結(jié)語(yǔ)

1)本項(xiàng)目采用Ansys軟件進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵車站三維模擬分析，外荷載為通過(guò)剖面計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化的均布荷載(車站東側(cè)外荷載減半)，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定邊界條件，基坑坑頂最大位移約為20. 3 mm，坑邊最大沉降為10. 25 mm，分別小于規(guī)范要求的一級(jí)基坑0. 25% H和30 mm的要求，計(jì)算結(jié)果表明基本符合工程實(shí)際。

2)在場(chǎng)地有限的情況下，利用既有地鐵車站連續(xù)墻結(jié)構(gòu)作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理設(shè)置支撐位置，保持地鐵結(jié)構(gòu)的受力均衡，能夠較好地解決緊鄰地鐵深基坑工程施工空間限制問(wèn)題。

3)三維有限元分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明該方案利用地鐵車站連續(xù)墻作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是合理的，滿足地鐵結(jié)構(gòu)受力和位移控制要求，確保了該項(xiàng)目的順利實(shí)施。本項(xiàng)目可為今后類似工程提供借鑒。

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(責(zé)任審編孟慶伶)

Support design of certain deep foundation pit near metro structure and its monitoring analysis

WANG Xiuli1，SHU Lihong1，HE Chunbao2
( 1．Xi'an Railway Vocational＆Technical Institute，Xi'an Shaanxi 710600，China; 2．College of Water Conservancy and Civil Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou Guangdong 510642，China)

Abstract:Constrained by space limitations，the deep foundation pit project closed to the metro station side made use of the existing station diaphragm wall as retaining structure，and rotating drill pile with interior support and prestressed anchor cable were used in the other sides according to geological conditions．T he key of the foundation pit project was how to control the affect of foundation pit excavation on metro structure．In order to accurately analysis the influence of foundation excavation on metro station and tunnel structures，3D finite element model was established based on the foundation pit 3D solid model．A monitoring system including the settlement of foundation pit，horizontal displacement，and axial force of interior supporting structure was proposed to ensure the construction safety．T he results and measured data according to design scheme of foundation pit show that the support deformation and force meet the criterion request，and the supporting structure scheme is feasible．T his design project can be a reference for similar engineering．

Key words:Deep foundation pit; Foundation supporting structure; Design and calculation; M onitoring

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 02-0080-04

作者簡(jiǎn)介:王秀麗( 1973—)，女，副教授。

收稿日期:2015-09-16;修回日期: 2015-11-26

中圖分類號(hào):TU94+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．20