復雜環境下超長車站的基坑設計與研究

陳春燕

（北京城建設計發展集團股份有限公司上海分公司，上海 200233）

1 工程概況

1.1 站址情況

張江路站為上海13 號線三期的終點站，車站中心位于中科路與張江路的交叉路口下，沿中科路東西向布置。張江路為南北向的交通主干道，紅線寬度為32m；中科路為城市次干道，紅線寬度約為24m。車站周邊均為商住用地為主。車站中部有一條約30m 寬的橫沔港河橫穿車站主體上方，并將車站站廳層分隔為東、西兩部分。

本站為地下二層島式車站，其中地下一層為站廳層，地下二層為站臺層。車站外包總長491.0m、總寬20.9m，站臺計算長度為140m。車站設置站后雙停車折返線。車站主體為明挖法施工，左端區間為盾構法施工，左端為盾構接收[1]。

1.2 周邊環境條件

1.2.1 周邊建（構）筑物

車站西北角、西南角為已建成的川楊新苑小區，小區內為多幢地面六層磚混結構，基礎形式為φ400mm 預應力管樁，樁長20m，距西端頭井基坑最近約16.9m。

車站北側為在建中的張江市民中心，為地面二層建筑，基礎形式為300mm×300mm 先張法預應力混凝土空心方樁，樁長28m，距標準段基坑最近約11.1m。車站南側為在建中的張江二號動遷基地配套幼兒園，為地面三層建筑，基礎形式為400mm×400mm 先張法預應力混凝土空心方樁，樁長27m，距標準段基坑最近約10.6m。預計車站開工時建筑物均已建成，車站基坑開挖需要對其進行保護。

車站中部下穿寬度為30m 的橫沔港，并與橫沔港上的橫沔港橋合建，車站施工期間橫沔港擬斷航不斷流，故基坑施工需考慮河道臨時繞流并設置圍堰。

車站東部為已建成的張江動遷基地小區，東部南側基坑緊鄰小區的沿街商鋪，為地面三層磚混結構建筑，基礎形式為φ400mm 預應力管樁，樁長22m，距標準段基坑最近約6.5m。

1.2.2 周邊管線

車站主體基坑上方主要管線有φ600mm 混凝土雨水管、φ300mm 混凝土污水管、φ800mm 混凝土雨水管、φ200mm PE 天然氣管、信息36 孔/非開挖光纖、φ500mm 鑄鐵上水管、27 孔電力管等，在車站主體結構施工期間，中科路東西向布置管線往車站主體基坑南北兩側遷改臨排，待完成主體結構施工后復位；張江路南北向布置管線需進行遷改臨排，有1 根DN300mm 污水管（混凝土）（管內底標高約為2.47m）規劃管線在車站頂板上方，車站局部頂板落低處理。

1.3 地質情況

根據詳勘揭露，擬建場地在勘察揭露的60.45m 深度范圍內，均為第四紀松散沉積物，屬第四系河口、濱海、淺海、沼澤相沉積層，主要由飽和粘性土、粉性土以及砂土組成，一般具有成層分布特點。

本工程范圍土層分別為①1 雜填土、②粉質粘土、③淤泥質粉質粘土、④淤泥質粘土、⑤1 粘土、⑤3-1 粉質粘土、⑤3t 粉質粘土夾粘質粉土、⑤4粉質粘土、⑦1 粉砂、⑦2 粉砂層。其中⑤3t 層為微承壓水層，⑦2 層為承壓水層。車站標準段底板位于④灰色淤泥質粘土，端頭井底板位于⑤1 粘土。

2 實施難點分析

2.1 車站周邊環境的影響

車站基坑周邊環境較復雜，③西號坑南側為距離標準段基坑南側約10.6m 的張江二號動遷基地配套幼兒園，北側為張江市民中心廣場，廣場上的二層張江市民中心活動廳距離標準段基坑北側約11.8m；車站⑤號基坑南側為三層商鋪，最近的距基坑約6m；車站①號坑西側為已建成的川楊新苑小區，車站西端頭井端部距小區建筑最小距離約為16.9m；道路下方管線均貼車站基坑進行臨遷。且車站基坑總長491m，屬于長基坑，如何合理的進行基坑分坑、工程籌劃安排，對減小基坑開挖對環境的影響至關重要[2]。

2.2 遠期規劃線網的布置及交通、管線的限制

張江路道路紅線32m，路口段車站最寬處達28m，車站基坑基本占據了張江路路幅，且在張江路下方擬預留與遠期24 號線通道換乘的條件，車站施工期間張江路的交通和管線、張江路路口的臨時封堵墻設置為車站基坑設計難題。

2.3 橫跨車站河道的導流

車站中部有一條約30m 寬的橫沔港河橫穿車站主體上方，由于橫沔港是浦東新區中部的主要引排水河道，根據地區防汛除澇要求不允許斷流施工，基坑開挖期間如何合理的基坑分坑，對確保整個水系的連通至關重要[3]。

3 車站基坑開挖時序設計

3.1 合理分坑，分塊化施工，減小基坑開挖對周邊建筑物及管線的影響

由于車站較長，場地較大，方案首先確立將張江路交通向道路東側的②號基坑進行導改，管線同步向道路東側進行改移。在張江路路中設置1 號封堵墻，先行實施1 號封堵墻西側的①號坑，既能滿足張江路的交通及管線需求，又能滿足車站西端頭井為接收井的節點要求。

滿足橫沔港東側導流河的預留條件，導流河東側設置5 號封堵墻，劃分出的⑤號坑現場具備條件先行實施。

為保證施工節點的要求，盡量縮小二期基坑的布置，在②號坑東側設置2 號封堵墻，④號坑西側設置4 號封堵墻；為減小基坑開挖期間對基坑南側的張江二號動遷基地配套幼兒園的影響，將③號坑劃分為③西、③東號坑兩個基坑實施，在③號坑中間設置3 號封堵墻。張江路站分坑總平布置圖見圖1。

圖1 張江路站分坑總平布置圖

3.2 合理設置路口基坑分坑，解決張江路交通、管線及遠期預留難題

沿張江路平行布置的遠期規劃24 號線下穿張江路站，與車站非垂直布置，存在約76°的夾角，綜合比較了地下連續墻、鉆孔灌注樁、SMW 工法等工法，最終確定了預留遠期盾構下穿條件的換乘節點處基坑采用800mm 厚地墻作為基坑圍護結構，盾構穿越段地墻鋼筋采用玻璃纖維加強筋（GFRP筋），地墻垂直于規劃線路布置。路中處臨時封堵墻平行張江路設置，分坑以滿足張江路交通導改及管線遷改。

①號坑實施完成后，先行實施①號坑南北兩側2 號風亭4 號出入口及3號出入口局部逆做頂板，將原導改至②號坑的管線永遷至已完成的主體①號坑及逆做頂板上方，以減少管線的多次改移，縮短施工工期，降低造價。

3.3 臨時導流河設置，實現水系連通，保障橫沔港區域防汛除澇安全暢通

為滿足地區防汛除澇要求，基坑開挖期間橫沔港“斷航不斷流”，施工車站施工期間需對橫穿的橫沔港河進行導流，在車站兩側約30m 處的河道范圍設置圍堰，圍堰與車站范圍進行粘土回填，并壓實處理，作為施工便道及施工場地。考慮車站③東號坑開挖時支撐的后靠，在距④號坑月8m 處，設置寬10m 臨時導流河。待③東號坑實施完成河道恢復后，④號坑開挖前需對臨時導流河粘土回填，并壓實處理。由于車站位于道路下方，穿越橫沔港時與規劃道路合建，結合地下車站與橋梁的關系及結構特點，經過綜合比選，地鐵車站和橋梁結構設置為合建的結構體系，以滿足后期的使用功能。

3.4 基坑上方設置臨時棧橋，減少圍擋與幼兒園之間的距離

車站標準段基坑南側距離張江二號動遷基地配套幼兒園最近約10.6m，考慮車站開挖期間盡量減小對幼兒園建筑物及課間的影響，施工圍擋盡可能遠離幼兒園布置，車站基坑上方設置臨時路面系統以供場地內交通使用，同時為滿足幼兒園提出的保證兒童上課和休息噪音的影響，在場地交界處擋墻上增設聲屏障。

4 車站基坑開挖工況設計

標準段基坑深約為16.2～17.1m，坑底位于⑤1 層粘土層，局部為④淤泥質土層，采用800mm 厚地下連續墻+400mm 厚雙層襯砌結構，墻長40m（含10m 繞流段地墻）。西端頭井基坑深為17.8m，坑底位于⑤1 層粘土層，采用800mm 厚地下連續墻+600mm 厚雙層襯砌結構，墻長40m（含8m 繞流段地墻）。

車站標準段基坑沿基坑深度方向設置五道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐其余為φ609mm，t=16mm 鋼支撐。

考慮到本工程基坑底面下為第④、⑤1 層軟粘性土，該層土具較明顯觸變及流變特性，在動力作用下土體強度極易降低。深基坑開挖后土體會有一定的回彈，對基坑支護結構、周圍鄰近已有建（構）筑物、地下管線等產生不利影響。因此標準段坑內采用三重管高壓旋噴樁進行抽條地基加固，加固間隔3m、寬度3m、深度為3m。

根據區域地質資料，基坑開挖期間有影響的微承壓水層為⑤3t 層，第⑤3t 層微承壓水水頭埋深一般為3～11m，對于微承壓含水⑤3t 層，主體基坑有突涌可能，需降水處理，考慮車站周邊建筑物復雜且較密集，本基坑圍護地墻做加長處理，將該層隔斷。

標準段基坑的開挖順序為：（1）施工導墻、地下連續墻、冠梁及立柱樁，進行地基加固；（2）實施基坑降水，開挖基坑，澆筑第一道鋼筋混凝土支撐；（3）待第一道鋼筋混凝土支撐達到設計強度后，隨開挖隨架設第二、三、四、五道鋼支撐；（4）繼續開挖至基坑坑底設計標高處，施工底板墊層、底板結構；（5）待底板結構達到設計強度后拆除第五道鋼支撐，施工側墻至第四道鋼支撐下；（6）架設第四道鋼支撐換撐，拆除第四道鋼支撐，施工側墻和中板結構；（7）拆除第二道鋼支撐，第三道鋼支撐，施工側墻和頂板結構，鋪設防水層；（8）拆除第四道鋼支撐，回填基坑至第一道鋼筋混凝土支撐下，鑿除第一道鋼筋混凝土支撐，恢復路面。

車站圍護結構的計算軟件采用同濟啟明星（FRWS）。地下墻和內部結構計算模型為支承在彈性地基上的平面框架結構，按平面變形問題考慮，沿結構縱向取1m 單位寬度，框架底下土抗力用土彈簧模擬。地下墻按基坑開挖、支撐、回筑內部結構、拆撐的施工過程等工況進行內力計算。圍護結構開挖階段計算時必須計入結構的先期位移值以及支撐的變形，按“先變形，后支撐”的原則進行結構分析計算[4]。車站標準段計算結果如圖2 所示。

圖2 車站標準段計算結果

從上圖可看出，車站基坑地下墻的最大位移為19.7mm≤0.14%H=0.14%×16.24=22.7mm（H 為基坑開挖深度）；車站基坑在開挖過程中地下墻變形滿足一級環境保護等級的要求[5]。

5 車站基坑開挖對既有建構筑物的影響分析

為進一步分析基坑開挖過程對周圍既有建筑物的影響，在基坑開挖過程中對周邊建筑物變形進行了分析，計算時采用了同濟啟明星軟件基坑開挖環境影響分析軟件JK-3E 1.0，計算結果如下。

5.1 車站西側標準段基坑對張江二號動遷基地配套幼兒園地面三層建筑的影響

5.1.1 數據模型

采用同濟啟明星軟件基坑開挖環境影響分析軟件JK-3E 1.0 對基坑開挖對張江二號動遷基地配套幼兒園地面三層建筑的影響進行分析，預測其的變形、內力及地面沉降。張江二號動遷基地配套幼兒園地面三層建筑的基樁數據如表1 所示。

表1 基樁數據

5.1.2 計算結果。如表2 所示。

表2 計算結果匯總

5.2 東側標準段基坑對張江動遷基地小區的沿街商鋪影響

5.2.1 數據模型

采用同濟啟明星軟件基坑開挖環境影響分析軟件JK-3E 1.0 對基坑開挖對張江動遷基地小區的沿街商鋪的影響進行分析，預測其基礎變形、內力及地面沉降。張江動遷基地小區的沿街商鋪基礎數據如表3 所示。

表3 沿街商鋪基礎數據

5.2.2 計算結果。如表4 所示。

表4 計算結果匯總

6 結束語

通過本工程基坑與周邊環境條件關系、施工順序、工程地質、水文地質的認真分析與研究，對車站工籌及開挖時序進行梳理，結論如下：

（1）對于超長基坑，周邊建筑物及管線復雜的情況，為控制基坑變形及周邊建筑物沉降，結合現場籌劃，需將基坑分坑實施。

（2）在車站土方開挖前需充分做好施工組織設計，力爭各個環節高效銜接，縮短基坑暴露時間。對重點工序要多方案比選，并有可行的備選方案，以應對施工過程中的突發事件。

（3）設計過程中比選合適的方案，將方案由通用性轉化為特有性，制定切實可行的設計方案。

（4）前期應與相關部門做好充分的溝通，充分了解各個行政部門的需求及要求，比如河道是否可斷流或斷航，交通疏解的要求等，盡快固化設計方案。

（5）設計單位和施工單位需密切配合，做到信息及時反饋、準確預判、及時調整。