蘇州地區緊鄰地鐵深大基坑的設計與實踐

陳亞新 張文彬 雷秋生

(1.無錫市建筑設計研究院有限責任公司，江蘇 無錫 214000； 2.江蘇省紡織工業設計研究院有限公司蘇州勘察分公司，江蘇 蘇州 215000)

隨著城市軌道交通的迅猛發展，蘇州軌道交通運營線路已達到4條，總長達到166 km；在建線路共5條，在建里程達187 km。另外，城市地下空間的大規模開發利用，使越來越多的深大基坑工程緊鄰、甚至緊貼運營或在建地鐵隧道；如何減少深大基坑工程對地鐵隧道的影響，已成為一個急需解決的問題。

為保證蘇州地區軌道交通既有結構及設施的安全，《蘇州市軌道交通條例》對軌道交通控制保護區提出了明確的范圍：地下車站和隧道結構外邊線外側50 m內，其中過湖隧道結構外邊線外側100 m內；地面和高架車站、地面和高架線路結構外邊線外側30 m內；出入口、通風亭、冷卻塔、車輛基地、控制中心、主變電所等建(構)筑物結構外邊線外側10 m內。同時，《蘇州市軌道交通安全保護技術標準(試行)》對控制保護區內的軌道交通結構提出了明確的監測控制值：軌道交通結構豎向位移量及水平位移量不大于10 mm，隧道凈空收斂不大于10 mm；隧道變形曲線的曲率半徑R≥15 000 m；相對變曲不大于1/2 500；由于打樁振動、爆炸產生的震動對隧道引起的峰值速度不大于2.5 cm/s。

近年來，許多學者從設計角度對緊鄰地鐵的深大基坑進行了研究，王衛東、李進軍[1,2]結合上海地區大量深基坑工程設計和施工實踐，提出“時空效應”設計方法、主體工程與支護結構相結合、基坑分區施工、土體加固等；殷一弘[3]基于寧波綠地中心項目，介紹了基坑分區、軸力補償鋼支撐、隔離樁等設計思路；馮龍飛[4]以廣州緊鄰地鐵深基坑工程為例，通過分析監測數據，探討了不同支護設計和土方開挖方案對地鐵隧道變形的影響；高盟[5]通過三維數值模擬和監測數據分析，探討了車站開挖側設置托換樁、土體加固和分塊開挖等變形控制措施。本文基于蘇州獅山街道—蘇地2014-G-7號地塊項目的設計和成功實踐，總結鄰軌深大基坑設計方法和措施，并通過數值模擬和監測數據驗證了圍護方案的安全可靠。

1 工程概況

1.1 結構工程概況

獅山街道—蘇地2014-G-7號地塊項目由1幢20層SOHO辦公樓、1幢25層公寓式酒店、1幢27層住宅樓、4層～7層 裙房整體及下設3層地下室(局部一層挑出)組成。總建筑面積約13.12萬m2。

1.2 工程地質概況

擬建場地位于長江三角洲以南，地貌形態單一，屬太湖水網平原，場地較平坦，場地地面標高一般在2.60 m～3.86 m之間，最大相對高差1.26 m。主要物理力學指標如表1所示。

表1 土層主要物理力學指標

擬建場地淺層孔隙潛水賦存于表層填土層中，主要接受大氣降水及地下水滲流補給，穩定水位埋深0.70 m～1.60 m。淺部微承壓水主要貯存于④粉土、粉砂系列層中，主要接受側向徑流補給及越流補給，勘察期間穩定水頭標高為0.30 m～0.65 m；層頂標高為-9.14 m～-5.22 m，基坑坑底已位于該層中，施工時易產生流砂、管涌等不良地質現象，在支護方案設計時考慮將微承壓含水層隔斷。第Ⅰ承壓水層埋深較大，對本工程影響不大。

1.3 周邊環境概況

該工程項目總平面圖如圖1所示，位于蘇州市高新區中心城區，橫山路以南、濱河路以西地塊。基坑總面積約2.215萬m2，呈多邊形；基坑開挖深度為15.15 m～15.60 m，集水井、電梯井落深1.50 m～4.50 m。

該工程基坑周圍環境復雜、管線眾多、環境保護要求較高。重點環境保護對象為位于基坑東側敷設于濱河路下的在建軌道交通3號線橫山路站，擬建工程與橫山路站為無縫對接，如圖2，圖3所示。橫山路站為地下2層車站(局部地下3層)，車站主體基坑采用地下連續墻圍護結構體系，厚度800 mm，坑底埋深約16.7 m～20.3 m，地墻有效長度為30.8 m，采用一道鋼筋混凝土支撐+3道鋼支撐+1道鋼支撐換撐的圍護形式。

2 基坑工程圍護結構設計

2.1 基坑分區設計

擬建工程與橫山路站為無縫對接，為減少近軌道側基坑開挖暴露時間和范圍，降低基坑整體開挖過程中大范圍卸土對橫山路站的時空效應影響，擬建工程采用“分區順做”的設計方案。

基坑分區時應結合主樓位置及地下室功能分區；同時，應以保護地鐵車站為基本原則。具體分區見圖1，將基坑劃分為近軌側A區(寬度約25 m)和遠軌側B區兩部分；考慮近軌側A基坑長度較長，為降低基坑開挖對橫山路站的影響，沿地鐵線路劃分為南北兩個小基坑，分別為A1，A2基坑，各區與橫山路站沿線長度不超過65 m。

2.2 基坑支護體系設計

基坑圍護剖面如圖2所示，擬建工程臨軌側與橫山路站共用圍護結構，結構墻采取緊貼軌道地下連續墻的疊合墻。考慮到對地鐵車站的保護，近軌側50 m范圍內(軌道交通控制保護區)及臨時隔斷墻均采用1 000 mm地下連續墻，遠軌道側采用φ1 000@1 200鉆孔灌注樁。

本工程共設置三道鋼筋混凝土支撐，支撐體系采用井字對撐+角撐+邊桁架的形式，如圖3所示，該支撐體系平面開口大，利于土方開挖。支撐平面布置采用“二榀”中間對撐形式，以有效減少基坑中部變形對軌道結構帶來的曲率變形。支撐體系設計時避開了結構柱和核心筒，為主體結構梁板保留足夠空間，以便加快工程進度。

2.3 基坑降水設計

考慮到擬建基坑坑壁、坑底分布有較厚的④粉土、粉砂層，賦水性及透水性均較好，厚度達到15.1 m，且基坑周邊環境對沉降較敏感，本工程整體采用落底式三軸止水帷幕全封閉止水。坑內采用管井疏干降水，適當減小降水管井的深度，相對增加管井的數量，減少水位降深，盡量減小對周邊，尤其是地鐵車站的影響。

2.4 土體加固措施

為保證地下連續墻的垂直度、防止成槽施工中出現塌孔，近軌側地下連續墻內側采用φ850@600三軸水泥土攪拌樁進行槽壁加固；同時，地墻采用止水效果較好的型鋼接頭，以確保防水效果。為控制基坑開挖階段圍護體的水平位移，以有效保護地鐵車站的結構及設施的安全，近軌道側A基坑坑內采用φ850@600三軸攪拌樁封底加固，加固深度為3 m，加固實體單樁水泥摻量不少于20%，上部水泥摻量不少于10%。遠軌道側B基坑分隔墻段坑內采用850@600三軸水泥土攪拌樁暗墩加固，加固深度為3 m。

2.5 土方開挖

為降低基坑施工對橫山路的影響，首先施工遠軌側面積較大的B基坑，待橫山路站施工結束、管線遷移后，再施工A1和A2基坑。土方開挖時，采取措施減少時空效應影響，如留土處理，以減少變形。土方先開挖遠地鐵側，形成中部的臨時支撐；最后開挖近地鐵側，同時采用“間隔、抽條”的方法。無墊層坑底最大暴露面積不得大于200 m2；開挖至坑底后須在16 h內完成墊層澆筑(分塊)，并及時進行地下室底板和結構施工；混凝土墊層直接澆搗至連續墻內側面，使墊層能夠起到一定支撐作用。

3 數值模擬及實測成果分析

3.1 數值模擬分析

根據《蘇州獅山街道—蘇地2014-G-7號地塊項目基坑對軌道交通3號線工程影響技術評估報告》，本項目采用非常適合于巖土體及支護結構分析模擬的大型通用有限元軟件MIDAS/GTS，建模范圍為基坑、地鐵車站等結構體及基坑周圍空間范圍內的土體，有限元計算模型如圖3所示。建模過程中，土體采用實體單元建模，并采用修正庫侖—摩爾屈服模型；地鐵車站采用實體單元建模，鉆孔灌注樁、地下連續墻及各層樓板等采用板單元建模；臨時立柱、樁基采用線單元建模，并設置剪切彈簧模擬板單元、線單元在網格節點位置發生剪切方向的摩擦交互作用。

根據基坑開挖的實際過程，各工況實施歷程如表2所示。圖4，圖5為水平位移和豎向位移云圖，圖6為不同工況下車站結構橫向水平位移曲線。數值分析結果顯示：車站結構的最大水平位移(指向基坑內側)為8.1 mm；最大豎向位移為6.2 mm。采用本項目設計方法和措施，基坑施工全過程對地鐵車站有一定的影響，但能夠滿足軌道交通結構水平及豎向位移量不大于10 mm的要求。

表2 工程實施工況表

3.2 基坑監測結果

整個基坑工程從2015年11月28日開始B區基坑開挖，到2018年10月22日A2區基坑B0板施工完成，基坑工程總工期約為1 059 d。

為保證軌道交通3號線橫山路站結構及設施的安全，對橫山路站的主體結構進行了全過程的監測。監測布點如圖7所示，地鐵結構水平及豎向位移如圖8，圖9所示。從實測結果可以看出：受基坑開挖側向卸載影響，車站發生向坑內的水平位移，軌道結構最大水平位移為4.72 mm；車站的豎向位移以回彈為主，軌道結構站最大豎向位移分別為4.15 mm。

監測結果表明：由于A基坑的遮攔作用，B基坑開挖對車站的影響較小，也說明分塊開挖對車站起到了保護作用。數值模擬計算值與監測實測值基本一致，本基坑工程施工期間對軌道車站的影響在安全范圍內，未達到報警值，監測結果驗證了圍護方案安全可靠。

4 結論與建議

蘇州獅山街道—蘇地2014-G-7號地塊項目為與軌道交通3號線橫山路站無縫對接的深大基坑，本文結合項目的設計和成功實踐，分別從基坑分區、支護體系、降水、土體加固及土方開挖等方面總結了鄰軌深大基坑設計方法和措施，并將數值模擬預測結果和實測變形結果進行分析。結果表明：采用本工程專項保護方案及措施，有效保證了地鐵車站結構及設施的安全，驗證了圍護方案安全可靠，亦為類似工程提供參考。