鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵的深基坑開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)及控制措施*

黃軍華，周志健，劉鑫坤，張士騰，石笑笑

(中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

0 引言

在地鐵上蓋建(構(gòu))筑物的深基坑土方開(kāi)挖工程，導(dǎo)致鄰近地鐵周圍原狀土體變形，從而影響城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)。尤其是深基坑土方開(kāi)挖過(guò)程中，存在多種潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素，需準(zhǔn)確辨析識(shí)別深基坑土方開(kāi)挖環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)性地采取專項(xiàng)措施控制相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。基坑開(kāi)挖各工序、開(kāi)挖時(shí)間、圍護(hù)形式、開(kāi)挖深度等均對(duì)地鐵隧道變形有一定影響，通過(guò)分析各因素控制要點(diǎn)，確保深基坑施工和城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全，有重要意義。

在中穿軟土層基坑群、已正運(yùn)營(yíng)城市地鐵隧道的深基坑工程中，通過(guò)收集深基坑在土方開(kāi)挖階段的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，闡述深基坑不同環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)運(yùn)營(yíng)城市地鐵的影響程度，針對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)因素采取專項(xiàng)應(yīng)對(duì)控制措施，分析施工過(guò)程中需重點(diǎn)把握的方向。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

天閱海河項(xiàng)目位于天津市河北區(qū)地鐵6號(hào)線北運(yùn)河站，占地面積10.91萬(wàn)m2，總建筑面積43.595萬(wàn)m2，由南北A，B街坊共6期地塊組成，包括住宅、酒店式公寓、地下車庫(kù)、寫(xiě)字樓及相關(guān)附屬設(shè)施等。地下室及地上商業(yè)為框架結(jié)構(gòu)，地上主樓為剪力墻結(jié)構(gòu)。

1.2 中穿地鐵基坑群概況

天閱海河項(xiàng)目是通過(guò)城市連廊系統(tǒng)，將地鐵、商業(yè)、辦公、住宅無(wú)縫對(duì)接，在軟土地區(qū)與時(shí)速60km運(yùn)營(yíng)地鐵結(jié)建上蓋的站城一體化綜合體，第三方評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為特級(jí)。運(yùn)營(yíng)地鐵中穿2A，2B，3A，3B期基坑群。其中地鐵西側(cè)2A，3A期為地下2層，深度11.8m；地鐵東側(cè)2B，3B期為地下3層，深度17.1m。地鐵車站主體為地下3層，長(zhǎng)度為189m，盾構(gòu)區(qū)間為地下2層，長(zhǎng)度為100m。

1.3 水文地質(zhì)條件

天閱海河項(xiàng)目地處富水軟土地區(qū)，上部主要為粉質(zhì)黏土和雜填土，影響基坑水層有潛水層和第一承壓水層，并且運(yùn)營(yíng)地鐵隧道區(qū)間處于第一承壓水層。經(jīng)勘測(cè)，水位埋深2.00～5.00m，相當(dāng)于標(biāo)高-0.740～1.440m，同時(shí)靜止水位埋深1.10～3.10m，相當(dāng)于標(biāo)高0.430～2.330m。

表層地下水屬潛水，主要由大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)形式排泄，水位隨季節(jié)有所變化，一般年變幅為0.50～1.00m。

1.4 周邊環(huán)境

項(xiàng)目位于河北區(qū)辛莊大街，東側(cè)為已施工完成的新建小區(qū)，南側(cè)為富堤路及京杭運(yùn)河，西側(cè)為建筑物和富堤路，北側(cè)為待建的3A，3B期空地，在2A，2B期地下結(jié)構(gòu)完成后方可施工。2A，2B期工程距西南側(cè)既有建筑物最近約10m，距南側(cè)富堤路約5m，距北運(yùn)河西側(cè)、南側(cè)約52m。本工程地下管線距深基坑較遠(yuǎn)，分布在第1，5期東側(cè)新建道路上。深基坑土方開(kāi)挖對(duì)既有管線不產(chǎn)生影響。

1.5 地鐵、基坑變形控制指標(biāo)

1)地鐵變形主要控制指標(biāo)如表1所示。

表1 地鐵變形控制指標(biāo)

2)基坑變形控制指標(biāo)如表2所示。

表2 基坑變形控制指標(biāo)

2 基坑風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 運(yùn)營(yíng)地鐵兩側(cè)同時(shí)開(kāi)挖不同深度基坑

本工程2A，2B，3A，3B期橫跨地鐵6號(hào)線，第1，4期在地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)。地鐵兩側(cè)基坑高差5.3m，基坑不對(duì)稱開(kāi)挖難度巨大，對(duì)深基坑變形控制和運(yùn)營(yíng)地鐵隧道區(qū)間變形控制要求極大。

2.2 降水工程易引起基坑、地鐵區(qū)間變形

項(xiàng)目南側(cè)及西側(cè)緊鄰北運(yùn)河，開(kāi)挖前要保證水位達(dá)到開(kāi)挖要求并維持穩(wěn)定，如遇突變，需采取有效應(yīng)對(duì)措施。深基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)為淤泥質(zhì)土，開(kāi)挖過(guò)程中，盾構(gòu)段兩側(cè)土體隆起及支護(hù)水平位移控制要求嚴(yán)格，因此對(duì)基坑降水要求較高，需對(duì)降水進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，并做到按需降水、同期降水。

在富水軟土地區(qū)，運(yùn)營(yíng)地鐵結(jié)構(gòu)在周圍工程活動(dòng)以及自身滲漏等條件下會(huì)產(chǎn)生明顯變形，給地鐵結(jié)構(gòu)使用功能和安全性能帶來(lái)不利影響。在地下水較高的地區(qū)進(jìn)行基坑開(kāi)挖需采取降水措施保證基坑穩(wěn)定，大面積降水將引起周圍地面沉降，并導(dǎo)致鄰近地鐵結(jié)構(gòu)變形。基坑開(kāi)挖期間受抽降地下水影響，水位下降引起鄰近地鐵隧道產(chǎn)生附加應(yīng)力，會(huì)引起地鐵發(fā)生沉降變形。在地鐵兩側(cè)同時(shí)施工基坑受不均衡降水影響，地鐵兩側(cè)產(chǎn)生水頭差，還會(huì)引起地鐵側(cè)向扭曲變形。

2.3 運(yùn)營(yíng)地鐵兩側(cè)深基坑位移控制難

基坑開(kāi)挖卸荷影響土層原有應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致變形增大，繼而傳遞至鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)，引起地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形，過(guò)大的變形導(dǎo)致管片連接張開(kāi)、錯(cuò)臺(tái)、軌道翹曲變形，影響地鐵運(yùn)營(yíng)安全，進(jìn)而造成沉降差異。近地鐵施工期間，基坑與地鐵相對(duì)位置關(guān)系直接影響地鐵變形趨勢(shì)和大小，基坑距地鐵越近，隨土方開(kāi)挖卸荷后地鐵變形越大、變形速率越靈敏，近地鐵基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)地鐵產(chǎn)生水平位移、豎向位移、隧道結(jié)構(gòu)收斂變形。基坑開(kāi)挖期間，地鐵隧道位移變化規(guī)律取決于圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體變形發(fā)展，變形最大位移出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖面附近，基坑距地鐵越近，基坑開(kāi)挖帶來(lái)的地鐵安全風(fēng)險(xiǎn)越大。

2.4 深基坑外部結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量導(dǎo)致滲漏風(fēng)險(xiǎn)

本項(xiàng)目外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)為止水帷幕與地下連續(xù)墻，止水帷幕施工存在垂直度把控不嚴(yán)格等情況，導(dǎo)致偏位嚴(yán)重，搭接存在質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致滲漏風(fēng)險(xiǎn)；止水帷幕施工孔深把控不嚴(yán)格，出現(xiàn)深度不足情況，導(dǎo)致滲漏風(fēng)險(xiǎn)；旋噴注漿過(guò)程中未達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，提管速度過(guò)快，將導(dǎo)致成活質(zhì)量效果差，影響止水帷幕施工質(zhì)量，存在滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

地下連續(xù)墻施工過(guò)程中，如相鄰兩幅地下連續(xù)墻存在垂直度偏差，造成地下連續(xù)墻開(kāi)叉，存在滲漏風(fēng)險(xiǎn)；相鄰兩幅地下連續(xù)墻施工過(guò)程中，接口處未清刷干凈易導(dǎo)致接縫處滲漏；施工過(guò)程中極易出現(xiàn)塌孔、墻體夾泥渣等地下連續(xù)墻質(zhì)量通病，以上均將造成乃至加大深基坑滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 深基坑坑底突涌風(fēng)險(xiǎn)

本項(xiàng)目2B期基坑開(kāi)挖深度為17.1m，因地下基坑存在承壓水，當(dāng)承壓水水頭壓力大于不透水層承載壓力時(shí)，將導(dǎo)致坑底突涌。該風(fēng)險(xiǎn)將破壞地基強(qiáng)度，給深基坑開(kāi)挖造成極大困難。

2.6其他風(fēng)險(xiǎn)因素

由于基坑施工時(shí)間長(zhǎng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)累計(jì)變形大，可能引起止水帷幕開(kāi)裂、周邊道路變形、周邊管線變形等風(fēng)險(xiǎn)。開(kāi)挖過(guò)程中，抽降水造成基坑周邊減壓水頭變化，導(dǎo)致周邊環(huán)境沉降，使周邊管線發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致變形、爆裂事故；周邊構(gòu)造物出現(xiàn)不均勻沉降，亦導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等病害。

3 基坑風(fēng)險(xiǎn)控制措施

因運(yùn)營(yíng)地鐵兩側(cè)深基坑開(kāi)挖存在風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)近地鐵施工，在深基坑施工中采用如下控制措施：①通過(guò)BIM技術(shù)及三維有限元模擬技術(shù)，確定分倉(cāng)施工和支護(hù)設(shè)計(jì)方案；②針對(duì)本工程特點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬，分析區(qū)間隧道水平位移、車站主體水平位移、站體與隧道水平差異沉降、基坑周邊沉降和地鐵隆沉情況；③通過(guò)地鐵變形情況動(dòng)態(tài)調(diào)整開(kāi)挖步序，總結(jié)分析變形原因，土方整體采用島式開(kāi)挖方式，豎向分層、平面分塊，按照分層、平衡、限時(shí)開(kāi)挖原則，2道撐以下土體整體由遠(yuǎn)地鐵向近地鐵開(kāi)挖，2A，2B期基坑第3步土方對(duì)稱平衡開(kāi)挖完，2B期第4步土方由遠(yuǎn)及近開(kāi)挖，預(yù)留12m寬被動(dòng)反壓土，近地鐵區(qū)域采用抽條開(kāi)挖；④設(shè)置動(dòng)態(tài)水位控制井，作為第2道地鐵變形控制防線，當(dāng)發(fā)生隆沉?xí)r，在水頭高度上規(guī)避，基坑開(kāi)挖卸荷引起地鐵結(jié)構(gòu)上浮，通過(guò)承壓水抽排平衡地鐵結(jié)構(gòu)上浮，結(jié)合疏干井和水位控制井，整體控制水頭高度，保證開(kāi)挖降水深度，通過(guò)水頭高度耦合部分地鐵變形；⑤在地鐵變形控制中，采取地鐵區(qū)間反壓重物保證地鐵隆沉不超預(yù)警值，在2A，2B期基坑區(qū)間上方地鐵盾構(gòu)區(qū)間及站體位置，采用堆載土、堆載砂和型鋼相結(jié)合的方式進(jìn)行堆載反壓，堆載區(qū)域如圖1所示；⑥建立智能檢測(cè)系統(tǒng)；⑦做好地鐵風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案，通過(guò)動(dòng)態(tài)水位控制井及堆載反壓實(shí)施。

圖1 堆載反壓區(qū)域

3.1運(yùn)營(yíng)地鐵兩側(cè)深基坑位移控制措施

施工過(guò)程中，選用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、測(cè)量機(jī)器人等進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)使用地鐵安全智能平臺(tái)及微信群每日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)共享，預(yù)判關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并采取控制方法。

深基坑開(kāi)挖過(guò)程中的位移控制措施如下：①通過(guò)地鐵變形情況動(dòng)態(tài)調(diào)整開(kāi)挖步序，總結(jié)分析變形原因；②設(shè)置動(dòng)態(tài)水位控制井，作為第2道地鐵變形控制防線，當(dāng)發(fā)生隆沉?xí)r，在水頭高度上進(jìn)行規(guī)避，動(dòng)態(tài)調(diào)整坑內(nèi)外水頭高度控制坑內(nèi)外隆起，平衡地鐵沉降和隆起；③在地鐵變形控制中，使地鐵區(qū)間反壓重物保證地鐵隆沉不超預(yù)警值，并且動(dòng)態(tài)調(diào)整坑內(nèi)外水頭高度，平衡地鐵沉降和隆起。同時(shí)在2B期采取高壓旋噴施工加強(qiáng)基坑底部整體性的方法，防止基坑底部隆起(見(jiàn)圖2)。

圖2 高壓旋噴抗浮區(qū)域平面

3.2 降水工程引發(fā)地鐵區(qū)間變形控制措施

降水工程施工前進(jìn)行充分的調(diào)研和試驗(yàn)，以設(shè)計(jì)合理的降水方式。設(shè)置止水帷幕避免基坑外降水，同時(shí)設(shè)置回灌井系統(tǒng)保護(hù)鄰近地下水位。本項(xiàng)目以無(wú)壓回灌為主，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整回灌方式，回灌前設(shè)定初始回灌水頭，水頭低于初始水頭后啟動(dòng)回灌，達(dá)到初始水頭或略高于初始水頭后，回灌自動(dòng)停止(見(jiàn)圖3)。整個(gè)過(guò)程采用自動(dòng)化控制裝置，只需人工定期巡視即可。2A期分別設(shè)置第1,2層承壓水回灌井，回灌井交叉布置，其中車站范圍間距10m，對(duì)應(yīng)隧道區(qū)域間距5m，2B期開(kāi)挖深度較深，降水井深度進(jìn)入第一承壓水層，因此不設(shè)置第一承壓水層回灌井，考慮設(shè)置第二承壓水層回灌井，車站范圍間距15m，對(duì)應(yīng)隧道區(qū)域間距8m，在2A，2B期南側(cè)端頭按6m間距設(shè)置第一承壓水層回灌井。回灌井設(shè)置為鋼管井，自井底至地面回填優(yōu)質(zhì)石英砂等濾料，并用黏土封孔。回灌量為1.5～2.5m3/d，由于土方開(kāi)挖卸荷量大，產(chǎn)生的隆起變形遠(yuǎn)大于抽降地下水產(chǎn)生的變形，在基坑分界處的地鐵結(jié)構(gòu)兩側(cè)產(chǎn)生較大差異變形，利用坑外設(shè)置的回灌井采用伺服一體化系統(tǒng)進(jìn)行加壓回灌，使坑外地鐵結(jié)構(gòu)在水壓力作用下少量上浮，以減小分界位置差異變形。

圖3 回灌系統(tǒng)流程

3.3 基坑滲漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控及應(yīng)急措施

深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中的質(zhì)量控制包括止水帷幕鉆孔施工定位準(zhǔn)確，鉆機(jī)位置準(zhǔn)確保證鉆孔垂直度，旋噴注漿過(guò)程中準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)速、提速及噴射壓力等，同時(shí)注漿完成后及時(shí)增補(bǔ)漿液，保證止水帷幕完整性。檢測(cè)范圍包括地下連續(xù)墻和支護(hù)樁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲漏情況，通過(guò)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)較少，對(duì)滲漏位置進(jìn)行注漿堵漏，開(kāi)挖后通過(guò)觀察觀測(cè)井的水位變化驗(yàn)證相關(guān)情況。

地下連續(xù)墻施工過(guò)程中，應(yīng)注意地下連續(xù)墻導(dǎo)墻的準(zhǔn)確定位及開(kāi)槽過(guò)程中的垂直度和泥漿密度，防止出現(xiàn)塌孔、墻體夾泥渣等情況，同時(shí)在相鄰兩幅地下連續(xù)墻施工過(guò)程中，注意接茬處的清刷，保證接茬處干凈，減少滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

1)止水帷幕滲漏檢測(cè) 對(duì)深基坑支護(hù)體系止水帷幕滲漏缺陷的檢測(cè)方法有電阻率法、示蹤劑法、降水井法、高密度電法、自然電場(chǎng)法、溫度示蹤法、超深三維成像技術(shù)等。本工程采取電阻率法檢測(cè)支護(hù)滲漏。

2)高壓旋噴封堵 根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)滲漏部位采用高壓旋噴提前封堵，封堵合格后進(jìn)行土方開(kāi)挖。

3)預(yù)埋注漿管 根據(jù)滲漏檢測(cè)結(jié)果，提前對(duì)潛在滲漏風(fēng)險(xiǎn)部位預(yù)埋注漿管，以備出現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)啟用。

4)輕度滲漏可采用花管引流處理(見(jiàn)圖4)。

圖4 花管引流

5)滲漏較大時(shí)，坑內(nèi)灌注樁表面剔鑿出主筋，然后在樁間支設(shè)模板，并加焊鋼筋對(duì)模板利用水不漏將花管周邊封堵，將水有組織引出。坑外進(jìn)行雙液加固，直至坑內(nèi)導(dǎo)流管水流可控時(shí)關(guān)閉導(dǎo)流管閥門(mén)，注漿壓力控制值達(dá)到2MPa時(shí)，施工現(xiàn)場(chǎng)停止注漿，對(duì)滲漏點(diǎn)部位進(jìn)行查看，否則需要再補(bǔ)注。

6)嚴(yán)重滲漏時(shí)進(jìn)行坑內(nèi)導(dǎo)流、外側(cè)加固，若達(dá)不到封堵效果，應(yīng)及時(shí)采用坑內(nèi)素土進(jìn)行回填反壓，若仍不能阻止?jié)B流，則采取混凝土反壓措施直至控制滲漏。

3.4 基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)控制措施

1)預(yù)控措施 基坑底部與電梯井等較深區(qū)域，采用高壓旋噴樁對(duì)坑底進(jìn)行封底加固；保護(hù)減壓井，保持減壓井的完好性；降水電源進(jìn)行雙電源配置，保障降水延續(xù)性，防止斷電，在土方開(kāi)挖過(guò)程中關(guān)注勘探孔附近情況，如出現(xiàn)突涌現(xiàn)象時(shí)，能及時(shí)判斷突涌原因，并采取準(zhǔn)確的應(yīng)急措施。

2)應(yīng)急措施 啟動(dòng)減壓井降水，針對(duì)突涌部位，使用編織袋或麻袋裝土，四周碼砌并圍成井狀，同時(shí)使用反濾料進(jìn)行鋪填。必要時(shí)對(duì)土體突涌點(diǎn)采取局部高壓注漿補(bǔ)救措施，斷開(kāi)管涌路線，快速對(duì)突涌部位進(jìn)行填土反壓，嚴(yán)重時(shí)可直接澆筑混凝土進(jìn)行反壓，壓住涌水處。

3.5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過(guò)大

1)預(yù)控措施 支護(hù)體系變形過(guò)大可能導(dǎo)致止水帷幕開(kāi)裂滲漏，擬采取如下措施控制基坑變形：①嚴(yán)格控制坑邊的影響荷載，以達(dá)到設(shè)計(jì)限載要求；②動(dòng)態(tài)調(diào)整土方開(kāi)挖工況及進(jìn)度，減少坑底隆起及支護(hù)變形；③針對(duì)外圍支護(hù)樁間土體，掛設(shè)鋼板網(wǎng)、噴射快速凝固的混凝土，以防止雨季期間的支護(hù)樁間土體流失；④土方開(kāi)挖階段，可加快墊層混凝土施工速度，加厚墊層混凝土或在墊層加設(shè)一定配筋，以對(duì)基坑及時(shí)封底、支撐加固。

2)應(yīng)急措施 立即停止施工，分析數(shù)據(jù)是否有加大趨勢(shì)，及時(shí)采取坑外卸載、坑內(nèi)回填素土的方法，如不能有效控制變形，則采用混凝土填土反壓；啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，可臨時(shí)加設(shè)應(yīng)急支撐體系，以防止基坑變形和位移進(jìn)一步增大。

3.6 降水引起環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制措施

1)預(yù)控措施 本基坑承壓含水層的厚度較大，減壓降水方式對(duì)基坑周邊環(huán)境影響大，擬采用如下措施適當(dāng)減少不利影響：①減壓井降水時(shí)，應(yīng)根據(jù)土方開(kāi)挖深度，將地下水位降至開(kāi)挖面以下1m，并根據(jù)工程實(shí)際情況控制水頭高度，不能過(guò)度抽降；②加快施工進(jìn)度，縮短降水周期；③加強(qiáng)水位監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)調(diào)整降水運(yùn)營(yíng)。

2)應(yīng)急措施 停止開(kāi)挖、組織應(yīng)急搶險(xiǎn)，分析原因、組織專家論證盡快確定加固處理方案。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析土方工程的深基坑風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)急管控，針對(duì)深基坑變形等問(wèn)題，采取相應(yīng)應(yīng)急措施，以確保土方和地下結(jié)構(gòu)順利施工。

1)經(jīng)過(guò)對(duì)地層注漿加固，增加土體強(qiáng)度、剛度和抗?jié)B性，滿足基坑工程要求。

2)設(shè)置水位控制井，動(dòng)態(tài)調(diào)整水位高度，保持車站及隧道范圍承壓水水位穩(wěn)定不下降。

3)總結(jié)站城一體化綜合體施工成套技術(shù)，積累總承包管理經(jīng)驗(yàn)。

4)采取對(duì)稱、分層、分塊、限時(shí)、抽條的土方開(kāi)挖方式，一定程度上在深基坑土方工程、降水實(shí)施過(guò)程中，有效降低對(duì)城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形影響，嚴(yán)格控制運(yùn)營(yíng)地鐵兩側(cè)土方開(kāi)挖對(duì)稱性和同時(shí)性，保證連續(xù)性施工，控制地鐵車站及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。