不同开挖方法下坑中坑支护变形特性研究

方晋，方诗圣，陈海薇，郝笛笛

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引言

地铁车站作为城市轨道交通的地下枢纽，其修建常面临诸多风险，且在大坑内进一步开挖小坑，形成坑中坑[1]。坑中坑开挖在原有基坑环境基础上进一步卸载，使得临近施工段围护结构受力、变形复杂化，表现为围护结构侧移变形和内支撑结构内力增加[2]。要降低坑中坑施工对基坑环境稳定性的不利影响，应选择合理的开挖、支护方案，施工作业面布署合理有序、支护结构能够及时安装等实施效果[3-4]。目前学术界对基坑围护结构、周围结构变形的研究较多，但坑中坑施工对已施工完成的外坑主体结构的影响研究还缺少，特别是外坑底板浇筑的影响。熊中华[5]通过ABAQUS软件模拟发现坑中坑式基坑变形受到内坑开挖位置、开挖深度、开挖面积影响。王新等[6]针对上海市西藏南路越江隧道浦东接线段基坑工程，借助二维有限元软件对坑中坑基坑外坑围护桩插入比进行优化研究。刘念武等[7]通过现场监测分析某基坑开挖对土体的侧向位移、土体沉降、管道沉降、建筑沉降的影响。陈乐意等[8]通过对软土地区基坑开挖进行数值模拟，分析探究开挖深度和坑中坑位置对围护结构水位移的影响。结果表明，开挖深度对围护结构水平位移影响显著，内坑对围护结构水平位移的影响随着两者之间距离增大而减小。陈畅等[9]总结了多种坑中坑支护方案的特点、适用性和设计要点。刘嘉等[10]通过现场监测和数值模拟对比，验证佛山某基坑采用内支撑加灌注桩结构围护是合理的。付大喜等[11]结合郑州某T型换乘站后期开挖工程，利用现场监测和仿真计算，发现换乘节点结构变形是由基坑隆起造成。许涛等[12]针对武汉复杂地质条件提出多种支护结构相结合的基坑支护方案，解决了复杂环境下基坑支护问题。本文针对合肥某地铁车站坑中坑施工周边复杂交通环境，提出一种新的四角环形开挖方案，利用有限元软件，分析对比该方案与常规阶梯后退式开挖方案实施对围护结构变形影响，结合实际监测数据论证该方案可行性，并探究了坑中坑施工对外坑底板浇筑的影响。

1 工程概况

1.1 车站结构

合肥某地铁车站位于城市交通主干道下，车站基坑主体长216.8m，标准段宽23m，深16.50m～18.18m。靠近车站西侧66.7m处存在一处坑中坑，长27.8m，宽 24.8m，深度9m（距地表26.06m）。

1.2 工程地质及水文

结合区域地质资料，根据沿线勘察揭露的地层沉积年代、成因类型、岩性特征，将本勘察单元范围内的岩土层划分为5个单元层和若干个亚层,各土层物理力学参数见下表所示。本车站范围内无地表水，工程区内基岩均为砂岩，富水性及透水性均较弱，基岩裂隙水总体贫乏，地下水总体不发育。

2 坑中坑开挖方案

2.1 基坑开挖方案

单向阶梯后退式开挖是基坑采用的最常规开挖方法，根据坑中坑大小，将开挖区分为三个阶段。第一阶段开挖西侧区域1位置土方，开挖深度为4m，东侧放坡（坡度为1:1），开挖土方倒运至区域2位置堆积，随挖随撑。第一阶段施工结束。第二阶段开挖西侧区域2位置土方，倒运至区域3位置堆积，开挖深度为4m，东侧放坡（坡度为1:1），1位置土方继续开挖至坑中坑基底，随挖随撑。第三阶段，开挖剩余土方，如图1所示。

图1 阶梯后退式开挖剖面图

但考虑到此车站所处道路车流量大，周边建筑群多，基坑周边初始应力场复杂，针对坑中坑所处环境，提出了一种新型坑中坑四角环形向内开挖技术方案，根据坑中坑内钢支撑布置，将开挖区沿竖向分为三个阶段。第一阶段施工先于坑中坑四角向中心开挖外环土，挖深4 m，开挖土方置于核心土上方，随土方开挖进行及时架设角部支撑，外环土开挖完成后开挖核心土，并及时架设横撑；第二阶段土方开挖工序同上；第三阶段开挖剩余土方，挖深至基坑底部，如图2所示。

地层力学参数

图2 四角环形开挖剖面图

2.2 基坑支护结构设计

外坑区域车站端头井采用φ1 000@300钻孔灌注桩，纵向标准段采用φ 800@500（坑中坑段为φ1 200@500）钻孔灌注桩，坑中坑段南北向采用φ800@500高压旋喷桩与止水帷幕，止水帷幕进入上部相对隔水地层不小于2m，向下至强风化砂岩层与中风化砂岩层岩土交界面。止水帷幕进入上部相对隔水地层不小于2m，向下至基底以下3m。若强风化砂岩层与中风化砂岩层岩土交界面在基底以下3m范围内，则止水帷幕向下至强风化砂岩层与中风化砂岩层岩土交界面。坑中坑竖向设置2道支护面，分别位于坑中坑顶面与顶面以下4.6 m处，量支护面均为？，4个角布设5道斜撑，中部3道对撑，见图3所示。

图3 坑中坑钢支撑平面布置

3 坑中坑开挖数值模拟

为比较采用两种方案施工对基坑稳定性影响的不同，施工开始前以有限元法分析坑中坑开挖前后围护结构桩侧移变形，围护桩变形选点见图4所示。

图4 坑中坑邻近范围变形测点布设

车站基坑开挖长度约218m，坑中坑水平尺寸为27m×24m。实际建立整个车站基坑模型难度较大，根据《城市轨道交通工程实测技术规范》（GB50911-2013）中关于基坑工程施工的影响范围说明，坑中坑开挖主要影响范围集中在内坑周边，选取模型沿基坑长度方向包含盖挖逆做区段与坑中坑区段部分，长度为100m；坑中坑宽度约24m，垂直车站方向模型宽度120m；坑中坑基底深度约26m，取模型高度为80m。建立模型如图5所示。

图5 有限元分析模型

土体单元采用8节点六面体单元Solid45。盖板以及围护桩均采用有塑性、徐变、大挠度、大应变能力Shell181单元。立柱、钢支撑、冠梁与钢筋混凝土支撑计算采用二节点梁单元Beam188；抗拔桩通过加大桩底尺寸，利用土的握裹效应达到抗拔目的，计算分析时将桩单元底部节点与土单元节点进行自由度耦合，达到抗拔效果。钢支撑所受预应力的施加，由材料线膨胀系数和温度荷载实现。

围护结构计算侧移曲线，单向后退阶梯ZQT-3桩侧移峰值达19.7mm，四角环形为17.2mm；单向后退阶梯ZQT-3桩侧移峰值为16.5mm，四角环形为14.4mm；向后退阶梯ZQT-3桩侧移峰值为15.7mm，四角环形值为14.8mm；单向后退阶梯ZQT-4桩侧移峰值为16.3mm，四角环形为14.3mm；采用四角环形开挖4个测点围护桩侧变形均小于阶梯后退式开挖围护桩的侧移变形。此外，四角环形开挖方案各测点桩侧移峰值点深度更浅。

4 变形监测的实测值和理论值的对比分析

为更加准确地了解四角环形开挖对坑中坑围护结构桩侧移变形规律，对图6、图7、图8、图9选用的四个测点进行了实际监测，分析结果与实测数据对比如图10、图11、图12、图13所示。

图6 ZQT-35桩体侧移对比

图7 ZQT-36桩体侧移对比

图8 ZQT-3桩体侧移对比

图9 ZQT-4桩体侧移对比

图10 ZQT-35侧移变形对比

图11 ZQT-36侧移值变形对比

图12 ZQT-3侧移值变形对比

图13 ZQT-4侧移值变形对比

根据曲线图和误差分析显示，相应实际实测得到桩体侧移曲线与计算曲线基本一致，且变形峰值位点与峰值大小相比实际平均误差分别为7.28%、8.24%。可见对于围护桩的变形分析所得结果较为合理、可靠。

5 坑中坑施工对外坑底板安全浇筑范围的影响分析

坑中坑开挖将造成邻近坑中坑的周围土体沉降增加。根据规范要求，坑中坑开挖施工造成基底周边沉降增量值应小于0.015倍的坑中坑深度（13.5mm）。

如图14选取6条路径研究，采用四角环形向内开挖方案，邻近施工段在不做底板结构时，各路径沉降规律见图15、图16所示。

图14 模型路径示意

图15 外坑底板未浇筑时各路径沉降曲线

图16 不同底板浇筑范围最大沉降路径曲线

根据计算结果，关于坑中坑对称路径，沉降量也呈对称规律，各路径峰值均位于距坑中坑边缘7m处，路径1沉降峰值最大为10.2mm（未超过限值13.5mm）。由此可见，邻近坑中坑施工段底板浇筑安全范围有增大的空间。以距坑中坑边缘距离为变量L（距离大于L范围进行车站底板浇筑），取L为5m、10m、15m，20m、25m进行研究（根据底板尺寸和材料密度将其简化为面荷载分析，荷载值为25kPa），计算得各L值，外坑基底最大路径沉降曲线见图15所示。

根据计算结果，浇筑外坑底板范围距坑中坑边缘距离越大，外坑基底最大沉降值越小，在L为5m、10m、15m、20m、25m，最大沉降值分别为15.8mm、14.9mm、14.2mm、13.3mm、11.8 mm。因此，距离坑中坑边缘20m以外范围可以进行外坑底板浇筑，即安全施工距离为L≥20m。

6 结论

①结合合肥某地铁车站基坑工程，提出一种坑中坑四角环形开挖方案，数值分析结果表明，采用该方案施工相比常规阶梯开挖，坑中坑开挖对基坑围护结构变形影响更小，安全性更好。

②经工程实践，采用四角环形开挖方案，基坑开挖完成时,围护桩侧移变形低于25mm，实施效果良好，此外在工期、成本方面该方案与常规阶梯后退式开挖方案相比经济效益优势明显。

③通过数值模拟分析坑中坑施工对相邻外坑基底的影响，得到坑中坑周边外坑基底沉降变形情况，确定在坑中坑开挖施工过程外坑主体结构底板的安全施工范围（外坑底板安全浇筑范围为L≥20m，L为距离坑中坑边缘距离）。