軟土地區(qū)緊鄰地鐵的深大基坑土方開挖技術(shù)

朱 健 侯海芳 范垚垚 趙培龍 杜高帥

1. 同濟大學(xué) 上海 200092；2. 中國建筑第八工程局有限公司上海分公司 上海 200433

1 工程概況

1.1 基坑概況

上海市航空服務(wù)中心X-1地塊項目位于徐匯區(qū)黃浦江南延伸區(qū)，基坑南鄰龍耀路，東側(cè)及北側(cè)分別為規(guī)劃云謠路和龍啟路，西側(cè)平行于云錦路和軌交11號線云錦路—龍耀路區(qū)間隧道。基坑總面積約31 700 m2，劃分為7個分區(qū)，其中地下2層區(qū)域（4、5、6、7區(qū)）開挖深度11.5 m，地下3層區(qū)域（1、2、3區(qū)）開挖深度15.7～15.9 m，塔樓區(qū)域（處于1區(qū)）開挖深度18.6 m，塔樓局部電梯井深坑開挖深度達24 m。基坑西側(cè)的軌交11號線區(qū)間隧道與圍護地下連續(xù)墻凈距離為8.3～10.9 m（圖1、圖2）。

1.2 地質(zhì)條件

擬建場地地基土為第四紀松散沉積物，屬第四系濱海平原地基土沉積層，主要由飽和黏性土、粉性土以及砂土組成，具有成層分布特點。該場地受古河道切割，⑥層和⑦2層缺失，代而沉積為厚度較大的⑤3層、⑤3t層。

場地內(nèi)④2-2、⑤3t（分布有2層）層為微承壓含水層，微承壓水水位一般埋深變化范圍為3.0～11.0 m；⑨1、⑨2層為承壓含水層，該2層連通，⑨1、⑨2層承壓水水位一般埋深變化范圍為3.0～12.0 m。勘察期間測得④2-2層微承壓水水位埋深為4.66～4.89 m，⑤3t層微承壓水水位埋深為5.87～6.87 m。④2-2、上層⑤3t層微承壓水對坑底有突涌影響。

圖2 基坑與西側(cè)軌交11號線相對位置

1.3 支撐體系及土體加固

遠離地鐵的面積較大的分區(qū)（1～3區(qū)）采用3道鋼筋混凝土支撐，平面布置采用“井”字形對撐＋邊桁架的形式。近地鐵窄條形小坑（4～7區(qū)）采用首道混凝土支撐＋2道鋼管對撐的形式，鋼支撐采用軸力自動補償系統(tǒng)。

坑內(nèi)利用φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁加固被動區(qū)土體（圖3）：1區(qū)、2區(qū)沿地鐵側(cè)中隔墻裙邊加固，加固寬度8.05 m，深度至坑底以下5 m；4～7區(qū)坑內(nèi)滿堂加固，加固深度至坑底以下5 m；1～3區(qū)除地鐵側(cè)以外各邊采用裙邊或暗墩加固，加固深度至坑底以下5 m。1～3區(qū)坑內(nèi)深坑采用高壓旋噴樁加固。

2 遠離地鐵大坑土方開挖技術(shù)

2.1 遠離地鐵大坑土方工程特點

1）開挖面積大，單坑面積為8 300～110 000 m2，開挖深度深，土方量大。

2）采用3道鋼筋混凝土支撐，對撐＋角撐＋邊桁架的支撐形式，支撐制作并達到土方開挖條件所需時間較長。

3）大坑底板面積大、底板厚，又分布有較深的電梯井深坑，大坑底板鋼筋和混凝土工程量大，施工周期長。

4）大坑開挖土體卸荷引起坑底隆起量大，造成深層土體產(chǎn)生位移，且由于軟土的蠕變性，坑底隆起和深層土體位移隨著土方開挖的進行持續(xù)發(fā)展，直至底板澆筑達到穩(wěn)定[1-3]。

2.2 遠離地鐵大坑土方開挖要點

為控制基坑變形，需應(yīng)用時空效應(yīng)原理，分區(qū)分塊，留土護壁，加快施工速度，減少基坑無支撐暴露面積和時間，并及時完成底板壓載。具體方法上，一般采用盆式開挖法（圖4、圖5），即先開挖中部土方，再限時對稱開挖盆邊土方并及時形成對撐。

圖3 坑內(nèi)加固平面示意

圖4 盆式開挖平面示意

圖5 盆式開挖剖面示意

盆邊土方因分塊多、支撐密、倒運土方距離遠等因素影響，開挖速度一般都比較慢，影響基坑整體開挖進度，反而不利于控制基坑總體變形。為此，對于環(huán)境保護要求較低的一側(cè)，如除沿地鐵側(cè)以外的中隔墻側(cè)，不留土護壁，其余側(cè)仍留土護壁，成為所謂的半盆式開挖法（圖6、圖7），開挖方向為從環(huán)境保護要求低的中隔墻側(cè)向靠近地鐵和環(huán)境保護要求相對較高的外圍護墻側(cè)，從而加快整體開挖進度，有利于基坑變形控制。

圖6 半盆式開挖平面示意

圖7 半盆式開挖剖面示意

以1區(qū)為例說明半盆式土方開挖要點，其余2區(qū)土方開挖要點類同。

1）第1層土開挖深度較淺，不對基坑變形造成影響，采用大開挖。

2）第2、3層土方量分別為58 000 m3和57 000 m3，均采用半盆式開挖。1區(qū)西側(cè)近地鐵、南側(cè)近龍耀路隧道，為減小圍護墻無支撐暴露面積和時間，采用留土護壁，護壁土再分小塊開挖，并限制每塊開挖和支撐形成時間在24 h內(nèi)；其余兩側(cè)為臨時中隔墻，變形控制要求較寬松，采用大開挖（圖8、圖9）。

圖8 1區(qū)第2、3層土方開挖分塊示意

圖9 1區(qū)第2、3層土方開挖順序

3）第4層土方開挖至裙樓底板墊層底，土方總量約30 000 m3。為及時對坑底進行壓載、控制坑底隆起，第4層土方也需分塊開挖，開挖分塊一般根據(jù)底板后澆帶進行劃分，由于西側(cè)、南側(cè)根據(jù)后澆帶分塊較大，不利于控制該兩側(cè)的基坑變形，因此通過在底板增加施工縫將西側(cè)、南側(cè)土方開挖分塊再予以細分，整個第4層土方共分為7塊開挖，隨挖隨澆搗墊層，并及時施工底板完成坑底壓載（圖10、圖11）。

圖10 1區(qū)第4層土方開挖分塊示意

圖11 1區(qū)第4層土開挖順序

2.3 開挖實施效果分析

上海國際航空服務(wù)中心（X-1地塊）項目大區(qū)基坑開挖采用此技術(shù)取得了良好的效果（圖12）。

圖12 1區(qū)底板完成后各側(cè)地下連續(xù)墻測斜變形曲線

由圖12可知，西側(cè)地下連續(xù)墻側(cè)P23點和南側(cè)永久地下連續(xù)墻側(cè)P21點測斜明顯小于中隔墻P09、P18點的測斜，達到了犧牲中隔墻變形以加快開挖速度、保護地鐵側(cè)或永久地下連續(xù)墻側(cè)的目的，但也需注意適當控制中隔墻變形，不能因中隔墻變形過大而導(dǎo)致滲漏等風(fēng)險出現(xiàn)。另外，由P21、P23點的對比也可看出，滿堂加固側(cè)的P23點變形比非連續(xù)加固側(cè)的P21點測斜變形要小，可見土體滿堂加固也對地下連續(xù)墻變形起著至關(guān)重要的作用。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在1區(qū)開挖至底板完成期間，其開挖范圍內(nèi)對應(yīng)的地鐵沉降點最大下沉1.2 mm，最大上抬1.5 mm，開挖范圍內(nèi)的地鐵隧道自身差異沉降約10 mm，地鐵總體變形較小，且趨勢平穩(wěn)。

3 緊鄰地鐵窄條形小坑土方開挖技術(shù)

3.1 窄條形小坑土方工程特點

1）基坑呈窄條狀，開挖面積小，一般單坑面積在1 000 m2以內(nèi)，土方量小。

2）除第1道鋼筋混凝土支撐外，下方多為φ609 mm鋼管對撐，不設(shè)圍檁，支撐直接撐在地下連續(xù)墻上，可以實現(xiàn)快速支撐。

3）坑內(nèi)采用三軸水泥土攪拌樁滿堂加固，坑內(nèi)土體強度較高。

4）近地鐵窄條坑開挖均在相鄰大坑地下室結(jié)構(gòu)完成后進行。開挖窄條坑時，一方面通過大坑的回筑壓載，穩(wěn)定了深大基坑的開挖隆起，同時由于窄條坑內(nèi)土體的加固作用，坑內(nèi)土體的回彈較小，加之窄條坑兩側(cè)較深地下連續(xù)墻的遮擋作用，窄條坑卸荷狀態(tài)下其深層土體滑移影響也較小。

3.2 窄條形小坑土方開挖要點

以6區(qū)土方開挖為例，其余分區(qū)開挖要點類同。

1）首層土方開挖深度較淺，不對基坑變形造成影響，分塊開挖、限時沒有要求。

2）第2～4層土方分小段開挖，做到快速開挖支撐。第2、3層土方分塊結(jié)合支撐布置，每2～4根支撐劃分一塊（圖13），每塊土方開挖到支撐軸力施加完成不超過24 h。第4層土方開挖分塊結(jié)合底板澆筑分塊進行劃分，并隨挖隨澆筑墊層。為進一步控制圍護墻側(cè)向位移，在坑底墊層內(nèi)加設(shè)型鋼支撐，并施加300 kN軸力。

圖13 6區(qū)土方開挖分塊示意

3）為加快挖土速度，采用2套挖土設(shè)備，每層土方由中間向兩端（或由兩端往中間）推進開挖；同時第2層及以下土方在起始開挖點提前抽條下挖一個操作面（下挖深度2～3 m，下挖寬度5～6 m，圖14），以解決小挖機下沉緩慢的難題，加快開挖速度。

3.3 開挖實施效果分析

6區(qū)從第2層土方開挖至底板完成僅用了18 d時間，即使施工過程中遇到雨季，也比地鐵公司要求的20 d提前了2 d。

6區(qū)開挖施工期間，地下連續(xù)墻測斜變形最大處僅為3.6 mm，遠遠小于地鐵公司要求的10 mm。

圖14 第2層及以下土方開挖時下挖操作面示意

4 結(jié)語

1）為控制基坑變形，緊鄰地鐵軟土深大基坑土方開挖總體上需應(yīng)用“時空效應(yīng)”原理，分層分塊開挖，合理安排挖土流程，限時開挖支撐，盡可能減小圍護墻無支撐暴露面積和時間。

2）大坑開挖主要控制坑底隆起和深層土體位移，加快單個基坑施工速度，縮短單個基坑整體施工時間，對控制基坑變形是有利的。因此大坑開挖可采用“半盆式”開挖法，對于環(huán)境保護要求較低一側(cè)，如除沿地鐵側(cè)以外的中隔墻側(cè)，不留土護壁，其余側(cè)仍留土護壁，開挖方向為從環(huán)境保護要求低的中隔墻側(cè)向靠近地鐵和環(huán)境保護要求相對較高的外圍護墻側(cè)，從而加快整體開挖進度，有利于基坑變形控制[4-6]。

3）窄條坑開挖主要控制鄰地鐵側(cè)地下連續(xù)墻的側(cè)向位移，窄條坑開挖結(jié)合基坑長條狀，沿基坑長邊分小段（每2～4根支撐為一段）進行開挖，做到快速開挖、快速支撐。