李 欣
(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)
摘 要：在临近地铁且周边环境复杂的情况下，某深基坑利用三维数值模拟分析软件，对深基坑开挖工况进行模拟。通过模拟明确基坑开挖过程中支护体系的受力及位移情况，并根据分析结果进行优化设计，利用地铁车站已有地下连续墙。经施工监测表明，该方案既满足安全要求，又节约造价。
关键词：数值分析；深基坑；临近地铁
随着城市快速发展，城市交通压力日渐增大，地下轨道交通因占地少，时效快等优点受到追捧，越来越多的城市开始发展地铁。因地铁运营较高的安全要求，在地铁保护范围内的临近基坑工程提出了很高的要求，传统的基坑支护设计计算方法往往满足不了要求[1-3]，针对这一现状，采用三维分析软件Midas/GTS对紧邻地铁的基坑进行开挖模拟，利用数值分析结果，为支护结构优化设计提供参考依据，在保证了地铁安全的前提下，成功利用地铁车站既有围护结构，节约了造价，并对今后相关项目积累了经验。
1.1 周边环境
该基坑位于福州市中心地带闹市区，北侧、东侧紧靠街道，西侧为高层商业办公楼(一层地下室)，南侧连接已建25层商业办公楼。新建建筑为旧百货大楼的拆除重建，设有3层地下室，基坑开挖至底板垫层底的开挖深度约13.940m～14.440m,如图1所示。
图1 基坑所在位置图
1.2 场地地质条件
该场地地下土层分布及物理力学特性,如表1所示。
表1 各土层分布深度及物理力学指标
序号土层名称厚度(m)容重γ(kN/m3)粘聚力C(kpa)内摩擦角φ(°)1杂填土0.45～5.8018.216.013.03淤泥5.80～13.2016.04.410.64粉质粘土(2)0.70～4.4018.521.617.45淤泥质土(1)7.80～16.517.38.513.06粉质粘土(3)1.00～5.0019.320.917.87淤泥质土(2)1.60～7.7017.16.614.510残积砂质粘性土0.10～13.218.6152211全风化花岗岩1.40～9.0018.9202512-1强风化岩(1)1.05～13.019.03030
对基坑有影响的地下水主要为顶部杂填土中的上层滞水，其补给来源为大气降水、地表生活用水等，地下水位埋深0.90m～2.80m。
(1)软土层深厚，物理力学性质差。该场地淤泥层分布厚度普遍超过10m，局部深度可达基坑底以下16m，淤泥呈流塑状态，含腐植质，有机质，个别烂木等。
(2)基坑开挖深度大。局部承台位置开挖深度达到15.1m。
(3)场地周边情况复杂。场地北侧紧邻主干道，道路下方管线复杂，已知的就有雨、污管道，电缆，通信光缆等，场地南侧、西侧为大型办公楼，分别设有3层、1层地下室，场地东侧紧靠地铁车站和地铁轨道。地铁线路对变形极其严格：结构最大位移不超过20mm，隧道变形曲率半径大于15 000m，相对弯曲不大于1/2 500，在开挖过程中对支护结构变形要求极高。
图2 基坑模型图
2.1 支护方案的选择
基于以上情况，本基坑支护结构的安全等级定为一级。本基坑设计中存在以下问题：
(1)该场地南侧和东侧直接与已建地下室相连，西侧与已建地下室相隔10m左右，北侧紧靠交通主干道，周边地下室深度相差较大，基坑周边土压力差别很大，而地铁对变形要求较严，以往的工程较少遇到类似情况，传统支护设计软件很难真实模拟开挖过程中的内力和变形情况。
(2)基坑与地铁车站之间，原计划单独设置1道地下连续墙，但能否对围护结构进行优化，与地铁车站共用地下连续墙，一直存在争议。地铁车站开挖深度超过15m，正常情况下围护结构应该能够满足我方地下室开挖的需求，但这种做法，省内之前没有先例，实际是否可行，还是未知数。
为此，在比选围护结构时，考虑到周边环境的特殊性及场地内部的局限性，选定地下连续墙作为围护结构，并采用三轴搅拌桩对地下连续墙进行槽壁加固。
在选定支撑体系时，考虑到基坑形状不规则，用地空间很小，不利于土方开挖，为了便于施工，采用了桁架对撑体系，并设置行车撑板。
2.2 支护方案的模拟和优化
针对以上支护设计方案，该工程采用了Midas/GTS三维模拟软件进行整体分析，如图2所示。
根据模拟结果，基坑位移最大值位于北侧，约为26.3mm(坑内方向)，南侧地下连续墙位移约为21.5mm(坑内方向)。虽然基坑北侧为主干道，行车荷载较大，基坑南侧临近三层地下室，传递到地下连续墙上的土压力比较小，南北两侧土压力相差较大，但地下连续墙并没有发生向南侧的整体位移，整体传力路径没有异常变化，如图3所示。西侧、南侧地下室外墙位移均小于5mm，均处在安全状态，如图4所示。
图3 地下连续墙变形云图
图4 南侧、西侧大厦变形云图
模拟中还针对与车站相邻地下连续墙进行了分析，发现在与车站共用地下连续墙的情况下，基坑西侧位移22.6mm(坑内方向)，而地铁地下连续墙因车站自身刚度较大，地下连续墙最大位移仅8.1mm(坑内方向)，满足设计要求。
2.3 实测结果
根据模拟结果，该基坑最终采用与地铁车站共用地下连续墙的设计方案。在基坑开挖过程中，针对基坑围护桩变形，道路及周边建筑物沉降等进行了全程监测。基坑开挖至承台底后的监测结果如表2所示。
从监测资料可以看出，基坑的实测数据和模拟数据差异不大，如图5～图7所示。实践证明该基坑支护方案安全可行。
表2 位移统计汇总表
位置地下连续墙围护结构水平位移沉降位移建筑物沉降北侧南侧东侧西侧北侧道路西侧百华大厦三友大厦计算值26.321.58.122.6111.0013.58.57.9实测值20.3522.69未测出21.9019.9919.9911.999.15
图5 西侧位移曲线图 图6 北侧位移曲线图 图7 南侧位移曲线图
(1)该工程地处福州闹市区，周边环境极为复杂，采用Midas/GTS进行模拟计算、设计，并经过严格的施工监测，数据表明该支护形式实际变形与设计结果基本吻合。
(2)在临近既有地下室的软土深基坑中，不仅应该对基坑单独的剖面进行分析，还应该对基坑的整体位移进行分析。因基坑外侧土压力分布不均，有可能使基坑四周发生位移差异甚至造成基坑失稳，因此在设计中应优先选用刚度大的围护结构，例如地下连续墙、大直径灌注桩等。
(3)在深厚软土地层中，利用已建地铁车站地下连续墙作为围护结构在实际工程中可行。地铁车站建成后已完善墙柱楼板等结构体系，在基坑开挖时可视为刚度很大的整体，可以很好地控制自身变形。
(4)在复杂环境下的深基坑支护设计，采用三维数值分析软件进行模拟很有必要，传统软件仅针对单剖面进行计算，无法判断整个基坑的变形趋势。
参 考 文 献：
[1] 高广运，高盟，杨成斌，等.基坑施工队运营地铁隧道的变形影响及控制研究[J].岩土工程学报，2010(3):453-459.
[2] 李康.基坑共用临近地铁车站既有地连墙的数值模拟[J].山西建筑，2016,42(28):80-82.
[3] 冉岸绿，李明广，陈锦剑，等.共用地下连续墙深基坑影响下地铁车站与隧道节点变形分析[J].隧道建设，2016，36(7):844-850.
Optimal design of deep foundation pit adjacent to subway station based on numerical analysis
LI Xin
(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research,Fuzhou 350001)
Abstract：When environment near the subway is surrounded by a complex structure, three-dimensional numerical simulation software is used for a deep foundation pit, which simulated the condition of deep excavation, clear the stress and displacement of the excavation supporting system and optimize the design according to the analysis results, by using the existing underground continuous wall in subway station. The construction monitoring shows that and this solution meets the safety requirements, but also save the cost.
Keywords：Numerical analysis;Deep foundation;Near subway station
作者简介：李欣(1987.1- )，男，工程师。
E-mail:54355250@qq.com
收稿日期：2017-02-17
中图分类号：TU447
文献标识码：A
文章编号：1004-6135(2017)05-0065-03
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