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地铁基坑工程坑中坑影响下的支护结构设计探析吕永久

发表时间：2020/7/14 来源：《基层建设》2020年第7期作者：吕永久

[导读] 摘要：在地铁建设实际工程中，常遇到需要在深（大）基坑内进行二次开挖得到内部小坑来容纳局部结构的情况，或地铁与市政工程共建的情况，或“十”字换乘车站的方案。

        天津晟源工程勘察设计有限公司天津 300000
        摘要：在地铁建设实际工程中，常遇到需要在深（大）基坑内进行二次开挖得到内部小坑来容纳局部结构的情况，或地铁与市政工程共建的情况，或“十”字换乘车站的方案。这些都会涉及坑中坑问题，但目前相关规范中没有涉及坑中坑具体情况，导致在实际工程中设计人员缺少依据，往往低估甚至于忽略坑中坑的不利影响，使基坑围护设计方案安全度不足，从而产生基坑失稳事故的发生。
        关键词：地铁基坑；坑中坑；支护结构；设计
        在进行基坑的设计时，应依据不同工程的各自特点，采取不同的工程设计形式，以实现设计的经济性、科学性和合理性。现阶段对基坑支挡工程设计形式的研究还比较少，所以急需对支挡工程设计形式进行研究。
        一、坑中坑对基坑工程的影响
        一般来说，库仑土压力理论或朗肯土压力理论用于计算基坑支护结构上的土压力，但理论假设不同于实际情况。一些试验结果表明，库仑土压力理论在计算主动土压力时与实际接近，在计算被动土压力时，计算结果往往大于实际。由于朗肯土压力理论没有考虑墙背的边界条件，主动土压力比实际土压力大，而被动土压力较小。因此，在实际应用中，特别是对于软土地层而言，周围环境复杂，计算主要基于朗肯土压力理论，这有利于基坑的安全。对于坑中坑，由于两种经典理论采用半无限土体的假定，浅基坑被动区土体由于坑中坑的存在而属于有限土体范畴，对于深基坑活动区土体来说，由于浅基坑的开挖和土体的固结，这些都会影响基坑计算模型的边界条件，且大多是不利的影响。
        二、坑中坑对基坑支护结构影响的应对措施
        （一）小坑
        为了满足地铁车站建筑物的使用功能，经常需要在深（大）基坑中进行二次开挖，以获得适用于局部结构的内部小坑，如电梯井和集水井。与深（大）基坑相比，该基坑体积小，二次开挖深度浅。
        设计中应合理布置坑内基坑位置，尽量远离支护结构；使坑内基坑平面规则，在满足使用功能的前提下深度尽量浅，以减少坑内基坑对支护结构的影响。根据地层及周边环境采取必要的措施。在饱和粘土层，周边环境相对简单，可采用坑内边坡开挖；在软土层，粉砂含水层，周边环境复杂，应在坑内影响范围内采取地层加固措施。此外，还应规定施工顺序。基坑开挖至设计高程后，应尽快完成垫层施工，然后进行坑中坑开挖。
        （二）深坑
        以某地铁车站为例，车站主体沿城市主干道布置，主干道规划为隧道。为合理利用城市地下空间，采用地铁与隧道共建方案，同时进行明挖施工。此外，由于隧道的宽度要求大，采用坑内支护方案，合理优化工程造价和工期。结构地下一层为隧道；地下二层为地铁站厅层；地下三层为地铁站台层。顶板覆土2.5m，地下一层埋深9.5m，地下三层埋深23m，浅基坑围护方案为SMW工法桩+内支撑，坑底采用三轴搅拌桩加固（厚3m）。内坑围护方案为地下连续墙（浅基坑内的清水混凝土）+内支撑（先混凝土支护，临时柱）。基坑围护按承载力极限状态设计，承载力计算，分别进行了稳定性验算和变形验算。保证支撑结构稳定，不发生倾覆、滑动和局部失稳，支撑体系不失稳。
        根据经典朗肯土压力理论，被动区无限大土体的滑动面与水平面夹角为45°+φ/2（φ为土的内摩擦角）。对于该车站浅基坑，被动区土压力受基坑内坑的影响。有限区域的土压力小于普通半无限连续土的土压力，即被动区土压力的计算值大于实际值，这对基坑的安全是有害的，如抗倾覆安全系数（桩墙内被动区的总抗倾覆力矩/桩墙外主动区的抗倾覆效应），计算结果均大于实际值。
        对于内坑（坑中坑），由于外坑（浅坑）开挖卸荷的影响，坑底以下土体处于超固结状态。基坑开挖将使作用在基坑围护结构上的土压力由静态侧向土压力分布曲线发展到主动土压力曲线，即用普通基坑计算方法计算的侧向土压力及对基坑内的实际影响，内坑围护结构的外侧土压力较小，不利于基坑的安全，由此得出的抗倾覆安全系数计算结果也大于实际值。
        因此，有必要在计算过程中注意这些因素，并对输入计算软件的参数进行修正。

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同时，采取措施改善浅基坑的底部土体，加固被动区土体，加强基坑支护结构的整体刚度等边界条件。如果基坑周边环境复杂，地质条件差，可以在外坑底部的清水混凝土垫层中进行结构加固。
        （三）“十”字换乘节点坑中坑
        以某“十”字换乘地铁车站为例，主要分析平面上坑中坑带来的不利影响及应对措施。车站与远期地铁线“十”字换乘，换乘节点处同期施工，采取坑中坑支护方案。
        一般基坑支护结构，内支撑两端的受力是对等的，是一种平衡状态。而对于车站换乘节点坑中坑（斜撑支护体系），支撑两端的墙体所受土压力的差异，必然会导致所受土压力较小的墙体向坑外移动，外侧土体隆起，墙体所受土压力值逐渐增大；同时，所受土压力较大的墙体向坑内移动，外侧土体下沉，墙体所受土压力值逐渐减小，直到二者达到新的平衡为止。而这些对基坑安全都是不利的。
        针对这类情况，可采取坑中坑坑外主动区土体加固措施，换乘段外转角处采用地层加固措施，加强坑中坑支护结构刚度（围护结构为地连墙，坑内第一道支撑采取混凝土支撑，设置封闭混凝土腰梁），另计算单根支撑弹性支点刚度系数时，对支撑不动点调整系数合理取值。地质条件允许的话，也可取消斜撑设置，长边采取对撑设置，短边处采取锚杆（锁）支护体系。
        （四）坑中坑施工要点控制措施
        坑中坑基坑的施工要点主要有施工工序和坑深变化处支护结构过渡两点。根据基坑坑底标高的不同，且坑中坑也需要布置支护结构，为此，施工工序的合理选取是保证工程结构稳定和工程进度的重点。
        针对坑中小坑的施工顺序一般为：在饱和粘土层，周边环境相对简单，可采用坑内边坡开挖；在软土层，粉砂含水层，周边环境复杂，应在坑内影响范围内采取地基加固，然后对小坑开挖。
        对于坑中深坑及换乘节点的施工顺序一般为：1、施作深坑的围护桩（墙），施作浅坑的围护桩（墙）；2、开挖基坑至冠梁底浇筑冠梁及第一道混凝土支撑，待达到强度，依次开挖并架设各道支撑，开挖至浅基坑底浇筑垫层；3、施作深坑围护桩（墙）顶冠梁及深坑的第一道混凝土支撑；4、施作浅基坑的底板，待底板达到强度后进行深坑开挖，依次开挖并架设深坑各道支撑；5、开挖至深坑坑底施作深坑垫层，施作深坑底板及侧墙，待底板及侧墙达到强度后依次拆除各道支撑；6、继续施作浅坑的侧墙，待达到强度后依次拆除浅坑的各道支撑，施作顶板及防水层，待顶板达到强度后回填覆土至第一道支撑下，拆除第一道支撑，回填覆土至地面。
        因上下层基坑深度变化，边界支护结构存在桩长过渡段，根据工程实践，支护结构的施工按以下两原则进行：（1）就深不就浅，即较浅基坑过渡段按较深基坑支护桩长设计，范围在3～5m宽；（2）腰梁向深坑延伸，即较浅基坑支护结构的腰梁延伸至较深过渡段3～5m，以保证过渡区域支护结构的整体性。
        三、结论
        基坑工程作为一个涉及建设、勘察、设计、施工、监测等多专业的系统工程，影响因素众多，本文基于多个工程项目的成功经验，从支护设计专业角度分析坑中坑对地铁基坑支护结构影响的各种不利影响，并提出应对措施，对其予以归类总结，以期对岩土工程师应对该类困难时提供帮助。
        参考文献：
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