緊鄰地鐵隧道的深基坑工程設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)

陳 穎 張冬梅

1. 同濟(jì)大學(xué) 上海 200092；2. 上海申通地鐵集團(tuán)有限公司 上海 200070

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目情況

中美信托大廈工程地處上海市虹口區(qū)，位于吳淞路、蘇州路、乍浦路及天潼路合圍地塊內(nèi)，項(xiàng)目由2座15～23層塔樓及4層商業(yè)裙樓組成，基坑普通區(qū)域設(shè)置4層地下室，鄰近地鐵區(qū)域設(shè)置2層地下室。塔樓上部建筑外邊線與地鐵盾構(gòu)外邊線最小凈距為11.5 m。鄰近地鐵側(cè)地下2層區(qū)域挖深約10.4 m，結(jié)構(gòu)圍護(hù)外邊線與地鐵結(jié)構(gòu)外邊線最小凈距10.2 m；普遍區(qū)域?yàn)榈叵?層，挖深18.75～19.35 m，結(jié)構(gòu)圍護(hù)外邊線與地鐵結(jié)構(gòu)外邊線最小凈距22.2 m，基坑開挖總面積約10 000 m2，詳見圖1。

圖1 項(xiàng)目總平面

1.2 隧道結(jié)構(gòu)情況及控制措施

項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的地鐵區(qū)間為天潼路站—國(guó)際客運(yùn)中心站，該段區(qū)間為單圓通縫隧道，所處地層為④—⑤1，基坑位于隧道南側(cè)，基坑北面與隧道近似水平，最小水平凈距10 m，靠近基坑一側(cè)為地鐵上行線，隧道頂部埋深23.70～25.30 m，基坑與地鐵線路平行長(zhǎng)度約為110 m。

根據(jù)歷年來(lái)“深、大、近”這類基坑項(xiàng)目對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響數(shù)據(jù)分析，地鐵監(jiān)護(hù)管理部門已逐漸形成了一套較為適合上海軟土地質(zhì)情況的設(shè)計(jì)要求，主要有以下幾個(gè)方面[1-4]：

1）時(shí)空效應(yīng)（總體指導(dǎo)原則）：按照“先遠(yuǎn)后近”分區(qū)開挖支撐施工，各區(qū)應(yīng)嚴(yán)格按照“分區(qū)、分塊、對(duì)稱、平衡、限時(shí)”原則指導(dǎo)開挖。

2）“大坑”+“小坑”模式：適用于基坑與軌道交通距離近且對(duì)基坑變形控制要求較高的項(xiàng)目，通過設(shè)置1道臨時(shí)分隔墻，將大基坑分為遠(yuǎn)離軌道交通的大基坑和鄰近軌道交通的窄條基坑，從而使深大基坑相對(duì)遠(yuǎn)離軌道交通，先開挖遠(yuǎn)處的大基坑，通過快速施工完成大基坑底板澆筑，控制大坑卸荷產(chǎn)生的坑內(nèi)隆起和坑外沉降。同時(shí)由于窄條基坑坑內(nèi)回彈及深層土地滑移較小，因此窄條基坑開挖時(shí)可通過重點(diǎn)控制窄條基坑的側(cè)向變形以達(dá)到控制隧道結(jié)構(gòu)變形的目的。

3）條坑鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)：為更好控制基坑變形對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，小坑長(zhǎng)度一般不超過20 m，便于設(shè)置鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于24 h實(shí)時(shí)監(jiān)控，低壓自動(dòng)補(bǔ)償、高壓自動(dòng)報(bào)警，全方位多重安全保障。同樣，該措施適用于對(duì)基坑變形嚴(yán)格控制的工程項(xiàng)目。

4）條坑坑內(nèi)土體加固：如小坑與軌道交通結(jié)構(gòu)距離較近、挖深較深或項(xiàng)目對(duì)應(yīng)范圍隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)較差，一般會(huì)要求小坑進(jìn)行滿堂加固，以增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)土體的被動(dòng)土壓力，提高土體抗側(cè)向的變形能力。

1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)情況并根據(jù)指導(dǎo)意見形成以下方案：

1）分區(qū)及開挖順序：整個(gè)基坑分為A、B、C、D共4個(gè)分區(qū)。A、B區(qū)基坑開挖面積共8 660 m2，普遍挖深18.75～19.35 m。C、D區(qū)基坑開挖面積共1 340 m2，挖深10.4 m。工程采用順作法施工，擬開挖順序?yàn)椋菏紫仁┕區(qū)基坑，待A區(qū)基坑地下室結(jié)構(gòu)施工完成后同時(shí)施工B區(qū)基坑及C區(qū)基坑，B區(qū)基坑及C區(qū)基坑地下室結(jié)構(gòu)施工完成后，最后施工D區(qū)基坑。

2）圍護(hù)形式：鄰近地鐵側(cè)C、D區(qū)基坑挖深10.4 m，外側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及坑內(nèi)分區(qū)臨時(shí)中隔墻采用800 mm厚地下連續(xù)墻+φ850 mm三軸水泥土攪拌樁夾心槽壁加固，外側(cè)地下連續(xù)墻深32 m，加固范圍與地下連續(xù)墻同深。A、B區(qū)基坑挖深18.8～19.60 m，基坑外側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及坑內(nèi)分區(qū)臨時(shí)中隔墻采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻，墻深約50 m，地下連續(xù)墻外側(cè)墻縫設(shè)置φ1 000 mm@700 mm高壓旋噴樁加強(qiáng)接縫止水。

3）加固形式：鄰近地鐵側(cè)窄條基坑內(nèi)采用φ850 mm三軸水泥土攪拌樁滿堂加固，自第2道支撐底至坑底以下12 m（比大坑坑底深3 m），大坑采用φ850 mm三軸水泥土攪拌樁裙邊滿堂加固，加固寬度約8 m，加固深度自第2道支撐至坑底以下6 m。

4）支撐形式：A、B區(qū)基坑豎向設(shè)4道鋼筋混凝土支撐，井字形對(duì)撐，支撐間距不宜超過9 m。C、D區(qū)采用1道鋼筋混凝土支撐+2道鋼支撐，鋼支撐要求采用自動(dòng)軸力補(bǔ)償系統(tǒng)。

1.4 清障方案

場(chǎng)地范圍內(nèi)影響C、D區(qū)地下連續(xù)墻及三軸攪拌樁加固施工需拔樁的老樁共20根，樁徑600～800 mm，樁長(zhǎng)約36 m，清障深度26.4～42.4 m，與隧道結(jié)構(gòu)外邊線凈距10 m，施工時(shí)采用鋼套筒沉入土體，將樁身與土體分離減小摩阻后，將老樁分段拔除，使用RT-200H全套管全回轉(zhuǎn)鉆孔機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼套管360°旋轉(zhuǎn)切割沉入，進(jìn)行樁身與土體有效分離并輔以專用設(shè)備將鋼絲繩下方與樁身牢固鎖扣后，采用大型起重設(shè)備將樁段拔除。選用的鋼套管直徑為2 000 mm，鋼套管長(zhǎng)度為54 m（6 m長(zhǎng)度9節(jié)），并配備120 t履帶吊配合清障和拔樁。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及隧道結(jié)構(gòu)變形分析

本文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要針對(duì)隧道內(nèi)變形監(jiān)測(cè)，包括沉降、收斂和水平位移，地鐵隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖2（因上行線與基坑距離更近且變化趨勢(shì)一致，故本次數(shù)據(jù)分析均針對(duì)上行線）。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

整個(gè)監(jiān)測(cè)周期主要可分為以下12個(gè)階段：拔樁施工、停工、樁基施工、A區(qū)基坑開挖、A區(qū)地下結(jié)構(gòu)施工、C區(qū)基坑開挖、C區(qū)地下結(jié)構(gòu)施工、B區(qū)基坑開挖、B區(qū)地下結(jié)構(gòu)施工、D區(qū)基坑開挖、地上結(jié)構(gòu)施工、后期跟蹤。

2.1 沉降分析

結(jié)合圖3、圖4曲線可以看出：

圖3 上行線道床沉降階段變形曲線1

圖4 上行線道床沉降階段變形曲線2

1）縱觀整個(gè)監(jiān)測(cè)期間，施工正投影范圍內(nèi)上行線道床沉降變形由東向西呈現(xiàn)上坡形狀。最大下沉和上抬變形均超過報(bào)警值±5 mm。施工正投影范圍內(nèi)下沉為－7 mm，最.大上抬+8 mm。監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)存在差異沉降約18 mm。

2）拔樁施工導(dǎo)致B、D區(qū)域正投影范圍內(nèi)隧道上行線道床產(chǎn)生顯著沉降，對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)SX12—SX19監(jiān)測(cè)點(diǎn)段在拔樁期間累計(jì)變形均超過報(bào)警值±5 mm，最大累計(jì)下沉－9 mm。

3）A區(qū)基坑開挖階段，上行線道床累計(jì)變形量約－8 mm；C區(qū)基坑開挖階段，監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)上行線道床階段變形表現(xiàn)為整體上抬，累計(jì)最大上抬+11 mm；B區(qū)基坑開挖階段，影響區(qū)域內(nèi)隧道上行線道床階段變形不明顯，監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)累計(jì)最大下沉量－5 mm，累計(jì)變形量+10 mm；D區(qū)基坑開挖階段，影響區(qū)域內(nèi)隧道上行線道床階段變形表現(xiàn)為明顯上抬，施工正投影范圍內(nèi)累計(jì)最大上抬+12 mm，沉降變形受基坑開挖影響較明顯。

2.2 收斂分析

結(jié)合圖5、圖6曲線可以看出：

圖5 上行線收斂階段變形曲線1

圖6 上行線收斂階段變形曲線2

1）正對(duì)投影及西延伸區(qū)域內(nèi)上行線累計(jì)收斂變形全部超過報(bào)警值±5 mm，正對(duì)投影范圍內(nèi)累計(jì)最大變形量+53 mm。

2）拔樁施工階段，A、C投影范圍內(nèi)收斂變形不明顯，B、D投影范圍有明顯拉伸現(xiàn)象，且累計(jì)變化量超過報(bào)警值+5 mm，主要受B、D區(qū)清障影響。

3）A區(qū)基坑開挖階段，A、C區(qū)投影范圍內(nèi)收斂變形表現(xiàn)為明顯拉伸，階段最大變形量+12 mm。后期地下結(jié)構(gòu)施工階段，監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)收斂整體表現(xiàn)為拉伸，最大階段拉伸量+6 mm。

4）C區(qū)基坑開挖階段，A、C區(qū)投影范圍內(nèi)收斂有輕微拉伸。其余區(qū)域未有明顯變化趨勢(shì)。

5）B區(qū)基坑開挖階段，B、D區(qū)正投影范圍內(nèi)收斂階段變形表現(xiàn)為明顯拉伸，最大階段變形量+14 mm，累計(jì)變化量約+40 mm。

6）D區(qū)基坑開挖階段，B、D區(qū)投影范圍內(nèi)收斂最大累計(jì)變化量+50 mm。

2.3 水平位移分析

結(jié)合圖7～圖9曲線可以看出：

圖7 上行線水平位移階段變形曲線1

圖8 上行線水平位移階段變形曲線2

圖9 上行線水平位移部分特征點(diǎn)累計(jì)變形曲線

1）在整個(gè)施工過程中，盾構(gòu)隧道水平向變形主要表現(xiàn)為向基坑方向位移，并且基坑開挖引起的水平位移基本大于樁基施工和地下結(jié)構(gòu)施工階段的隧道位移。

2）在項(xiàng)目A、C區(qū)基坑開挖完成時(shí)，上行線隧道大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移已超過報(bào)警值±5 mm，最大累計(jì)變化量位于正對(duì)投影范圍內(nèi)，為+8 mm。在B、D區(qū)基坑施工完成時(shí)，隧道正對(duì)基坑B、D區(qū)域的水平位移已基本超過+20 mm，最大累計(jì)變化量+25 mm。

3）監(jiān)護(hù)范圍內(nèi)隧道最終水平位移呈拋物線形狀，正對(duì)基坑范圍內(nèi)的隧道水平位移最大，延伸范圍內(nèi)的水平位移到基坑的距離逐漸減小。

3 結(jié)語(yǔ)

大量工程案例表明，在軟土地區(qū)，基坑開挖過程中鄰側(cè)土體的卸荷作用導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)變形，從而帶動(dòng)坑外隧道隨著土體一并產(chǎn)生相應(yīng)位移變形。坑外既有隧道因與基坑的距離、開挖深度、現(xiàn)場(chǎng)土層條件、設(shè)計(jì)方案（支護(hù)形式）、施工工法等諸多因素有關(guān)，不同條件會(huì)產(chǎn)生較大差異影響。通過對(duì)本項(xiàng)目施工過程和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，有如下特點(diǎn)：

1）清障施工對(duì)隧道沉降和收斂影響較大，B區(qū)清障施工時(shí)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)上行線收斂累計(jì)變形量接近10 mm。因老樁與隧道結(jié)構(gòu)距離較近，且深度超過隧道底埋深，拔樁時(shí)對(duì)隧道側(cè)向土體產(chǎn)生多次擾動(dòng)，從而產(chǎn)生較大變形。

2）等到項(xiàng)目基坑開挖時(shí)，鑒于基坑設(shè)計(jì)按照“大坑+小坑”模式，在A區(qū)開挖時(shí)應(yīng)離隧道結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)，地鐵側(cè)留土寬度約20 m，所以大坑開挖對(duì)沉降和收斂的影響仍在可控范圍內(nèi)，等到B區(qū)開挖時(shí)因受清障施工影響，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)變形出現(xiàn)“先沉后隆的現(xiàn)象”，且發(fā)展速率較快。

3）隧道水平位移方面表現(xiàn)為施工過程中持續(xù)向基坑方向發(fā)展，并且呈現(xiàn)大區(qū)開挖影響大于小區(qū)開挖的影響；后開挖比先開挖基坑造成的隧道水平變形更大，這是由于后開挖相當(dāng)于對(duì)土體進(jìn)行多次擾動(dòng)。

4）在拔樁施工和停工階段，項(xiàng)目對(duì)隧道水平向變形影響較小，但在樁基和地下連續(xù)墻施工階段前期，地下連續(xù)墻槽壁加固對(duì)周圍土體產(chǎn)生擠壓效果，造成隧道向背離基坑的方向發(fā)生位移，當(dāng)槽壁加固完成后，地下連續(xù)墻施工會(huì)造成周圍土體應(yīng)力釋放，從而導(dǎo)致隧道重新向基坑方向位移。