軟土地區(qū)臨近地鐵深基坑施工控制及監(jiān)測

周丁恒 周春鋒 李鳳嶺 劉 力

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

1 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵沿線的商業(yè)及民用建設也隨之跟進，導致高層建筑基坑越來越靠近地鐵車站或隧道。基坑開挖卸載會引起周圍土體的附加應力，從而對鄰近的既有車站或隧道結(jié)構產(chǎn)生附加荷載，過大荷載時則會影響車站或隧道結(jié)構的穩(wěn)定，進而影響到地鐵的正常與安全運營。

針對基坑臨近地鐵隧道此類問題，近年來，國內(nèi)外學者采用理論分析、數(shù)值計算及實測分析等手段進行了深入研究。在理論分析方面，隧道變形分析是關鍵，除常用的兩階段分析方法［1］外，部分學者提出了新方法，如周順華等［2］提出了與傳統(tǒng)算法不同的能量計算法來計算環(huán)間錯臺效應下基坑開挖引起的臨近地鐵盾構隧道變形；張世民等［3］建立了考慮軟土的流變性以及地基變形的連續(xù)性的Pasternak雙參數(shù)地基模型；此外，魏剛等［4］另辟方向，從荷載效應角度建立了基坑開挖引起的臨近既有地鐵隧道的附加荷載計算方法。數(shù)值計算是研究基坑臨近地鐵隧道的重要手段，張紅勇［5］對不同角度工況下基坑開挖對隧道結(jié)構變形與內(nèi)力影響進行了數(shù)值分析；馬永峰等［6］開展?jié)B流作用下基坑施工對隧道的影響性分析；李校峰［7］對深大基坑對地鐵隧道影響進行了三維數(shù)值分析；目前部分數(shù)值分析是與實測相結(jié)合，達到以實測驗證計算、計算補充實測的目的［8-11］。在單純實測分析方面，魏綱等［12］完成了臨近隧道的非對稱基坑的變形、受力的監(jiān)測分析工作。

相對于基坑臨近隧道，基坑臨近車站的工程實例相對較少，大部分為新建基坑對既有地鐵車站的分析，個別涉及到基坑和車站同期建設。綜上所述，目前關于基坑臨近地鐵結(jié)構的研究主要集中在隧道方向，少部分涉及到車站，基坑同時臨近車站和隧道的工程實例及研究非常少見，本文以此為出發(fā)點，針對某深基坑臨近地鐵換乘站和區(qū)間隧道，在闡述施工方案及控制措施的基礎上，以監(jiān)測為手段，分析軟土深基坑施工對車站和區(qū)間隧道的影響，以求豐富基坑臨近地鐵結(jié)構方面的研究。

2 工程概況及施工難點

2.1 基坑工程概況

杭州港龍城基坑基本呈矩形，平面尺寸約為265 m×130 m，開挖深度約15.8～16.3 m。基坑北側(cè)臨近地鐵1、4號線彭埠站及1號線彭埠站～七堡站盾構區(qū)間，基坑與地鐵結(jié)構平面位置關系如圖1所示。車站基坑開挖深度16 m，圍護采用800 mm厚地下連續(xù)墻，車站主體結(jié)構距基坑圍護結(jié)構外邊線約28 m。基坑范圍內(nèi)盾構線長210 m，隧道中心線埋深約16.3 m，隧道結(jié)構外邊線距基坑外邊線約15.4～17.7 m。港龍城基坑對地鐵影響等級為一級。

根據(jù)勘察報告，港龍城基坑所在區(qū)域地表以下68 m深度內(nèi)可劃分為8個工程地質(zhì)層，細分為13個工程地質(zhì)亞層，自上而下巖土層依次為：①雜填土、②粘質(zhì)粉土、③砂質(zhì)粉土、⑤砂質(zhì)粉土夾粉砂、⑥-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥-2淤泥質(zhì)黏土、⑧黏土、⑨-1粉質(zhì)黏土夾粉砂、⑨-2圓礫、⑨-2夾粉質(zhì)黏土夾粉砂、⑩-a全風化泥質(zhì)粉砂巖、⑩-b強風化泥質(zhì)粉砂巖和、⑩-c中等風化泥質(zhì)粉砂巖。地下水位埋深地表下1.2～2.9 m左右。

圖1 港龍城基坑與地鐵平面位置關系

2.2 基坑施工難點

（1）基坑開挖面積和深度大，長邊尺寸超過265 m，屬于超大基坑，且局部為超深基坑。對周邊環(huán)境尤其是地鐵車站、盾構隧道的時空效應影響非常大。

（2）場地存在較厚的粉土層，滲透系數(shù)大，地下水對本項目影響較大，臨地鐵側(cè)基坑必須做好止水措施，且不允許地鐵側(cè)進行降水施工。

（3）坑底以下為淤泥質(zhì)土，影響整體穩(wěn)定和變形控制。

（4）基坑開挖時北側(cè)地鐵1、4號線均已運行，根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構安全保護技術規(guī)范》（CJJ／T 202-2013）對接近程度和影響分區(qū)的定義，并結(jié)合基坑工程范圍內(nèi)分布有粉土、黏土和淤泥質(zhì)土，判定為基坑對1號線盾構隧道影響等級為1級，隧道保護要求高。

（5）基坑北側(cè)存在地鐵車站及出入口，基坑開挖容易造成地鐵附屬結(jié)構的變形和破壞。

3 基坑施工方案與控制措施

3.1 圍護方案

（1）為保護地鐵安全，利用基坑的空間效應，將基坑分區(qū)、分期施工，內(nèi)部設置分隔墻，基坑劃分兩大區(qū)域：Ⅰ區(qū)塊和Ⅱ區(qū)塊（見圖1）。其中Ⅱ區(qū)塊又分為Ⅱ-1、Ⅱ-2區(qū)塊，確保北側(cè)沿盾構隧道邊，基坑長邊不超過100 m。

（2）靠近地鐵隧道側(cè)圍護結(jié)構采用地下連續(xù)墻，圍護外側(cè)設置隔離樁，同時進行坑外主動區(qū)和坑內(nèi)被動區(qū)加固。其他三側(cè)圍護結(jié)構采用鉆孔灌注樁擋土，三軸攪拌樁止水。

（3）Ⅰ區(qū)塊設3道混凝土支撐，第二道鋼筋混凝土支撐以下土方開挖需嚴格按照分塊施工要求進行并適當預留反壓土。Ⅱ區(qū)塊第一、二道設置混凝土支撐，第三、四道采用可調(diào)節(jié)內(nèi)力鋼支撐。

（4）部分位置位于淤泥質(zhì)土層，坑內(nèi)被動區(qū)采用三軸攪拌樁加固。

3.2 施工順序優(yōu)化

Ⅱ-1區(qū)塊先于Ⅱ-2區(qū)塊施工，待Ⅱ-1區(qū)塊施工至底下一層樓之后，再開始Ⅱ-2區(qū)塊開挖。

Ⅱ-1區(qū)塊分5層開挖，每層又分為更小的區(qū)塊，第二層土方根據(jù)分隔圍護樁及抬高的三軸加固劃分為2個區(qū)塊，由東至西編號1～2，土方開挖順序為：1→2。第三、四層土方根據(jù)支撐分布劃分為3個區(qū)塊，由東至西編號1～3，開挖順序為：1→2→3。第五層土方根據(jù)地下室底板后澆帶劃分為2個區(qū)塊，由東至西編號1～2，開挖順序為：1→2。Ⅱ-2區(qū)塊同樣分為5層施工，每層又分為更小的區(qū)塊，第二層土方根據(jù)分隔圍護樁及抬高的三軸加固劃分為3個區(qū)塊。第三、四層土方根據(jù)支撐分布劃分為5個區(qū)塊。第五層土方根據(jù)地下室底板后澆帶劃分為3個區(qū)塊。

3.3 地鐵保護措施

3.3.1 加強墊層

為便于底板土方開挖后及時傳力，Ⅱ區(qū)塊及Ⅰ區(qū)塊近地鐵結(jié)構側(cè)一定范圍內(nèi)墊層增加A8＠200 mm的單層鋼筋網(wǎng)片，同時厚度增加到300 mm，混凝土強度改為C25。

3.3.2 增設型鋼支撐

Ⅰ區(qū)塊開挖后施工地下室主體結(jié)構。在Ⅰ區(qū)塊地下室主體結(jié)構外側(cè)，Ⅱ區(qū)塊西、北側(cè)圍護為地下連續(xù)墻，東、南側(cè)為排樁支護。Ⅱ區(qū)塊內(nèi)布置排樁，將其分隔為東西2個區(qū)塊。

Ⅱ區(qū)塊內(nèi)支撐是角撐＋對撐的平面支撐體系，采用3道鋼筋混凝土內(nèi)支撐＋1道預應力鋼支撐，其中第四道鋼支撐采用H350×350×12×19 mm型鋼組合式支撐，剖面如圖2所示。支撐豎向立柱底部為鉆孔灌注樁，開挖面以上立柱采用角鋼綴板式鋼格構柱，其截面尺寸為480 mm×480 mm，角肢采用∠160×14 mm角鋼。兩個區(qū)塊圍護結(jié)構荷載傳遞方式如圖3所示。

圖2 預應力型鋼組合式支撐剖面圖

圖3 Ⅰ、Ⅱ區(qū)塊圍護剖面及型鋼支撐示意

3.3.3 支撐換撐及拆除

由于地鐵盾構線基本位于Ⅰ區(qū)塊地下室三層范圍內(nèi)，第四道鋼支撐和第三道支撐拆除對圍護結(jié)構應力變形影響大。Ⅰ區(qū)塊沿盾構線一側(cè)底板設置斜向換撐，一端支撐于底板，另一端支撐于第四道鋼筋混凝土圍檁上。而Ⅱ區(qū)塊地下室底板施工完成后，則保留第四道鋼支撐。Ⅰ區(qū)塊斜向換撐施工完成達到設計強度，Ⅱ區(qū)塊保留第四道鋼支撐的條件下，拆除第三道支撐，施工地下二層樓板。

由于第四道鋼支撐和斜向換撐位于盾構隧道腰部位置，保留該道支撐和設置斜向換撐將有效控制圍護結(jié)構以及盾構隧道的水平位移，確保拆撐安全。同時港龍城基坑圍護結(jié)構地下連續(xù)墻二墻合一，圍護結(jié)構兼作地下室外墻，保留的H型鋼支撐不增加地下室施工的難度，無需設置地下室外墻穿H型鋼的止水片。僅需地下室頂板施工完成后拆除。

3.3.4 隔離樁及加固措施

（1）Ⅰ區(qū)塊沿盾構隧道一側(cè)長度超過60 m，基坑面積大，施工時間長，空間和時效效應差。在Ⅰ區(qū)塊沿盾構隧道一側(cè)采用雙排圍護結(jié)構形式（地下連續(xù)墻外加一排大直徑鉆孔灌注樁），保證了圍護結(jié)構控制變形所需的剛度。

（2）坑內(nèi)設置被動區(qū)加固措施，在該側(cè)鋼筋混凝土支撐頂面一定范圍設置鋼筋混凝土板，加大了支撐的剛度，進一步減小了圍護結(jié)構側(cè)向位移。

3.3.5 控制止水帷幕質(zhì)量

在本工程土質(zhì)條件下，地鐵結(jié)構基礎對管涌和滲流異常敏感，不允許止水帷幕有缺陷。為保證地鐵側(cè)止水帷幕質(zhì)量，確保其連續(xù)性，地鐵側(cè)設置地下連續(xù)墻外＋三軸水泥攪拌樁的雙重止水帷幕，三軸攪拌樁同時起到槽壁加固和止水帷幕作用。

3.3.6 減少基坑暴露時間

為保證基坑及地鐵運營的安全，盡量減少基坑暴露的時間，實施24 h搶工。

3.3.7 增加監(jiān)測頻率

加強Ⅱ區(qū)塊土方開挖監(jiān)測頻率。

3.3.8 地鐵周邊的施工荷載控制措施

嚴格控制地鐵側(cè)施工荷載，嚴禁挖土、運輸機械等動荷載行駛。基坑外10 m范圍內(nèi)、外施工荷載分別不超過15 kN／m2、5 kN／m2。

若地鐵側(cè)行駛運輸車輛等重型動荷載機械時，需設置棧橋，減小機械動荷載對盾構變形的擾動影響。

4 地鐵監(jiān)測結(jié)果與分析

港龍城基坑施工過程中，按照與基坑距離遠近，地鐵隧道監(jiān)測對象分別有1號線上行線、4號線入段線、4號線預留延伸段、4號線出段線、1號線出段線和1號線下行線。此外，對地鐵車站亦進行了施工監(jiān)測。本文以距離基坑最近的1號線上行線、4號線入段線和地鐵車站監(jiān)測結(jié)果為研究對象，分析港龍城基坑施工對地鐵結(jié)構的影響規(guī)律。1號線上行線、4號線入段線和地鐵車站監(jiān)測項目均包括沉降、差異沉降、水平位移和收斂位移。

4.1 1號線上行線

1號線上行線沿基坑邊緣分別布置44個測點，分別監(jiān)測豎向位移、差異沉降、水平位移及收斂變形變化情況。

4.1.1 豎向位移

不同施工階段1號線上行線豎向位移監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：（1）Ⅰ區(qū)塊開挖后，1號線上行線大部分測點豎向位移表現(xiàn)為隆起，少部分測點出現(xiàn)沉降位移，豎向位移范圍為 -1.0～2.5 mm；（2）因為Ⅰ區(qū)塊開挖后，地下、地上結(jié)構施工持續(xù)時間長達8個月，在土體變形時間效應主導下，各測點豎向位移發(fā)生變化，尤其是與Ⅰ區(qū)塊接近的編號22～36測點豎向位移明顯變化，最大變化幅度為5.5 mm；（3）Ⅱ-1區(qū)塊開挖后，各測點豎向位移繼續(xù)增加，但均在1 mm以內(nèi)變化；（4）Ⅱ-2區(qū)塊開挖至第二層土體時，各測點豎向位移變化不大，以Ⅱ-1區(qū)塊和Ⅱ-2區(qū)塊至第二層土體開挖引起豎向位移變化情況，可預判出Ⅱ-2區(qū)塊全部開挖引起的豎向位移變化較小。港龍城基坑開挖至Ⅱ-2區(qū)塊第二層土體后，各測點豎向位移測值范圍為4.0～-6.6 mm。

圖4 1號線上行線不同施工階段豎向位移監(jiān)測結(jié)果

4.1.2 差異沉降

不同施工階段1號線上行線差異沉降監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。差異沉降隨施工階段變化規(guī)律不明顯，Ⅱ-2區(qū)塊第二層土體開挖后差異沉降分布與Ⅱ-1區(qū)塊開挖后差異沉降分布基本一致。4個施工階段中，差異沉降測值變化范圍為-1.2～2.5 mm。

圖5 1號線上行線不同施工階段差異沉降監(jiān)測結(jié)果

4.1.3 水平位移

不同施工階段1號線上行線水平位移監(jiān)測結(jié)果如圖6所示，水平位移變化存在以下特征：（1）Ⅰ區(qū)塊開挖后，各測點水平位移在-0.5～1.2 mm范圍內(nèi)；（2）結(jié)構施工階段，44個測點水平位移呈現(xiàn)“基坑中間大，兩邊小”的特征，且中間處測點變化明顯，測值增大最大達到3.0 mm；（3）“中間大，兩邊小”的特征在后續(xù)施工階段繼續(xù)保持，Ⅱ-1區(qū)塊和Ⅱ-2區(qū)塊第二層土體開挖引起的水平位移變化較小。全過程中水平位移測值變化范圍為-2.0～4.1 mm。

圖6 1號線上行線不同施工階段水平位移監(jiān)測結(jié)果

4.1.4 收斂變形

不同施工階段1號線上行線收斂變形監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：（1）隨著基坑開挖，1號線上行線收斂變形發(fā)展，Ⅰ區(qū)塊開挖后收斂變形最大測值為4.9 mm；（2）與豎向位移情況相似，結(jié)構施工階段收斂變形持續(xù)發(fā)展，最大收斂變形達到14.5 mm，土體變形時間效應非常明顯；（3）Ⅱ-1區(qū)塊開挖后，收斂變形進一步增大，且各點增大趨勢與結(jié)構施工階段基本一致，最大收斂變形為20.8 mm；（4）Ⅱ-2區(qū)塊第二層土體開挖后，收斂變形變化很小，變化幅度小于0.5 mm，其中部分測點收斂變形有所減小。整體而言，4個施工階段收斂變形沿著地鐵結(jié)構分布形式基本一致。

圖7 1號線上行線不同施工階段收斂變形監(jiān)測結(jié)果

4.2 4號線入段線

不同施工階段4號線入段線收斂、水平位移、沉降、差異沉降監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。Ⅰ區(qū)塊開挖結(jié)束后，上述指標未開始監(jiān)測，因此圖形中未包括Ⅰ區(qū)塊開挖階段位移情況。

圖8 4號線入段線不同施工階段差異沉降監(jiān)測結(jié)果

由圖8可知：（1）Ⅰ區(qū)塊結(jié)構施工后，各測點收斂、水平位移、沉降、差異沉降均完成大部分，Ⅱ-1區(qū)塊和Ⅱ-2區(qū)塊第二層土體開挖引起的上述位移指標變化相對較小，部分測點非常小；（2）由于Ⅱ-1區(qū)塊開挖完成，Ⅱ-2區(qū)塊只開挖至第二層土體，所以Ⅱ-1區(qū)塊開挖引起的位移變化量要大于Ⅱ-2區(qū)塊開挖至第二層土體引起的位移變化；（3）施工全過程中，收斂、水平位移、沉降、差異沉降測值范圍分別為-1.6～3.5 mm、-3.6～2.1 mm、-3.1～3.1 mm和-1.7～1.5 mm。

4.3 地鐵車站

不同施工階段地鐵車站位移監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：（1）車站6個測點豎向位移均表現(xiàn)為隆起，Ⅰ區(qū)塊結(jié)構施工后，豎向位移測值達到峰值，Ⅱ-1、2區(qū)塊開挖階段，豎向位移則逐漸減小，表明Ⅱ區(qū)塊開挖對車站豎向位移控制有利。整體而言，結(jié)構施工階段豎向位移較其他階段要大。（2）差異沉降變化總體趨勢為隨開挖進展逐漸增大，至Ⅱ-2區(qū)塊第二層土體開挖，差異沉降最大測值約為-3 mm。（3）對于水平位移，Ⅱ區(qū)塊開挖和結(jié)構施工階段測值在-1～1 mm范圍內(nèi)變化。但Ⅱ-1區(qū)塊開挖對車站水平位移影響較大，該階段下水平位移最大變化值約為2 mm。Ⅱ-2區(qū)塊第二層土體開挖后，水平位移測值變化較小。

圖9 不同施工階段地鐵車站位移監(jiān)測結(jié)果

4.4 地鐵變形控制效果

杭州地鐵已建區(qū)間隧道變形控制標準如表1所示，對于運行期隧道，豎向沉降控制標準為10 mm，水平位移控制標準為5 mm。至Ⅱ-2區(qū)塊第二層土體開挖，豎向沉降和水平位移最大測值分別為6.6 mm、4.5 mm，滿足控制要求，按照基坑監(jiān)測趨勢，可預判Ⅱ-2區(qū)塊施工完成后，位移指標亦能滿足控制要求。

_表1_杭州地鐵已建區(qū)間隧道變形控制標準

5 結(jié)束語

（1）在分區(qū)施工的基礎上，提出了加強墊層、增設型鋼支撐、隔離樁及加固、施工荷載控制等地鐵保護措施，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示，臨近基坑的地鐵結(jié)構變形得到了較好控制。

（2）Ⅰ區(qū)塊開挖及結(jié)構施工階段，位移指標過大，為控制Ⅱ區(qū)塊施工對地鐵結(jié)構的影響，將Ⅱ區(qū)塊分區(qū)施工，同時優(yōu)化Ⅱ-1和Ⅱ-2區(qū)塊各層施工順序，Ⅱ區(qū)塊施工監(jiān)測顯示地鐵結(jié)構變形量相對于Ⅰ區(qū)塊施工階段要小得多，分區(qū)、分層施工控制了地鐵結(jié)構變形。

（3）Ⅰ區(qū)塊地下、地上結(jié)構施工階段持續(xù)時間長，軟土變形時間效應下，1號線上行線位移指標變化較其他階段要大，實際施工過程中需要控制結(jié)構施工時間，以避免土體流變效應產(chǎn)生的不利影響。