地铁深基坑的开挖和支护方式（地铁车站超深基坑优化设计策略）

摘 要：地铁车站超深基坑开挖期间，需准确预测基坑的实际施工情况，对基坑变形作出判断，探寻相适应的优化设计策略，以保证基坑开挖的安全性。鉴于此，结合北京轨道交通28号线（原CBD线）东大桥站工程，阐述了该工程深基坑围护结构的设计情况和支护体系的参数优化设计，并利用有限元模拟分析其变形情况，探寻优化策略，以供相关工程参考。

关键词：地铁车站;超深基坑;变形分析;

作者简介：王又莹（1989—），男，工程师，从事地铁车站结构设计工作。;

东大桥站为北京轨道交通28号线的第一座车站，与既有6号线（后文简称M6）、在建17号线（后文简称M17）、在建22号线实现四线换乘，其主体属于地下五层双柱三跨岛式站台车站，长210m，标准段宽27.6m、深45.05m,28号线有效站台长102m、宽17.6m,22号线有效站台长186m、宽17.6m，总建筑面积为7.6万m2（含附属）。

车站结构纵向自地面向下主要分布土层：砂质粉土黏质粉土③、粉质黏土③1、④3粉细砂、④2细中砂、卵石圆砾⑤、细中砂⑤2、粉质黏土⑥、粉质黏土⑥2、粉细砂⑥3、粉细砂⑦2、中粗砂⑦1、粉质黏土⑦4、卵石⑦、粉质黏土⑧、中粗砂⑨1、卵石⑨、粉质黏土⑩。

各卵石层的力学参数如下：（1）卵石⑤：最大厚度为6.9m，一般粒径为5～30mm，最大粒径大于等于100mm，粒径超过20mm的含量大于50%，中粗砂充填。水平渗透系数为117.6m/d;(2）卵石⑦：最大厚度为7.6m，最大粒径大于等于120mm，一般粒径为30～70mm，粒径超过20mm颗粒约占总质量的60%，中粗砂填充，水平渗透系数为120m/d;(3）卵石⑨：最大厚度为7.9m，最大粒径大于等于130mm，一般粒径为30～60mm，粒径超过20mm颗粒含量大于50%，中粗砂填充，水平渗透系数为150m/d。

车站标准段底板埋深为45.05m，底板位于卵石⑨、中粗砂⑨1、粉质黏土⑩中，车站底板进入承压水约22m。

地铁车站超深基坑开挖期间，受开挖作业的扰动性影响，加之现场土体自身特性等原因，围护结构和周边土体易出现不同程度的变形现象，进而作用于周边现状建（构）筑物，造成不良影响[1,2]。

围护结构的合理设计有利于提高车站主体和周边土体的稳定性[3]，该工程使用盖挖逆作法施工，支护结构设计为厚1.5m、深74m的地下连墙，由于车站负三层、负四层、负五层净高达9.58m,8.59m,10.15m，所以沿着基坑深度方向于负三、负四、负五层分别设置三道钢筋混凝土支撑，水平间距6m，除此之外不再设置其他临时横向支撑。

重点考虑内支撑的优化，以达到优化工程筹划、提升工程质量的目标，通过此途径提高支护体系的应用水平。

由于本工程位于城市主干道下方，施工期间为满足交通道路“占一还一”的原则，应用顶板分幅盖挖逆作法开展作业会给结构施工造成较大不便，对位于车站负三层、负四层、负五层的三道钢筋混凝土支撑的施工、拆除带来极大影响，以下通过不同计算软件进行安全核算，以实现优化混凝土支撑道数的目的。

该工程使用理正深基坑计算软件与同济启明星深基坑计算软件进行分析，两款软件在模拟基坑盖挖逆作法施工时采用了不同的手段模拟楼板的支撑效果，其中理正深基坑计算软件通过计算断面楼板刚度为支撑刚度模拟楼板；使用同济启明星基坑支挡结构设计软件直接选择刚性楼板实施模拟。通过两种软件对支撑取消前后计算结果进行对比（见表1～表2），得到各项安全数据并进行分析，研究是否可取消钢筋混凝土内支撑，优化结构设计方案，达到降本增效的目的。

表1 理正深基坑计算软件取消内支撑前后方案计算结果对比 下载原图

下载原表

表2 同济启明星深基坑计算软件取消内支撑前后方案计算结果对比 下载原图

经计算，如果设计成厚度为1.4m的地下连续墙，不额外增加内支撑，基坑安全性可满足一级基坑限值要求，但由于市场上目前连续墙成槽机械模数没有1.4m宽，故本工程采用1.5m宽连续墙，盖挖逆作法施工，不额外设置内支撑，方案安全可行。

由于此基坑深度较大，本工程在设计阶段针对取消常规混凝土内支撑经过平面计算满足规范要求的同时，通过MIDAS/GTS NX仿真分析软件对施工阶段进行三维模拟分析，考虑围岩与结构的共同作用、分步施工过程。取长1000m×宽1200m范围土体作为模拟计算平面范围，垂直计算范围向上取至自由地表，向下取150m深度。围岩本构模型采用修正摩尔-库伦模型，考虑到M17东大桥站主体结构建设时序早于本工程实施，模型中将M6、M17东大桥站主体结构均作为既有风险源考虑在内，M6、M17及本工程主体和区间结构均采用弹塑性各向同性的梁、板单元模拟，边桩及中柱采用植入式梁单元进行模拟，超前地层加固通过提高围岩参数模拟。

在施工该车站时，使用纵向分幅、水平分步、分层开挖的方法，注意每一分步开挖完成后都要进行支护，依照隧道施工顺序进行计算。首先计算原始地应力，得到前一计算步骤的地应力分布情况后，实施岩土体开挖作业，在连续墙施工时不释放地应力场，每层土体开挖时进行百分百始发后对相应楼层楼板进行。具体模型见图1。

图1 有限元模型及单元网格图 下载原图

利用有限元分析软件对施工阶段进行分析可得出以下结论：地面最大沉降小于9mm，相比二维计算分析结果较小，连续墙墙体最大水平位移为20.1mm（发生在负五层位置），与基坑计算软件二维计算结果基本符合，满足规范最大限值，因此基坑安全性满足要求。

综上，以地铁车站深基坑工程为背景，对其变形特点展开分析并提出优化设计策略，对参数进行优化，希望能为同仁提供参考。

[1] 肖萌.超深基坑开挖对支护结构与周边环境影响研究[D].南宁：广西大学，2018.

[2] 樊凤凯，薛双.南京市某地铁车站深基坑变形分析与优化设计[J].长春工程学院学报（自然科学版），2020,21(3):38-43.

[3] 王瑞瑞.某地铁深基坑开挖变形及稳定性分析[J].工程质量，2018(11):36-40.

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