緊鄰深大長基坑的地鐵結構保護對策與實踐

馮國健

(廣州地鐵集團有限公司， 廣東 廣州 510330)

0 引言

隨著城市發展進程的不斷加快，現有地下空間已不能滿足人們的需求，在復雜的城市環境下施作深大長基坑已是日漸明顯的趨勢。地鐵工程是城市的生命線工程，而沿線區域的物業開發不可避免地會對鄰近地鐵結構產生不利影響，其安全關系到城市的穩定及人身、財產安全，這給地鐵結構的安全保護工作帶來了極大的挑戰。為此，文獻[1]對地鐵結構的安全控制進行了詳盡的規定。通過采取有效的保護措施確保臨近地鐵結構的基坑施工過程不危及地鐵的安全，已成為重要議題[2-4]。

近年來，國內學者依托鄰近地鐵結構的基坑工程展開了豐富的研究，積累了寶貴的經驗，并在后續的工程應用中得到了不斷完善，其中包括對基坑開挖過程開展數值模擬、實測研究，進而分析鄰近地鐵結構的影響規律[5-7]。文獻[8-10]研究表明，地下連續墻成槽過程的影響較小，而基坑的土方開挖影響較大，設置托換樁、攪拌樁加固和分塊開挖是控制鄰近地鐵結構變形的有效措施。鄭剛等[11]闡述了基坑施工對地鐵隧道的工程風險控制措施，認為地層加固、分區開挖及反壓回填等措施能有效地控制地鐵結構的位移。張治國等[12]考慮了基坑開挖引起坑底和四周坑壁的卸荷影響，提出了地鐵隧道縱向變形影響的2階段分析方法。文獻[13-14]針對基坑與鄰近地鐵結構的相互影響，為減小基坑變形對地鐵的影響，從經濟合理的角度出發，提出了針對性的措施及建議。

然而，在地面交通復雜且涉及多種地鐵結構設施的環境下施作超大基坑群的工程實踐仍較少。本文基于廣州南站區域地下空間及市政配套設施工程實例(簡稱廣州南站地下空間)，針對基坑的深大長特點，結合已有的工程經驗，重點分析本工程的難點及風險點，提出在設計及施工過程中合理保護地鐵結構的措施及建議，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程介紹

廣州南站位于廣州市番禺區西北部廣佛都市圈地理中心，是與港澳、內陸省份建立聯系最直接、最便捷的紐帶。廣州南站地下空間項目基坑西鄰廣州南站地鐵車站，東側圍繞地鐵石壁站，同時被已運營的地鐵2號線及7號線廣州南站—石壁站區間隧道劃分為南、北2部分，再以6條連通道連接南北2個區域。其中，基坑緊鄰地鐵結構的明挖段及區間盾構隧道，圍護結構外邊線與地鐵隧道結構外邊線間的最小水平凈距約為6.0 m。

基坑縱向總長達1 100 m，橫向最大跨度約為430 m，基坑總面積共120 000 m2，基坑開挖深度為4.5～19.7 m。基坑周邊區域環境復雜，集中了高鐵、城際軌道、地鐵、長途汽車客運及常規公交5大類公共交通系統，基坑縱向橫跨了石興大道、三坊路及石洲中路3條交通干道，且沿基坑邊分布長距離的市政景觀橋，周邊環境見圖1。

地鐵廣州南站與石壁站均為明挖順作法施工修筑的現澆鋼筋混凝土箱形框架結構，石壁站車站結構頂部埋深為3～4 m，底部埋深為17～18 m。2號線區間隧道包括明挖段與盾構段，明挖段為單層雙跨箱形混凝土結構，寬為11～14 m，高約為6 m，頂板埋深約為7.6 m；盾構段隧道結構外徑6.0 m，隧道頂部埋深約為8.8～9.2 m。7號線區間隧道同樣由明挖段與盾構段構成，明挖段與盾構隧道結構形式尺寸及施工方法與2號線類似。

圖1 基坑周邊環境總平面圖

1.2 工程地質及水文地質條件

項目場地地處珠江三角洲地帶，為珠江水網交錯的平原區，沿線地表地勢起伏變化不大，地面標高范圍為4.72～9.49 m。巖土層自上而下依次為： ①填土、②-1淤泥質土、②-2細砂、③-1粉細砂、③-2中粗砂、④-1粉質黏土、⑤-2殘積土、⑥全風化泥質粉砂巖、⑦強風化泥質粉砂巖、⑧中風化泥質粉砂巖和⑨微風化泥質粉砂巖。地鐵區間隧道主要座落在殘積土或泥質粉砂巖上，局部位于粉質黏土，基坑范圍的地層中普遍存在較厚的砂層。勘區地下水主要為孔隙水和基巖裂隙水2種，在上部的填土層中局部賦存上層滯水，現場量測的勘察鉆孔水位表明，場地地下水位變化幅度小，穩定水位埋深普遍為0.00～2.00 m，局部埋深3.30 m，典型地層分布及基坑與隧道的位置關系如圖2所示。

當周邊地層以砂層為主時，基坑開挖將難以保證基坑底的穩定性，不利于基坑施工過程對地鐵結構的保護，尤其當砂層位于地下水位線以下時，呈松散狀，這將會對下臥地鐵隧道結構造成較大的不利影響。

2 基坑支護體系及與地鐵的關系

項目基坑屬于安全等級一級的大型基坑群，開挖及支護方案的合理選擇是保證工程安全及保護周邊環境的關鍵。根據復雜的場地周邊環境，為確保緊鄰地鐵結構的安全性、工期的要求及經濟性等，項目基坑在靠地鐵側采用1 000 mm(800 mm)厚地下連續墻、遠離側采用1 000@1 200 mm鉆孔樁(樁間設置攪拌樁止水)+鋼筋混凝土內支撐的支護體系。支護結構平面布置如圖3所示。

圖2地層分布及基坑與隧道的位置關系

Fig. 2 Geological profile and relationship between foundation pit and tunnel

圖3 基坑支護結構平面布置圖

項目場地地面絕對標高為 7.6 m，3層地下室區域的基坑開挖深度為19.7 m，設置4道支撐，第1、2、4道均采用800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐，第3道支撐尺寸為900 mm×1 200 mm；2層地下室區域的開挖深度為13.1 m/14.6 m，其中A3區域布置3道鋼筋混凝土支撐，E1區域布置2道鋼筋混凝土支撐；1層地下室區域開挖深度為10.9 m，布置2道支撐，尺寸為800 mm×1 000 mm。7號線正上方區域基坑開挖深度為4.5～9 m，為減小7號線正上方土體開挖引起的隧道隆起，采用600@450 mm密排式水泥土攪拌樁對7號線右線實施地層先加固、左線實施地層后加固。3層地下室區域的支護剖面如圖4所示。

3 工程難點及保護措施

該地下空間基坑面積特別大、形狀奇異且開挖深度不一，加之場地周邊環境極其復雜，涉及多種公共交通系統、多條交通道路且地下管線密布，其中基坑影響范圍內的地鐵結構包括盾構段、明挖箱形段、糾偏段、車站及其附屬結構等重點保護的地鐵設施，且需避讓既有的市政景觀橋、地下汽車站等公共建筑，其工程難度及廣度是國內其他地下空間開發中鮮有的挑戰。因此，為滿足《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[1]的控制要求，根據隧道現狀，將2次開挖過程中的變形均控制在6 mm以內，最大限度地減小開挖對地鐵結構的影響，為此采取系列的保護措施如下。

3.1 合理的分期分區施工

項目基坑沿線貫穿3條道路交通干線，為緩解廣州南站周邊的交通壓力，配合地鐵7號線完成工期要求，采用分3期逐步施工的方案。以三坊路為界，先封閉石興大道及石洲中路施作1、2期基坑，待回填恢復2條道路后，再封閉三坊路施作3期基坑。為避免基坑大面積開挖卸荷引起不良影響，將基坑分為17區分別施工，具體的分期分區布置如圖5所示。其中B1、B3、B4、B6、C1、C3設3層地下室，A3、E1設2層地下室，其余各區均設1層地下室。

圖4 3層地下室區域的支護剖面圖

圖5 分期分區開挖布置圖

項目基坑通過具體分期可以充分運用設備資源，合理安排工期及施工的時間，規避基坑發生整體性破壞的風險；分區則將基坑劃分為基坑群，區與區之間以鉆孔樁進行分隔，可對各區實現獨立的支護、止水、開挖、澆筑主體及回填等工序，避免大面積土體的一次性卸載，有利于控制基坑的變形。此外，轉化為小基坑后能明顯縮短基坑底土體的暴露時間，避免由于坑底存在殘積土或強風化泥質粉砂巖層時遇水軟化而減弱對緊鄰地鐵區間隧道結構的約束作用，從而產生過大位移的風險。因此，合理的分期分區方案是充分運用時空效應原理的體現，能較好地控制基坑變形，保護周邊構(建)筑物。

3.2 地層加固

7號線正上方基坑開挖后，下方盾構隧道的最小覆土僅為2.7 m，1#、2#連通道施工到底時，正下方的箱形隧道最淺覆土僅為0.42 m。對開挖區域下方土體進行加固能起到加大土層密度、提高強度、減小地下水影響、控制因正上方土體卸荷引起的隧道隆起變形作用。因此，本項目中對7號線上方開挖區域及6條連通道均進行土體加固，其中4#連通道的加固剖面如圖6所示。

圖6 4#連通道的加固剖面圖(單位： m)

Fig. 6 Cross-section of foundation reinforcement of gallery No. 4 (unit: m)

根據7號線盾構工期特點，對7號線的右線實行先加固，加固深度至隧道底部，對左線實行后加固，加固范圍為隧道外壁以外2 m，同時對靠2號線側進行密排式攪拌加固，形成重力式擋墻，最大限度減小7號線正上方開挖對2號線的影響。設置在7號線隧道兩側的抗拔樁與上部結構底板及加固土體對隧道形成了“門架式”約束體系，以限制地鐵7號線的變形，其中要求樁體距隧道外側壁不小于3 m，以減小樁體施工對隧道周邊土體的擾動。

3.3 隧道正上方土體抽條開挖

對地鐵7號線沿線正上方進行大面積開挖，勢必會造成隧道的過度隆起而影響隧道后期的正常使用，嚴重時甚至會引起隧道管片的破損、錯臺等病害。從地鐵保護的角度出發，考慮基坑開挖的時空效應，對7號線正上方基坑采用抽條開挖方式，每一條段開挖到底后立即封底施作上部結構，再進行下一施工段的開挖，縮短坑底暴露時間，以限制隧道的隆起。因此，合理地設計抽條寬度及抽條順序對施工進度的把握及隧道位移的控制起到關鍵作用。現就2種抽條方案進行有限元計算分析： 方案1為縱向沿地鐵區間隧道間隔100 m分塊開挖，雙向推進，每次抽條開挖長度為10 m；方案2為縱向沿地鐵區間隧道間隔75 m分塊開挖，單向推進，每次開挖長度約為15 m。開挖流程示意如圖7所示。

(a) 開挖示意圖

(b) 方案1

(c) 方案2

Fig. 7 Flowchart of excavation of foundation pit right above Metro Line No. 7

方案2抽條開挖較方案1每一段暴露出來的基坑底寬度增加了5 m(總寬度達到了17 m)，分段距離減小了25 m，縮短了開挖時間，減少了主體結構的分段。計算結果表明，方案2較方案1引起7號線隧道結構最大位移增量為0.9 mm，引起2號線隧道結構最大位移增量為0.4 mm，因此，在施工工期允許的情況下，為保護地鐵結構，建議采用方案1施工。

3.4 連通道的開挖

為連接南北2個地下空間，共設置了6條連通道，橫跨地鐵隧道結構的明挖箱形段及盾構段。其中1#、2#連通道開挖后下方的箱形隧道最淺覆土僅為0.42 m，且箱形隧道分布有3道變形縫，對開挖過程隧道的抗浮十分不利。為此，通過逐步開挖施工的方法進行處理，施工工序如下： 1)攪拌加固，開挖一半土體； 2)施工半側主體結構側墻、底板，砂袋反壓，部分回填； 3)開挖另一半土體，施工另一半主體結構側墻、底板； 4)施工主體結構頂板，回填至地面。1#、2#連通道施工過程如圖8所示。

(a) 開挖一半土體

(b) 施工半側主體結構側墻、底板，砂袋反壓，部分回填

(c) 開挖另一半土體

(d) 施工主體結構頂板，回填至地面

3.5 連通道及隧道的抗浮

7號線正上方的開挖及連通道的施工均會引起下臥隧道的上浮，在地下水位激漲的極端情況下最為危險，因而隧道及連通道的抗浮均需重視。分別取地下水位位于地面及基坑底時，對覆土最淺的箱形隧道、盾構隧道及連通道進行抗浮安全驗算，均不考慮隧道上方土體的抗剪強度，僅考慮土體的自重、結構自重和浮力作用。連通道及盾構隧道的抗浮驗算示意圖見圖9。

(a) 1#、2#連通道抗浮

(b) 盾構隧道抗浮

分析表明，若不進行地層加固，滿足抗浮要求時盾構隧道結構上覆土厚度需控制在2.8 m以上，地層加固后僅需控制在2.1 m以上。因此，為確保隧道的抗浮安全，建議至少保留3 m以上的覆土，且嚴禁出現超挖現象，盡量避免在雨季施工。

3.6 既有結構的利用

基坑橫跨的石興大道為下沉式道路，寬度約為40 m，為充分發揮地勢特點，減少開挖，節約工程成本，項目利用既有下沉道路底板作為結構底板，直接施工寬度最大的5#連通道。

2號線盾構隧道結構與既有下沉道路底板的豎向距離約為2.44 m，但在2號線隧道兩側與中間布置有3排支撐樁(每排16根，兩側樁直徑為1 200 mm，中間樁直徑為1 500 mm)。這些存在于道路下方的既有大直徑樁，原用于道路的荷載轉換樁基，現可作連通道及上方道路的承載樁及連通道的抗拔樁，能有效地減緩上部荷載對隧道結構的影響。道路經改造并完成連通道后的效果圖如圖10所示。

3.7 其他風險及措施

由于本工程基坑的土方開挖量巨大，施工周期長，故選用先進的施工設備以降低對土體的擾動是保護地鐵結構的有效方式。為此，在鄰近地鐵側地連墻采用銑槽機成槽，成槽前對軟弱土層加固以避免塌槽； 7號線正上方采用影響較小的三軸水泥土攪拌樁加固土體，且加固范圍限于隧道外邊線2 m外； 抗拔樁采用旋挖成孔工藝，控制隧道外側產生的附加荷載不得超過20 kPa。

圖10 石興大道下沉段改造后橫剖面圖

Fig. 10 Profile of sinked section of Shixing Avenue after reconstruction

場地內普遍存在較厚的砂層，地下水位較高，需保證基坑的止水效果。在施工過程中需嚴格控制地下水位的下降幅度，必要時采用回灌的方式補充地下水。在整個地下空間工程的開發過程中建立完善、連續的監測體系，加強靠地鐵側基坑變形、水位和隧道收斂變形等的監測。以時間為軸線，根據實時的監測數據，動態指導施工，并及時反饋隧道結構的安全狀態，實時調整基坑的支護結構設計參數與施工方案，實現信息化施工。

4 結論與建議

廣州南站區域地下空間工程周邊環境極其復雜，工程難度大、風險高，通過分析基坑開挖可能對地鐵結構造成的不利影響，提出合理的保護方案，得到如下結論及建議。

1)在緊鄰地鐵結構的復雜環境下進行基坑開挖時，需充分評估工程施工對地鐵結構的影響，盡量遵循分期、分區、分塊、分層、對稱和限時的原則，嚴格控制基坑變形及周邊土體的沉降，以免危及地鐵結構安全。

2)為減小開挖對周邊環境的影響，應根據周邊環境及工程自身的特點，采取加固土層、設置抗拔樁、選用影響較小的施工機械、抽條開挖和及時施作上部結構進行反壓等措施。

3)重視深厚砂層處的止水，防止地連墻成槽過程中發生塌槽、滲漏水等現象。控制地下水位的變化，對于淺埋的箱形結構及盾構隧道應選取最極端的地下水位以驗算其抗浮安全。

4)在施工全過程中應對基坑及緊鄰地鐵結構開展連續的監測工作，建立完善有效的監測系統，及時反饋各結構的安全狀態，制定相應的應急方案，實現信息化施工。

本文僅從地鐵保護的角度分析了該工程所采取的措施，由于篇幅原因，未展示量化分析過程及后期監測數據的規律分析。

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