北京地铁深基坑支护结构设计优化与施工

北京地铁深基坑支护结构设计优化与施工

宋诗文

（中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东济南 250002）

摘要：北京地铁9号线军事博物馆站北换乘厅南侧紧邻复兴路和既有1号线，附近管线众多，周边环境复杂，对地层扰动影响较高，地层中下部以黏土岩、砾岩为主，整体稳定性较好，原设计方案采取咬合桩止水及基坑底部换撑等加强措施。在保证施工安全的前提下，为了合理缩短工期、减少造价，结合实际工程经验对原设计方案进行了优化。和原设计方案相比，优化设计方案取消了咬合桩及换撑，对第4道支撑位置进行了调整，并更换了防水材料。同时，采用北京理正深基坑分析软件对优化设计前后的基坑开挖情况进行了对比分析。最后，在按优化设计方案施工的过程中进行严密的监控量测，并对监测数据进行了分析。最终给出以下建议：1）深基坑支护尽量不采取换撑的方式；2）设计方案要结合实际情况进行动态设计，要以软件计算作为参考依据；3）在基坑开挖过程中要进行严密的监控量测，并重视数据反馈。

关键词：地铁深基坑；支护结构优化；施工监测

0 引言

目前，国内陆铁建设出现高潮，二线城市陆续规划修建地铁。但部分城市地质论证仓促，地质条件不同的城市地铁修建方法百城一面、千篇一律。一些明挖车站的设计未能根据基坑周边环境及地层实际情况进行，基坑支护结构设计参数单一［1］；深基坑设计普遍采取换撑措施，支护安全系数较大，但在实际施工过程中存在架设与拆除困难、支撑架设严重滞后等问题；设计意图与实际施工效果存在较大偏差。李向荣等［2］结合杭州地铁某车站对深基坑换撑施工进行了优化探讨；万河［3］结合天津地铁某车站对取消支撑前后的基坑变形进行了数值模拟对比分析；卢礼顺等［4］对基坑底混凝土垫层的支撑效应进行了分析；田宇等［5］对素混凝土垫层的支撑约束作用进行了监测分析；吴秀强［6］介绍了加强垫层在基坑施工中的实际应用效果。

以上研究主要是针对南方软土地层支护结构优化设计进行的研究分析，并且相关研究不多。根据施工经验，依托北京地铁军事博物馆站，对北方硬土地层条件下的基坑开挖提出了合理的设计方案，并通过对优化前后的基坑开挖进行了数值对比分析以及监测数据分析，说明该方案合理可行。

1 工程概况及地质条件

1．1 工程概况

北京地铁9号线军事博物馆站北换乘厅位于羊坊店西路与复兴路交叉口东北方向，距复兴路约3．5 m，地下距既有1号线外侧结构水平距离约18．4 m，北换乘厅平面位置如图1所示。换乘厅为地下单跨3层矩形结构，结构外侧长71．4 m、宽13．4 m、深21．7 m，与既有1号线西北出入口相接换乘，并设有4号出入口、风机房，周边管线较多，其中1 000雨水管道、400上水管道改移后距离北换乘厅结构北沿仅2．6 m。

图1 北换乘厅平面位置图（单位：mm）
Fig．1 Plan of position of north exchange hall（mm）

1．2 工程地质条件

结构上覆土土层分布及物理力学性质参数见表1。该段地层无不良地质，地面标高为49．46 m，地下水类型为潜水，水位标高为40．15～41．77 m（埋深8．00～8．70 m），含水层位于卵石—圆砾⑤层。

表1 地层分布及主要物理力学性质参数
Table 1 Main physico mechanical parameters ofmain strata

土层编号颜色密实程度湿度强度天然密度ρ／（g／cm3）天然快剪黏聚力c／（kPa）内摩擦角φ／（°土层厚度／m）杂填土①杂稍密稍湿中—较硬1．65 0 10 0．6粉土填土①1黄褐中密稍湿中2．03 10 8 0．9粉土③褐黄—暗褐黄中密—密实稍湿—湿中—较硬1．83 17 27．8 1．5粉质黏土③褐黄—暗褐黄密实湿—稍湿较硬1．95 26 23．3 1．0细砂—粉砂④褐黄中密—密实湿硬1．95 0 30 2．7卵石—圆砾⑤杂密实—中密饱和—湿硬2．10 0 38 3．0砾岩瑏瑡棕红—灰棕湿较硬—硬60 36 8．0黏土岩瑏瑡2棕红湿较硬50 25 2．0砾岩瑏瑡1紫灰—杂湿硬80 42 11．1

2 原设计方案

军事博物馆站共有南、北2座换乘厅。根据现场施工条件，先施工北换乘厅基坑。北换乘厅采用1 000＠1 500素混凝土桩，桩间施作1 000＠1 500钻孔灌注桩进行咬合止水，除基坑西北角为10根A类桩（桩长32．628 m）之外，其余全为B类桩（共计111根，桩长31．028 m）。基坑内支撑为609的钢管支撑，第1层支撑间隔3 m，直接撑到冠梁上，冠梁截面尺寸为1 m×1 m；第2～5层支撑及换撑间隔均为3 m，支撑撑在相应位置的腰梁上，腰梁为工字钢45c双拼组成，换撑直接撑到已施作好的侧墙上，不施加预应力。底板、边墙结构防水层采用膨润土防水毯，顶板用2．5 mm厚聚氨酯涂膜。

换乘厅东半部分在既有1号线A出口范围内，拆迁困难，为不影响施工进度，在基坑中间打设1排临时咬合桩，分东、西2部分开挖。第1阶段，先开挖西半部分（长56．5 m），开挖全部完成后，开始自西向东施作二次衬砌结构；第2阶段，同时开挖东半部分基坑与连接既有线的人防段换乘通道。北换乘厅围护结构平面图见图2。

北换乘厅基坑支撑形式及基坑剖面如图3所示，基坑支护工序如图4所示。基坑开挖采用明挖顺做法施作，开挖至支撑设计标高底以下50 cm时，架设钢支撑，然后采用分层开挖、随挖随撑的方法进行开挖。第5道钢支撑架设完成后，继续向下开挖，开挖至坑底标高以上20～30 cm时进行人工清底，然后打设垫层及底板，如图4（a）所示；随后拆除第5道撑，浇筑地下2层中板以下的侧墙，待侧墙达到设计强度后，架设第6道换撑，浇筑部分侧墙、中板，如图4（b）所示；然后拆除第4、3道撑，施作地下1层中板以下侧墙及中板，如图4（c）所示；待浇筑的侧墙、中板达到设计强度后，拆除第2道撑，施作剩余侧墙及结构，浇筑顶板，如图4（d）所示；待顶板达到设计强度后，拆除第1道支撑，回填顶板覆土，恢复交通。

图2 北换乘厅围护结构平面图
Fig．2 Plan of retaining structure of north exchange hall

图3 北换乘厅基坑支撑形式及基坑剖面示意图（单位：mm）
Fig．3 Supportmode and profile diagram of north exchange hall（mm）

3 优化设计方案

3．1 取消咬合桩

基坑周边环境对地层扰动影响较大，卵石—圆砾地层含有潜水，原设计方案考虑采用咬合桩起到封闭止水、增强基坑稳定、减少对周边环境影响的作用。但在进车站北端的临时竖井采用倒挂井壁法施工过程中，通过潜水层时采取背后回填注浆的方式进行止水，止水效果较好，水量并不是很大，该竖井距基坑北侧的最小距离约23 m，初步推断北换乘厅潜水层含水量不会过大（后在实际开挖中得到证实）。而在车站南端临时竖井施工过程中（与南换乘厅在东、西方向基本同一断面）通过潜水层时，水量较大，原采用背后回填注浆的方式，止水效果不是很明显后采取埋设钢管引流的方式，水中不夹带泥沙，自开工3年来，对地层扰动无明显影响。采取咬合桩施工，不仅增加施工设备、物力等，而且切割桩比较困难，对桩体垂直度要求精度较高，施工工期较长，同时考虑到桩体中下部所处砾岩层稳定性较好，决定取消素混凝土桩咬合止水的方案，采取只打设1 000＠1 500钻孔混凝土桩A类桩与B类桩、桩间挂网喷混凝土的方法，不采取专门的主动止水措施，在含水层处布置直径40 mm的导引排水管，以疏排混凝土面层后的滞水。

图4 基坑支护工序图
Fig．4 Support progress

3．2 调整第4道支撑位置

钢支撑与结构中板的关系如图5所示。h1为中板结构顶面到侧墙水平施工缝的净距，h2为侧墙水平施工缝与腰梁的净距，h3为考虑钢筋连接施工时预留的露出施工缝界面的钢筋接头长度，H表示中板结构顶面到腰梁的净距，因此H＝h1＋h2＋h3。

图5 支撑与结构中板的关系示意图
Fig．5 Support and structural intermediate plate

根据相关规范要求［7－8］，h1不小于300 mm；h2为钢筋连接区段的长度，当采用焊接或机械连接（Ⅱ级接头）时，取35倍的钢筋直径；h3不小于100 mm。本设计主筋直径d为25 mm，则H应不小于1 300 mm。当机械连接采用Ⅰ级接头时，考虑到施工误差和结构安全，钢筋接头也宜错开一定的长度，净距H也不应小于500mm。

根据北京市《地铁工程监控量测技术规程》［9］提出的“特别是距基坑底部1／3深度处轴力最大，应加强监测”，原设计方案将地下2层中板设置在距基坑底部1／3处，第4道钢支撑尽量靠近中板设置，造成第4道钢支撑距离车站地下2层中板距离仅228 mm，未充分考虑支撑体系对主体结构施工产生的影响。因此，在优化设计中充分考虑了该问题，将第4道钢支撑向上移动1 m，则H为1 228 m，基本满足《地下建筑防水构造》标准图集中对接头的要求。

3．3 取消换撑

在进车站临时竖井及车站开挖过程中，遇到了砾岩层，其土质坚硬，土层密实，整体性较好，用风镐破除困难，土石开挖等级为2级，与地质勘查报告结果出入较大。因此，在车站开挖时，重新进行了现场取样及检测，检测报告的主要结果见表2。

表2 砾岩层主要物理性质
Table 2 Physical properties of conglometrates

岩层天然密度ρ／（g／cm3）不排水不固结黏聚力c／kPa内摩擦角φ／（°）抗拉强度／kPa弹性模量／MPa泊松比μ砾岩2．22 260 31．5 60 200 0．38

原设计方案中换撑数量多，共24根，施工操作难度大，需要将支撑在围护桩上的钢支撑重新配管（减去主体侧墙厚度），重新将其吊装至已施工好的侧墙上。以上施工是在已经搭设完成的侧墙脚手架上进行的，在重新架设前需先将脚手架拆除落低，再在脚手架上铺设承木板方木进行换撑操作，脚手架拆除工作量较大；换撑后的钢支撑需在顶板施作完成后才能进行拆除，拆除在地下2层内进行，此时不能使用大型吊车，需使用手拉葫芦进行拆除，然后运至预留吊装孔上再吊出，说明拆除、吊装困难。根据以上所述，决定取消原设计中如图4（b）所示的换撑，施工工序同原设计。对原设计进行优化后，采用北京理正深基坑6．5软件对原设计方案和优化后的设计方案进行了分析对比。

3．4 优化前后设计方案的对比分析

3．4．1 基坑计算原则及模型

基坑围护结构按平面问题进行分析，根据“荷载－结构”模式，采用增量法原理［10－11］，进行开挖及回筑阶段各工况结构的计算。围护结构按“m”法进行内力和位移的计算，模拟施工过程进行受力分析，遵循“先变位，后支撑”的原则，在计算中计入结构的先期位移值及支撑变形。围护桩按弹性地基梁计算，采用弹簧单元模拟开挖面以下的土体、弹性压缩杆件模拟钢支撑。在施工的不同阶段，围护结构、支撑体系和土体所形成的结构体系不断变化，增量法计算较真实地模拟了施工开挖阶段的结构受力形式，对变化的结构施加相应开挖阶段的增量荷载，并计算由增量荷载所产生的增量内力和变形，然后叠加形成各阶段的计算内力和变形值。增量法阶段开挖及受力如图6所示，增量法围护结构受力分析过程如下。

1）开挖至第1道支撑处，被动侧基坑以下为土体弹性支点，见图6（a）。根据内力变形分析得出本开挖阶段所产生的计算内力和变形值。

2）安装第1道支撑，施加预应力，见图6（b）。基坑开挖至第2道支撑处，在墙背处施加本次开挖阶段的水土压力增量及开挖土体部分卸载（拆掉土体弹簧，施加抗力模拟），被动侧基底以下土体及第1道钢支撑为弹性支点，见图6（c）。将本阶段内力变形值与第1阶段所产生的内力变形值叠加，即得本阶段的计算内力和变形值。

3）其他工况分析计算原理同2）。

图6 增量法阶段开挖及受力示意图
Fig．6 Sketch diagrams of excavation cases and stressing of foundation pit under presressed period

3．4．2 对比分析

工况11（架设完成第5道支撑，向下开挖土体至坑底完成）为2种设计方案抗倾覆系数Ks最小的时刻，Ks为8．114，北京市《建筑基坑支护技术规程》规定最小值为1．2，均符合规范要求。优化设计后，桩体位移曲线有所减小，工况11中原设计桩体位移最大为6．47 mm，优化设计后为6．25 mm，见图7。原设计方案中，拆除顶板、第6道换撑结束后（工况22）内力最大，最大内力包络图如图8（a）所示，最大位移为15．02 mm；优化设计后，拆除第1道支撑结束后（工况20）内力最大，最大内力包络图如图8（b）所示，最大位移为14．47 mm。对比发现，原设计方案和优化后设计方案的最大内力无明显差别。产生差别的原因主要是钢支撑架设位置有所调整，优化后的第4道钢支撑上调了1m。

第6道换撑在地下2层侧墙施工完成后安装，不施加预应力，起到安全储备的作用，对桩体位移、内力变化均无明显作用。经计算结果分析，优化设计方案的工序满足施工要求，施工安全可靠。

在实际开挖过程中，开挖到第5道支撑时，桩体位移变化不大，主要原因是桩体中、下部地层稳定性较好。因此基坑部分不架设第5道支撑，继续开挖至基坑底部后施作结构，并采用北京理正深基坑软件重新计算分析该开挖工序，结果表明该工序安全可行。

3．5 更换防水系统设计

由于基坑开挖取消了咬合桩，且未采取严密的止水措施，原设计防水方案采取“引流”的止水措施已不可行，因此考虑更换防水设计。目前北京地铁车站结构1级防水普遍采用“缓冲土工布＋ECB防水板”全包结构措施，此方法防水效果较好，综合分析后决定采用此方法。

4 施工监测结果分析

地面及管线沉降点、桩顶水平位移、钢支撑轴力、桩体变形等4项监测内容是施工过程中分析基坑结构及周围环境变化最直观的、最常用的方法。地面及管线沉降点用以控制基坑周边土体的稳定性；桩顶水平位移、钢支撑轴力是判断围护结构稳定性的重要指标；桩体变形可以反映围护桩的变形情况，也是判断支护结构稳定的重要指标。主要监测点平面布置见图9，支撑轴力测点ZL位置为换乘厅3个主测断面。在施工过程中对所布设监测点进行动态监测，直至基坑二衬完成。

4．1 地表及管线沉降

部位地表及管线监测点不同时间的监测沉降曲线如图10所示。随着基坑开挖深度的增加，地表及管线沉降增大，在开挖至每道支撑标高处而未架设支撑时，沉降速率增大，架设支撑后，沉降速率有所减慢。在监控过程中，沉降点变化速率过大时，及时对沉降点进行注浆加固。由图10可以看出，靠近复兴路南侧的地表沉降明显比北侧管线沉降偏小，主要原因是施工完成后管线存在肥槽回填不密实、污水及雨水管线存在不同程度的渗漏情况。

4．2 桩顶水平位移

在基坑开挖初期，桩顶水平位移作为评价围护结构稳定性的重要指标，可以反映桩体背后土压力的大小情况。桩顶水平位移曲线见图11，由图11可以看出，随着基坑开挖深度的增大，桩体水平位移逐渐变小、并趋于稳定，说明围护桩变形最大、最危险的部位不一定在桩顶，通过围护桩体不同深度的水平位移曲线可以反映围护桩的实际变形。

图7 原设计及优化设计后抗倾覆系数最小时的受力图
Fig．7 Stress of foundation pit underminimum collapse resistance coefficient foundation pit of before and after optimization

图8 原设计和优化设计后的最大内力包络图
Fig．8 Envelop diagrams ofmaximum internal force of foundation pit before and after optimization

图9 主要监测点平面布置图
Fig．9 Plan of layout of themain monitoring points

图10 地表及管线沉降曲线
Fig．10 Settlements of ground surface and pipelines

图11 桩顶水平位移曲线
Fig．11 Horizontal displacement of pile top

4．3 桩体水平位移

基坑共布设6个桩体水平位移监测点，其中桩体最大位移出现在ZQT01监测点上，开挖至第1道与第2道支撑时桩体变化曲线并不明显，由于土体开挖较浅，仅桩身上部位移变化较大；随着开挖深度的增加，桩体位移曲线变化增大，“中间位移大，两端位移小”特征明显，位移最大处逐渐下移。位移最大值基本在距基坑底部开挖1／3深度处。桩体水平位移变化曲线见图12。

4．4 轴力变化

在基坑布设的3个主测断面，ZL02断面轴力变化最大。在实际开挖过程中，钢支撑的轴力变化并没有像设计轴力那么明显。在优化设计中，计算各工况支撑轴力，第1道支撑最大轴力出现在拆除第2道支撑、施作侧墙及顶板工况上，轴力达到424．13 kN；第2至4道，各轴力的最大值基本在800 kN左右。因此，决定调整第1道支撑预加轴力为100 kN，其余各道支撑预加轴力为200 kN。轴力变化见图13，第1道支撑的轴力基本没有变化，其余各道支撑的轴力随着开挖均有所上升，至基坑开挖完成，均在600 kN左右。

图12 桩体水平位移变化图
Fig．12 Horizontal displacement of pile

图13 轴力变化图
Fig．13 Variation of axial force

4．5 计算与监测结果对比分析

基坑开挖至二次衬砌施作结束，基坑各项指标均在控制范围之内。实际监测结果与软件计算结果相比有一定的出入，实际开挖过程中桩体位移偏大。基坑开挖完成后桩体最大位移为15．95 mm，而软件计算中桩体最大位移为6．25 mm；但在基坑开挖完成后拆除支撑至施作二次衬砌完成，桩体最大位移增加2．95 mm，而软件计算中桩体位移最大值增加8．22 mm；支撑轴力实测值与软件计算相差不大。造成桩体位移结果差异较大的主要原因分析如下。

1）计算方法采用“增量法”，遵循“先变位，后支撑”的原则，属于弹性位移计算范畴。但实际上，土是一种复杂的黏弹塑性体，基坑开挖具有明显的时间效应。基坑开挖完成封底并实施地下结构的过程中，土体发生蠕变，但位移变化速率逐渐变慢，位移增加不多。

2）计算模型未考虑基坑的三维空间效应、采用平面应变状态进行的模拟分析。

3）在剩余部分基坑开挖中，未架设第5道撑而直接开挖至坑底。

4）实际地层参数与计算值有差异，在勘探取样过程中，土样受到扰动，造成地层参数有一定的偏差。

5 结论及讨论

1）通过理论及实测数据表明，优化基坑支护结构体系方案可行。该工程节省直接材料费约170万元，同时节省了大量的人力、机械设备，施工工期提前约40 d，为本地区基坑开挖方案提供了参考依据。

2）监控量测是基坑开挖的“眼睛”，应严格按照相关规范执行。加强现场监控量测是个动态的过程，对支护采取相应措施，都是在分析动态监测结果下做出的判断，特别是架设第5道支撑开挖基坑底部过程中安全系数最小，须密切进行监测。

3）基坑优化设计不是一味地迎合施工方便而做出的更改，基坑软件的计算提供的仅仅是参考。基坑工程的区域性、个体性很强，影响基坑工程的稳定性和变形的因素很多，而设计软件很难全面体现这些因素。目前，与基坑工程紧密联系的岩土力学仍是一门经验性很强的学科，因此基坑设计调整仍然需要结合现场地质情况、施工经验及监控量测等做出判断，使基坑工程在安全风险可控的情况下完成。

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Design Optim ization and Construction of Support Structure of Deep Foundation Pit of Beijing M etro

SONG Shiwen
（Tunnel Engineering Co．，Ltd．，China Railway 14 th Bureau Group，Jinan 250002，Shandong，China）

Abstract：The south of north exchange hall of Military Museum Station on Line No．9 of Beijing Metro is adjacent to Fuxing Road and existing Metro Line No．1．There are plenty of pipeline around and the surrounding environment is complex．The strata aremainly about clay rocks and conglometrates and are stable．In the original design scheme，the secant pile is used for water stop and the support of foundation pit floor is replaced．The original design scheme is optimized so as to shorten the construction period and reduce the construction cost．In the optimized design scheme，the secant pile and the support replacement are removed，the position of the forth support is adjusted and the waterproof material is changed．The excavation situations of the deep foundation pit before and after optimization are analyzed by Lizheng software．The construction process of the deep foundation pit ismonitored after optimization，and themeasured data are analyzed．Some suggestions are shown as follows：1）The support of deep foundation pit should not be replaced．2）The design of the foundation pit should be dynamically adjusted and referenced from calculation results of simulation software．3）Monitoring is very important during deep foundation pit construction．

Keywords：metro deep foundation pit；optimization of support structure；construction monitoring

DOI：10．3973／j．issn．1672－741X．2017．S1．015

中图分类号：U 452

文献标志码：A

文章编号：1672－741X（2017）S1－0091－08

收稿日期：2016－11－03；

修回日期：2017－04－24

作者简介：宋诗文（1987—），男，山东临沂人，2010年毕业于石家庄铁道大学，隧道与地下工程专业，本科，工程师，现主要从事地铁施工管理工作。E mail：[e-mail]。