深基坑開挖對鄰近既有地鐵高架的影響分析

田全紅

上海市建工設計研究總院有限公司 上海 200235

隨著我國經濟飛速的發展，城市更新建設的步伐也隨之加快。焦騫歐[1]對天津地區緊鄰既有地鐵車站的深基坑開挖工程進行了總結，并提出了應急措施。徐騰飛[2]對緊鄰南昌地鐵線的深基坑工程進行風險量化，并且對各影響因素進行風險評估。宋曉鳳等[3]以北京某深基坑為背景，對相互位置關系、結構圍護形式等進行研究。李明等[4]利用有限元軟件研究深基坑開挖在不同施工工序和支護形式等參數下對高架橋墩的影響。孫明祥[5]結合實際工程案例，對深基坑周邊的建筑物、地下水等監測數據進行整理分析，得出基坑開挖對周邊環境影響較小。田衛明等[6]針對不同圍護形式的基坑開挖對鄰近地鐵車站結構的印象程度進行比較，均滿足設計要求。筆者以上海虹口區某鄰近地鐵的深基坑為例，對其基坑開挖對鄰近地鐵高架橋墩的影響進行了計算，分析設計方案的可行性及安全性，以指導工程的基坑支護設計、施工及滿足工程的實施要求。

1 工程概況

背景項目位于上海市虹口區江灣鎮，用地范圍東至軌交3號線，西至三觀堂、南至萬安路、北至仁德路（圖1）。該項目包括1幢13層辦公塔樓和5層商業裙房，1幢4～5層商業樓，及地下3層汽車庫。

圖1 周邊環境示意

建筑±0 m相當于絕對高程＋4.60 m，平整后場地地面標高－0.70 m，基坑形狀呈規則多邊形，基坑開挖面積約7 630 m2，周長約360 m（東西向長86.6 m，南北向長116.0 m）。地下車庫區域基坑開挖深度15.9 m，基坑內集水井、電梯井局部落深1.5、3.0 m。因基坑大面積開挖深度為15.9 m，根據上海市地方標準，基坑安全等級為一級。

2 地質條件及周邊環境

2.1 土層分布情況

擬建場地原為工業廠房，后改為輕紡市場，勘察外業進場時發現，淺部填土存在較多混凝土地坪、基礎承臺和塊石等障礙物。擬建場地地勢較平坦，勘察期間測得的場地地面高程一般為3.58～4.23 m；平均高程為3.95 m。

本工程基坑開挖深度范圍內涉及①雜填土、②1粉質黏土、③1淤泥質粉質黏土、③2黏質粉土、④灰色淤泥質黏土、⑤1層黏土、⑤2層砂質粉土、⑤3層粉質黏土、⑧1層粉質黏土等土層，如基坑坑底主要位于④層。

2.2 地下水分布情況

上海淺部潛水位埋深一般為0.3～1.5 m，年平均地下水位埋深0.5～0.7 m。建議本場地高水位埋深可采用0.50 m，低水位埋深可采用1.50 m。設計計算時可根據安全需要選擇相應的水位值。

場地內微承壓水賦存于⑤2層，該層夾較多薄層粉砂，滲透性相對較好，水平滲透系數一般為2.03×10-4cm/s，屬中等透水層，水位埋深為地面下3.45～4.11 m。承壓水主要含水層為⑨1粉砂，為上海市第二承壓含水層，屬良好含水層，富水性好，滲透性好，水位埋深的變化幅度一般在3.0～11.0 m。

2.3 周邊環境概況

本項目基坑東側鄰近軌交3號線大柏樹站—江灣鎮站區間高架橋墩、淞滬鐵路鐵軌路基。基坑開挖邊線距建筑用地紅線最近6.7 m，距鐵路鐵軌邊線最近11.1 m，位于1倍基坑挖深范圍以內。

基坑開挖邊線距軌交3號線高架橋墩基礎邊線最近18.0 m，位于兩倍基坑挖深范圍以內，處于地鐵30 m保護區范圍以內，高架橋墩基礎形式為樁基＋承臺，φ800 mm鉆孔灌注樁，樁長47.0～55.5 m。

3 基坑圍護方案

3.1 圍護方案的總體思路

圍護墻采用地下連續墻擋土兼止水的結構形式，鄰近軌交側的墻厚1 000 mm，其他側的墻厚800 mm。考慮到本項目周邊環境較復雜，為了減小基坑施工對周邊環境的影響，同時保證成墻質量，地下連續墻施工前采取槽壁加固措施，采用φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁進行槽壁加固處理，坑外套打施工，坑內搭接施工。鄰近地鐵側的典型剖面如圖2所示。

3.2 基坑開挖施工工序

為了減小基坑開挖對周邊地鐵的不利影響，考慮到基坑開挖的時間效應和空間效應，將本工程基坑分為2個區先后施工（圖3）。先進行1區開挖施工，待1區地下結構施工出±0 m后，施工2區。具體施工工序如下：

圖2 鄰近軌交側典型剖面

圖3 基坑分區示意

1）施工準備、機械進場、場地內障礙物處理。

2）三軸攪拌樁槽壁加固，導墻、地下連續墻、高壓旋噴樁、立柱樁施工，養護達到設計強度，管井施工降水。

3）第1層土方開挖至－2.55 m，施工圈梁及第1道支撐并養護，強度達到設計強度的80%后，開挖第2層土方。

4）第2層土方開挖至－7.90 m，施工腰梁及第2道支撐并養護，強度達到設計強度的80%后，開挖第3層土方。

5）第3層土方開挖至－12.90 m，施工腰梁及第3道支撐并養護，強度達到設計強度的80%后，開挖第4層土方。

6）第4層土方開挖至基底、施工墊層、底板及傳力帶并養護，強度達到設計強度的80%，方可拆除第3道支撐（集水井、電梯井等落深區必須在大底板墊層施工結束，并且養護強度達到設計要求之后才能開挖土方并進行結構施工）。

4 基坑開挖對既有地鐵車站的影響分析

4.1 數值模型建立

綜合考慮分析問題的合理性和計算速度，采取二維平面應變有限元模型進行分析。

基坑圍護分析過程中，針對不同分析對象采用不同的單元類型和本構關系，具體如表1所示，分析模型的豎向底部采用全自由度約束，側面采用法向約束。由于基坑周邊行走挖土車輛，數值模擬過程中采用均布面荷載來模擬基坑周邊超載，超載為20 kPa。

4.2 結果分析

有限元分析結果顯示，基坑圍護墻側向變形值22.6 mm，引起的地面沉降為11.5 mm，根據上海市地方標準DG/T J08-61—2010《基坑工程技術規范》的規定，支護結構側向水平位移的限值為30 mm，地面沉降限值為25 mm，基坑開挖安全性得到了保證。由于基坑開挖引起的軌交高架橋橋墩水平與豎向變形均在10 mm以內，整體最大傾斜在0.4%以內，給軌交高架橋帶來的影響較小，在可控范圍內，保證了基坑開挖期間軌交的正常運營[6]。

表1 分析單元類型與本構模型

5 結語

以上海虹口區某鄰近既有地鐵高架橋墩的深基坑為背景，借助通用有限元分析軟件，建立了二維基坑開挖數值模型，對深基坑開挖造成的鄰近敏感性構筑物的變形進行了研究。主要結論如下：

1）深基坑開挖隨著坑內土的卸載，圍護結構的側向水平位移沿著頂部往下，逐漸增大，直到達到最大水平位移，呈現出“大肚子”形狀。

2）圍護結構側向水平位移最大變形值為22.6 mm，最大變形發生在坑底以上附近；地面沉降為11.5 mm，均滿足規范設計要求。

3）基坑開挖引起高架橋墩基礎的水平位移為8 mm，豎向沉降為2.4 mm，均滿足地鐵控制限值10 mm要求；橋墩樁基礎最大整體傾斜為0.02%，滿足地鐵控制限值0.4%的要求。

4）本工程利用數值分析結果作依托，與基坑施工期間的軌道交通監測數據相對比，計算數值大于監測數值，滿足軌道交通運營變形控制要求。綜上所述，本工程技術方案安全可行，選用計算模型與實際工程相符合，為今后類似工程提供案例支撐。