地鐵旁側(cè)深大基坑的支護及變形控制技術(shù)

虞革新，金 琳

（1.杭州錢江綠星樂居建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 311215；2.浙江省建工集團有限責任公司，浙江 杭州 330106）

0 引 言

截至2020年底，我國40余座城市有已運營或在建的地鐵設(shè)施，其中上海、北京等城市的地鐵總里程更是位居世界前列。同時，城市中地鐵沿線區(qū)域，往往也是城市建設(shè)項目分布密集的區(qū)域。因此，在已運營或在建的地鐵設(shè)施周邊進行工程建設(shè)時，如何采取措施對地鐵設(shè)施進行保護，日漸成為一項重要課題。

基坑工程因涉及支護結(jié)構(gòu)施工、土方開挖等地下工程，對地鐵設(shè)施影響相對較大[1,2]，通常也是各地地鐵設(shè)施保護管理的關(guān)注重點。魏綱等[3]和朱正鋒等[4]通過實測分析上跨基坑對運營地鐵隧道的影響，地鐵隧道變形主要為豎向位移，對水平位移影響不大。況龍川[5]也通過實測數(shù)據(jù)分析了旁側(cè)基坑對地鐵隧道的影響，主要表現(xiàn)為隧道的水平位移，且對土方開挖、支撐拆除時的震動敏感。高廣運等[6]通過數(shù)值分析對不同施工方案下旁側(cè)基坑對地鐵隧道的影響進行對比分析。上述研究中所采取的變形控制措施主要為針對性的地基加固、分塊開挖和注漿糾偏等，研究表明，這些措施均為有效措施，但控制效果受到地質(zhì)條件、工程特點等實際情況的顯著影響。

基坑工程因涉及支護結(jié)構(gòu)施工、土方開挖等地下工程，對地鐵設(shè)施影響相對較大，通常也是各地地鐵設(shè)施保護管理的關(guān)注重點。本文通過對某地鐵周邊深大基坑項目的工程概況、圍護設(shè)計方案及針對地鐵保護的變形控制措施、項目實施過程中基坑監(jiān)測和地鐵監(jiān)測的成果等進行介紹，希望能為相關(guān)課題的進一步研究和類似工程的設(shè)計施工提供有益的參考。

1 工程概況與地質(zhì)條件

該項目總用地面積為34 453 m2，總建筑面積為279 449 m2，整體設(shè)有3層連通的地下室。

該工程±0.000為絕對標高6.550 m。場地周邊自然地坪相對標高為?0.850 m（下文中標高除注明外，均為相對標高）。地下室周邊地梁均上翻，具體結(jié)構(gòu)標高情況見表1。

表1 地下室結(jié)構(gòu)標高概況Table 1 Structural elevation of basement

綜合考慮承臺、地梁的平面尺寸和間距，以及電梯井坑中坑的分布情況等，設(shè)計計算中取基坑底標高分別為?16.900～?22.200 m，故設(shè)計基坑開挖深度為16.05～21.15 m，基坑設(shè)計等級為一級。

根據(jù)該項目巖土工程勘察報告，場地地貌屬于平原區(qū)，地勢較為平坦。基坑開挖深度影響范圍內(nèi)各土層主要物理力學性質(zhì)指標見表2所示。典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 典型地質(zhì)剖面圖Fig.1 Typical geological profile

表2 各土層物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of each soil layer

場地地下水主要為孔隙型潛水。地下水主要賦存于上部粉土、粉砂層中，其它均為弱透水層，地下水位受大氣降水和人工排水控制明顯，隨季節(jié)變化而升降。勘察期間實測穩(wěn)定水位埋深為 1.10～2.10 m。年變化幅度1.00 m左右。該層地下水對混凝土及混凝土制品具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有中等腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

2 周邊環(huán)境條件

基坑東側(cè)與用地紅線最小距離為2.20 m（與基坑上坎線距離，下同），用地紅線以東為空地。

基坑南側(cè)與用地紅線最小距離為8.70 m，用地紅線以南為已建市政道路，道路下有已投入運營的地鐵隧道及車站主體結(jié)構(gòu)。地鐵車站為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，頂面標高為絕對標高 3.370 m，板底標高為絕對標高?9.390～?11.370 m。車站施工期間曾采用鉆孔咬合樁圍護（墻底絕對標高為?21.390～?25.370 m），咬合樁與本基坑地下連續(xù)墻間的凈距約為28.12 m。地鐵A出入口底板大部分絕對標高為?2.880 m，與本基坑地下連續(xù)墻間的凈距約為15.10～28.50 m。1號風亭底板絕對標高為?4.030 m，與本基坑地下連續(xù)墻間的凈距約為16.20 m。地鐵隧道中心點絕對標高?6.200 m，直徑6.2 m，壁厚350 mm，軌頂絕對標高?8.060 m，隧道與本基坑地下連續(xù)墻間的凈距約為 15.53 m。市政道路下還埋有通信管、污水管、燃氣管、通訊管、雨水管等市政管線，距基坑的距離約在 10.9～15.20 m之間。

基坑西側(cè)與用地紅線的距離約為4.10 m，用地紅線以西為已建市政道路。道路下有通信管、燃氣管、給水管、雨水管、污水管和電力管等市政管線，到基坑邊的距離約在5.20～19.20 m之間。

基坑北側(cè)距用地紅線4.00～8.10 m，用地紅線以北為空地。

項目周邊的環(huán)境條件如圖2所示。

圖2 基坑周邊環(huán)境示意圖Fig.2 Schematic diagram of surrounding environment of foundation pit

3 工程特點

綜合基坑開挖深度、地質(zhì)條件、水文條件和周圍環(huán)境條件等，該基坑工程具有如下特點：

（1）基坑開挖深度大：大面積開挖深度達16.05～21.15 m。

（2）基坑開挖面積大：基坑落地面積約近28 000 m2，東西向最大長度約為240 m，南北向?qū)挾燃s130 m。

（3）場地地基土質(zhì)情況較好：基坑開挖影響深度范圍內(nèi)主要為填土、粉土及粉砂。

（4）地下水位埋深淺，基坑淺部土層滲透系數(shù)大，因此地下水位控制是該基坑工程實施過程中的關(guān)鍵之一。

（5）周圍環(huán)境條件比較復(fù)雜：基坑周邊有地鐵車站、隧道、市政道路及地下管線等需保護，對基坑的穩(wěn)定和變形要求較高，尤其是基坑南側(cè)的地鐵隧道對變形控制要求非常嚴格，地鐵隧道變形控制值為豎向位移10 mm，水平位移5 mm；地鐵車站及其附屬設(shè)施變形控制值豎向位移和水平位移均為15 mm。

4 圍護設(shè)計及變形控制措施

該基坑開挖深度和開挖面積大，且鄰近地鐵隧道，周邊環(huán)境條件較為復(fù)雜，本可以考慮采用“逆作法”進行施工。采用“逆作法”利用樓板作為支撐體系，可節(jié)約臨時支撐費用。但采用“逆作法”也存在以下不足：（1）需在地下連續(xù)墻中植入預(yù)埋件，預(yù)埋件定位困難，致使施工難度增大；（2）由于“逆作法”需先施工絕大部分樓板，僅留下少量空當作為出土口，導(dǎo)致土方開挖困難，施工作業(yè)環(huán)境惡劣，施工工期長，無法滿足業(yè)主對工期的要求；（3）基坑全部采用地下連續(xù)墻支護，圍護成本較高。

根據(jù)項目實際情況，該基坑未采用“逆作法”施工。根據(jù)當?shù)爻鞘熊壍澜煌ūＷo相關(guān)管理規(guī)定及類似項目的成功經(jīng)驗，該基坑采用“分倉挖土”的圍護措施，充分利用基坑的“時空效應(yīng)”，先開挖遠離地鐵隧道側(cè)的大地下室，待大地下室完成地下室結(jié)構(gòu)施工后，再對鄰近地鐵隧道側(cè)的地下室部分進行分倉開挖施工，由于分倉施工后基坑體量變小，有利于控制圍護結(jié)構(gòu)的位移，以實現(xiàn)保護地鐵隧道的目的。

由于該基坑開挖深度大且鄰近地鐵，因此不適宜采用拉錨式等圍護結(jié)構(gòu)型式，而只能考慮內(nèi)撐式圍護結(jié)構(gòu)。內(nèi)撐式圍護結(jié)構(gòu)具有受力合理、變形易控制、可靠性高、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點，在變形控制要求較高的基坑工程中被普遍采用。

在擋土結(jié)構(gòu)的選擇上，基坑南側(cè)因鄰近地鐵車站及隧道，周圍環(huán)境條件比較惡劣，對環(huán)境保護要求較高，采用地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)。利用地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)時可以考慮采用“二墻合一”的施工工藝，即地下連續(xù)墻除了作為圍護結(jié)構(gòu)外兼作為地下室外墻，可節(jié)約地下室外墻的施工費用。但“二墻合一”施工工藝也相應(yīng)存在總體費用高、施工難度大等不足，在該項目中沒有必要采用。該項目除南側(cè)外，其他區(qū)域環(huán)境條件相對較好，考慮整體經(jīng)濟性，采用鉆孔灌注樁排樁墻圍護結(jié)構(gòu)即可。在兩種圍護結(jié)構(gòu)型式的交界處應(yīng)采用高壓旋噴樁進行封閉，以確保止水帷幕的連續(xù)性。

基坑圍護平面布置及分倉情況如圖3所示，整個基坑分成一、二期分期實施。其中遠離地鐵隧道的一期（A區(qū)）大基坑先行實施，在一期基坑開挖的過程中，第二道支撐以下的土方要求按 A1→A2→A3的順序進行分段開挖，在先行開挖段的地下室底板澆筑完畢后再進行鄰近區(qū)段的土方開挖。在一期地下室頂板施工完畢后，再進行二期（D區(qū)）基坑的開挖，二期基坑共分為5個區(qū)塊，分2個批次進行開挖施工，先施工編號為D1的區(qū)塊，后施工編號為D2的區(qū)塊。

圖3 圍護平面布置示意圖Fig.3 Layout plan of enclosure structure

在豎向支撐層數(shù)的選擇上，根據(jù)基坑開挖深度，一期基坑可考慮采用二層或三層支撐的圍護方案。由于該項目南側(cè)有地鐵軌道及車站需保護，因此考慮采用三層鋼筋混凝土支撐的圍護方案，以更好地控制基坑圍護結(jié)構(gòu)變形，提高圍護體系可靠性。二期基坑距離地鐵更近，則增加至四層支撐，其中第一層支撐采用鋼筋混凝土支撐，其余三層采用帶有應(yīng)力伺服系統(tǒng)的鋼管支撐。圍護結(jié)構(gòu)典型剖面做法如圖4所示，采用800 mm厚地下連續(xù)墻支護。根據(jù)設(shè)計規(guī)范方法計算結(jié)果，該側(cè)圍護墻最大水平位移13.4 mm，發(fā)生于坑底附近。根據(jù)三維有限元分析結(jié)果，隧道上行線沉降1.23 mm，水平位移4.86 mm，隧道下行線沉降1.07 mm，水平位移3.10 mm，車站及附屬設(shè)施沉降1.08 mm，水平位移2.98 mm。

圖4 圍護結(jié)構(gòu)典型剖面圖Fig.4 Typical section of enclosure structure

針對地鐵設(shè)施的保護，除上述分期、分區(qū)塊施工、加密支撐豎向間距、采用鋼支撐軸力補償系統(tǒng)等措施外，該基坑設(shè)計方案中還采取了如下措施：

（1）加大鄰地鐵側(cè)圍護墻插入深度，墻底均穿透⑥淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，進入物理力學性質(zhì)較好的土層。

（2）取消地鐵設(shè)施保護區(qū)范圍內(nèi)的基坑外降水井，防止坑外降水引起周邊地下水滲流，造成地鐵設(shè)施變形。

（3）在該場地土質(zhì)條件下，地鐵盾構(gòu)隧道對管涌和滲流異常敏感，不允許止水帷幕有缺陷。為保證該側(cè)止水帷幕的質(zhì)量，確保其連續(xù)性，設(shè)置雙重止水帷幕，除地下連續(xù)墻外，其外側(cè)增設(shè)三軸水泥攪拌樁兼作槽壁加固和止水帷幕。

（4）因一期基坑平面范圍大，施工時間長，空間和時效效應(yīng)差。故二期基坑四周均采用封閉的地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)，并在坑內(nèi)設(shè)置被動區(qū)加固措施。如此，一期基坑施工時，二期圍護結(jié)構(gòu)作為大剛度隔離體，可有效減小一期大基坑施工時圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。

（5）要求嚴格控制基坑南側(cè)的施工荷載，嚴禁挖土、運輸機械等動荷載在南側(cè)行駛。限制基坑南側(cè)10 m范圍內(nèi)施工靜荷載不得超過10 kN/m2，10 m范圍以外施工靜荷載不得超過5 kN/m2。

5 基坑及地鐵設(shè)施監(jiān)測

基坑開挖過程監(jiān)測是保證基坑安全的一個重要措施，通過監(jiān)測可以及時了解圍護結(jié)構(gòu)體系的實際受力狀況，也可以對設(shè)計參數(shù)進行反分析，必要時可調(diào)整施工參數(shù)，指導(dǎo)后續(xù)施工，如呈現(xiàn)異常情況則可及時采取措施。

該項目基坑監(jiān)測內(nèi)容和報警值如下：

（1）深層土體水平位移監(jiān)測：累計位移報警值鄰地鐵側(cè)為18 mm，其余三側(cè)分別為40 mm和50 mm；或位移發(fā)展速率連續(xù)3 d超過3 mm/d。

（2）墻體水平位移監(jiān)測：累計位移 20 mm；或位移發(fā)展速率連續(xù)3 d超過3 mm/d。

（3）鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測：第一道支撐報警值為6 000 kN，其余各道支撐報警值為9 000 kN。

（4）基坑周邊地下水位觀測：報警值為地下水位穩(wěn)定后變化幅度超過500 mm/d。

（5）基坑周邊地表沉降觀測：累計沉降20 mm，或變化速率連續(xù)3 d超過3 mm/d。

該工程已完成地下室施工，基坑已回填。根據(jù)基坑監(jiān)測成果，鄰地鐵側(cè)各監(jiān)測孔的深層土體水平位移最大累計值為7.24～14.99 mm，最大位移主要分布在 7～17 m 深度范圍內(nèi)；地表沉降最大值為17.25 mm；其余各項監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化速率及累計值也均未超過監(jiān)測報警值。在整個基坑工程施工過程中，基坑圍護結(jié)構(gòu)本體及周邊環(huán)境變形較為穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)有危及基坑安全的情況。

根據(jù)地鐵監(jiān)測成果，在該基坑一期土方開挖至底板施工期間，隧道呈現(xiàn)明顯的下沉、向基坑側(cè)偏移且有收斂增大的趨勢，車站也呈現(xiàn)明顯的下沉、向基坑側(cè)偏移的趨勢；二期基坑土方開挖期間，隧道仍有一定量的下沉、收斂增大的趨勢；二期底板完成至頂板施工期間，地鐵設(shè)施位移變化量較小。

地鐵主要監(jiān)測項目最大變化量如表3所示，豎向位移負值為沉降，水平位移正值為向基坑偏移。

表3 地鐵監(jiān)測項目最大變化量Table 3 The maximum variation of metro monitoring items

對比地鐵變形控制標準、設(shè)計計算結(jié)果和實際監(jiān)測成果表明：整個基坑施工過程中，地鐵隧道保護區(qū)范圍內(nèi)除隧道下行線變形略大于控制值外，其余各測點位移均滿足變形控制值，日變形量均未出現(xiàn)明顯的突變現(xiàn)象。圍護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測成果與計算結(jié)果基本吻合。而地鐵設(shè)施變形均略大于計算結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，在土方開挖過程中發(fā)生過大量地下有害氣體釋放，對周邊環(huán)境變形發(fā)展有明顯影響，這是在設(shè)計分析過程中未曾考慮到的情況。工后監(jiān)測數(shù)據(jù)反映地鐵設(shè)施變形已趨于穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

該工程的基坑監(jiān)測及地鐵監(jiān)測結(jié)果表明，基坑工程中空間和時效效應(yīng)對圍護結(jié)構(gòu)變形和周邊環(huán)境變形影響顯著。將基坑鄰近地鐵的區(qū)域進行分倉，嚴格控制單倉面積，并采取跳倉施工等措施，可有效減小圍護結(jié)構(gòu)變形及其對周邊環(huán)境的影響，有利于保障鄰近地鐵設(shè)施的安全和正常運行。

而該基坑一期區(qū)域因平面范圍大，空間和時效效應(yīng)較差，雖然距離地鐵設(shè)施相對較遠，施工過程中仍對地鐵設(shè)施的變形發(fā)展有明顯影響。

雖然圍護結(jié)構(gòu)的變形主要表現(xiàn)為水平變形，但該基坑施工引起的地鐵隧道豎向位移要遠大于水平位移。考慮到鄰地鐵一側(cè)并未進行基坑外降水，較遠處的大范圍基坑外降水是否仍對地鐵設(shè)施變形有不可忽略的影響，值得進一步調(diào)查研究。