鄰近地鐵邊深基坑工程設計與施工實踐

趙永洪,鮑志杰,姬耀斌

(1.浙江中材工程勘測設計有限公司,浙江 杭州 310022；2.浙江省工程物探勘察院 ,浙江 杭州 310005)

隨著城市地下空間的開發,各建構筑物之間,距離越來越近,因此相互之間的影響不容忽視。為確保安全,深基坑工程對鄰近地鐵隧道的影響成為需研究的重點問題。

工程界和學術界也進行了很多專題討論和學術交流。比如：李云安等[1]討論了土體參數對基坑變形計算的影響；王照宇[2]介紹了軟土地區深基坑開挖對周圍環境引起的影響和危害, 并提出了相應的環境保護原則和方法；劉艷等[3]討論了土體的粘彈性特性,采用了等效土體水平基床系數來反映基坑變形隨時間的變化情況；周兆平等[4]從施工角度討論了如何減小地鐵側基坑變形的技術措施；呂超等[5]利用模糊綜合評判法,建立超大超深基坑風險識別模型,對施工階段風險進行識別和評估,提高了對超大超深基坑工程的風險控制能力；丁智等[6]研究了浙江地區軟弱土深基坑側向變形特點；薛彥琪等[7]分析了上部開挖卸荷對地鐵變形的影響；黃茂松等[8]對國內外軟土地下工程研究現狀進行系統概括和評述,討論了軟土地下工程施工的環境土工效應問題。在這些研究成果與實踐的經驗總結之下,相關地區[9]陸續出臺了一些地鐵保護原則性規定和程序性文件,對地鐵隧道周邊施工,特別是深基坑工程從設計到施工方面都提出了嚴格要求。對控制基坑變形,采用分坑施工、設置地中壁等利用時空效應和加強圍護剛度均有良好效果[10-11],而對減小周邊地鐵變形可采用微擾動注漿等方式進行主動控制[12-14]。

本文以位于杭州市地鐵1號線邊的國芳基坑工程設計施工為例,較系統地介紹了該項目的設計施工全過程,特別是對施工中出現的問題，采取的措施和取得的效果進行了介紹和總結,這對類似深基坑工程對鄰近地鐵隧道的保護和實現設計施工信息化，具有重要參考意義。

1 工程概況

工程場地位于杭州市區,周邊緊鄰城市道路。按平面可分A/B兩個區塊,其中A區塊鄰近地鐵1號線,A區基坑工程周長約為388 m,基坑開挖面積8 258.5 m2,基坑開挖深度14.550 m。B區基坑工程周長約為579 m,基坑開挖面積約為20 152 m2,基坑開挖深度19.15 m。基坑總平面布置見圖1。

A區基坑為臨近地鐵隧道基坑,其北側地下室邊線距地鐵軌道線17.80～19.20 m,軌道直徑為6.20 m,軌道頂埋深18.245～21.527 m,設計時應嚴格控制該側圍護體的位移量,確保地鐵軌道的安全性。B區基坑在A區基坑東側,距地鐵軌道線較遠,本文主要討論靠地鐵較近的A區基坑。

圖1 基坑平面圖

本工程地下室開挖范圍內土層為①1素填土、②1黏質粉土、②2砂質粉土、②3粉砂、③1淤泥質粉質黏土。從地層上看,本基坑的特點是,基坑上部為粉砂土,下部分布有深厚軟土 ,地鐵隧道位于軟硬交接的部位,受力情況復雜(圖2)。加上隧道上地面堆有棄土,導致其既有變形較大。場地西側地下室開挖邊線在軌道交通規劃控制區邊線范圍內,距離軌道交通特別保護區邊線最近約15.0 m。由于基坑規模較大,距離地鐵較近,為更好地控制變形,設計考慮采用分坑支護分坑開挖方式,嚴格控制地鐵隧道變形。

設計采用分坑方式將大坑劃分為四個小坑,按B1—B2—A1—A2順序先后施工,坑邊圍護采用地連墻(排樁)+混凝土內支撐方式。鄰近地鐵邊采用隔離樁+地連墻+混凝土內支撐方式,其剖面見圖2。

圖2 臨近地鐵隧道剖面圖

具體做法是,先施工一排混凝土灌注樁,樁底進入粉砂層,作為地鐵隧道隔離樁,然后采用厚度1 000 mm 的混凝土地下連續墻作為坑壁支護體,采用三道混凝土現澆支撐作為內支撐。并在第二、第三道主撐上設置板帶,以增強支撐剛度。

對坑壁土體進行改良,先采用三軸水泥攪拌樁對坑壁進行加固,加固范圍為隔離樁與地連墻之間區域,增加門式體圍護結構剛度；第二是設置被動區加固,加固區域為第二道支撐至坑底以下5.00 m,加固寬度約6.00 m,并對地連墻兩側用攪拌樁做導墻,減小地連墻施工期坑壁變形。

經三維有限元計算,基坑開挖對地鐵隧道變形的影響(最大值)見圖3。

注：圖中X方向為沿隧道軸向,Y方向為垂直于隧道軸向,Z方向為豎直方向,各方向位移取最大值。

圖3中各工況對應狀態如下。工況1為初始狀態：地鐵隧道已經施工完畢,土體應力初始化,位移歸零；工況2為地下圍護結構施工,添加施工荷載；工況3為A-1開挖第1層土方,施工壓頂梁、第1道支撐；工況4為A-1開挖第2層土方,施工第2道支撐；工況5為A-1開挖第3層土方,施工第3道支撐；工況6為A-1開挖第4層土方至坑底；工況7為A-2開挖第1層土方,施工第1道支撐；工況8為A-2開挖第2層土方,施工第2道支撐；工況9為A-2開挖第3層土方,施工第3道支撐；工況10為A-2開挖第4層土方至坑底。

采用有限元分析表明,在圍護結構施工期地鐵的變形主要是沉降為主,引起變形的因素主要是施工超載。地下室開挖階段,變形主要體現在側向位移上,隨著挖深的增加,側向變形逐漸加大,當A-1區塊開挖到底后,側向變形趨于穩定。在開挖A-2區段時對最大變形值的影響較小。計算的困難表現在此階段難以考慮施工引起的土層損失和結構性擾動對變形的影響,土體參數取值有一定經驗成分,所以實際的變形如何需要在實施過程中監測,并采取應對調整措施。

2 項目實施過程及變形情況

2.1 圍護結構施工中變形情況

A區于2017年5月27日開始圍護結構施工,至2017年8月3日時地鐵隧道出現了變形報警,此時三軸水泥攪拌樁已經施工完成,地連墻施工完成約50%,地鐵隧道變形情況見表1。

表1 地鐵隧道監測變形情況(2017-08-03)

變形過大的主要原因是城市臨時施工管控造成部分墻體開孔到底后等待澆筑時間過長,有些甚至超過了12 h,導致軟土地層變形加大,甚至孔內部分區域可能坍塌,土層流失導致變形加大。另外上部地層主要為砂質粉土和粉砂,黏粒含量低,護壁泥漿的質量不理想,護壁效果較差。為了減小后期可能的變形,除調配更好質量的泥漿,保證及時澆筑混凝土外,在設計上采取了如下措施對圍護體進行了加強(圖4)：

1)增設支撐板帶,加強支撐體系剛度。

2)將一期、二期分隔的圍護樁臨近隧道的部分,調整為連續墻,增加一二期分隔圍護體的剛度,進一步控制A 區基坑中部的圍護體變形。

3)在A 區一期、二期靠近盾構隧道一側均勻設置總計6片地中壁連續墻,采用素混凝土連續墻(或根據施工需要設置少量構造鋼筋)底標高為坑底以下15 m,頂標高至地面,隨挖土同步進行地中壁的破除。施工過程注意控制施工分層厚度和地中壁兩側的土方高差,確保地中壁兩側的土壓力平衡,避免出現局部坍塌情況。

4)結構調整為連續墻、地下室外墻兩墻合一,避免出現肥槽,加大換撐時的結構剛度。

5)增加被動區數量,設置條帶狀被動區,形成坑底加固帶,增加被動區土體m值,進一步控制圍護體的變形。

圖4 基坑被動區調整平面

2.2 地下室開挖施工期隧道變形情況

至2018 年4 月1 日止,A 區圍護連續墻、三軸水泥攪拌樁、被動區加固、地中壁加固、壓頂梁及第一道內支撐均已施工完畢；A 區塊一期開挖至第一道支撐。此時隧道變形第二次報警。上行線(鄰近基坑側)出現顯著的沉降變形,最大沉降量約7.2 mm,超過預警值(圖5)。

根據變形發生的時間節點與施工工況的對比及歷次會議的專家分析,報警的主要原因為：

1)連續墻成槽施工使槽周圍土體的應力狀態由原來的K0狀態改變至液壓平衡狀變形。由于槽壁中各深度的泥漿壓力小于原始土體側壓力,槽壁土體因此產生變形。

2)隧道埋深主要影響區域的土體為淤泥質土層,地連墻成槽施工擾動該層土,使其強度降低,變形增加,從而使盾構隧道產生附加變形,且由于軟土的流變效應,該變形不易收斂,盾構隧道的附加變形較大。因此土層特性和連續墻施工過程的綜合因素為變形超標的主要因素。

3)A區施工過程中,隧道上方及附近存在重型車輛通行的情況(場地原堆土外運和施工荷載),也是造成隧道變形的另一重要因素。

圖5 隧道最大變形時程曲線

3 控制變形的措施及效果

根據變形情況,決定采取微擾動注漿加固方式控制隧道變形,加固區域沿隧道方向位于A區基坑中部,長度約60 m范圍,加固剖面見圖6,2018 年5 月開始注漿,直至A -1區塊底板施工完成,第三道內支撐拆除。

圖6 注漿剖面圖

注漿過程為：

1)2018年5—6 月上旬,進行微擾動注漿加固(6 次)；

2)2018年7月下旬,進行微擾動注漿加固(4 次)；

3)2018年10月1日至12月2日,微擾動注漿施工點增多,累計完成143 孔。

圖7 注漿前后水平位移曲線對比

圖8 注漿前后沉降曲線對比

注漿前后隧道的位移曲線(圖7、圖8)更為直觀地反應了隧道變形的變化情況,根據注漿前后曲線的對比分析,可以發現：

1)臨近隧道的變形隨著基坑的開挖,在5—10 月有顯著增加,該時間段,注漿加固量較少且間斷進行,效果不明顯,基坑變形主要受土方開挖影響。

2)2018 年10 月之后,注漿連續進行,效果顯著。該工況下,基坑開挖第二道支撐以下土方,并施工底板,同步進行微擾動注漿。該階段,圍護體挖土對隧道的影響較大,但同步進行的微擾動注漿對隧道變形起到了良好的控制作用,總體隧道的位移、沉降、收斂值均在好轉。

3)2018 年12 月,一期地下室底板已經施工完成,且已經拆除第三道支撐,一期最不利工況結束,對應區域隧道變形趨于穩定。

4)微擾動注漿對于隧道的各項變形數值均有顯著作用,并對隧道周邊土體起到了一定的加固作用,注漿取得一定效果。根據注漿過程監測報告,注漿效果如下：

水平位移改善2.4～6.5 mm；

沉降變形改善值-3.3～3 mm(+值為隆起,-值為沉降)；

收斂變形改善-0.1～5 mm(+值為徑向減小,-值為徑向增大)。

5) 目前A區一、二期地下室已施工完成,根據監測情況隧道豎向位移最大值為 -10.2 mm,水平位移最大值為 -11.9 mm,相對收斂最大值為- 8.7 mm?；娱_挖過程中水平位移、豎向位移、 相對收斂均在后續控制值以內,微擾動注漿基本達到整治目標。

4 結 語

1)本基坑鄰近運營地鐵隧道,對變形控制特別嚴格,在基坑設計過程中采用分坑方式劃大為小,并在鄰近地鐵側采用隔離樁和地連墻方式進行變形控制,是合理可行的。

2)基坑在地連墻施工期間,出現了未開挖但鄰近地鐵變形已經預警的情況,說明地連墻施工在軟土地區其施工擾動造成的土體變形較大,但這部分變形在設計中難以計算,需要根據實際情況做好設計和施工控制措施。為減小圍護結構施工期變形,可以設置隔離樁，采用較小地連墻斷面和分幅，設置導墻加固(攪拌樁導墻宜穿透軟土層)，采用優質泥漿、優化施工組織減小成孔后澆筑等待時間等方式控制。

3)采用設置地中壁,用攪拌樁加固地連墻被動區,加強支撐剛度等措施，可以減小開挖時地連墻的變形,設置兩墻合一可以避免因換撐不當造成的變形增加。但均屬于被動控制措施,不一定能滿足控制變形的要求。若要嚴格控制鄰近地鐵的變形還可以考慮主動控制措施。

4)設置微擾動注漿可以對施工期微變形進行主動調整,對過大變形進行一定程度的恢復,對周邊變形要求嚴格的工程能起到主動控制作用；但微擾動注漿需要嚴格控制好注漿壓力和由此產生的注漿變形,需要進行實時監測,對施工控制要求較高。微擾動注漿后位移有一定量的回彈損失量,為取得較好效果,對過大變形需要分區、分段、分層多次多點進行。