近接地鐵條件下深基坑施工控制與分析

周丁恒，張志勇，賈世濤，曹力橋，荊鴻飛

(1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600； 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

隨著大城市地鐵線網的加密，臨近地鐵工程建設活動也日益增多，其中基坑工程近接地鐵是其中的一種。目前，數值分析方法在基坑近接施工研究中應用廣泛，主要方式是通過計算模擬分析基坑施工引起的臨近地鐵結構變形及受力特征[1]，但數值分析受制于參數選取、本構模型等諸多主觀因素的限制，模擬結果準確性存在失真可能。相對數值分析手段，現場實測可直接反映基坑施工對臨近地鐵結構的影響規律和程度：魏綱等[2]對近地鐵加固側與遠離地鐵非加固側的深層土體位移、地表沉降、支撐軸力及壓頂梁的監測結果進行了對比分析；徐中華等[3]針對臨近地鐵隧道的超深基坑，提出了分坑順作、兩墻合一地下連續墻、被動區加固、鋼支撐補償體系等措施，并對基坑變形和地鐵隧道變形進行了現場監測；殷一弘[4]也展開了和徐中華等[3]類似的研究，依托基坑采取了分區順做、板式支護、多道支撐的支護結構；丁智等[5]根據已有的臨近地鐵的基坑實測數據，研究了施工全過程中深層土體側向位移與地鐵隧道變形之間的規律，分析了基坑開挖的危險施工節點與重點影響區域；魏綱等[6]對臨近基坑的隧道的水平位移、豎向位移及水平收斂進行了監測，分析了影響規律及加固效果；張立明等[7]就軟土地區深基坑對臨近地鐵結構影響進行了實測分析。現場實測可作為數值分析的比較手段，驗證數值計算的合理性[8-10]。

通過對國內基坑近接地鐵實測研究查閱、分析，現場實測案例主要集中在基坑臨近地鐵隧道，同時近接車站和隧道的實測案例很少。本文以現場監測為手段，分析同時臨近地鐵車站和隧道的軟土深基坑施工中深層土體位移、地面沉降、地下水位變化及支撐受力情況，并對盾構裂縫尺寸及分布進行統計分析，力求豐富臨近深基坑近接地鐵的研究。

1 工程背景

1.1 工程概況

依托項目為綜合體，包含3層地下室，各樓板面標高分別為-6.0，-9.6，-14.8 m，采用鉆孔灌注樁作為基礎。基坑在平面上近似矩形，尺寸約為265 m×130 m，開挖深度15.8～16.3 m，電梯井處更深，屬超大超深基坑。基坑北側臨近1，4號線換乘車站及1號線區間，基坑及其與地鐵的關系如圖1所示。基坑范圍的盾構線長約為210 m，地下室外墻距離地鐵結構及盾構線外邊沿最小距離約15.4～17.7 m，基坑北側臨近地鐵1號線部位開挖深度15.8～16.3 m。基坑深度、長度以及基坑與地鐵的距離因素，決定了基坑對地鐵影響較大，尤其是對距離最近的1號線區間右線的影響十分明顯。

圖1 基坑與地鐵結構平面位置關系

1.2 圍護方案及施工順序

基坑劃分為Ⅰ基坑和Ⅱ基坑(Ⅱ-1基坑和Ⅱ-2基坑)，各分基坑之間設置分隔墻。地鐵側基坑圍護結構為地下連續墻，墻外側設置隔離樁，坑外主動區和坑內被動區均進行了加固。基坑其他側圍護結構為鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁。土方開挖遵循“分層、分段、分塊、限時開挖”和“先撐后挖、限時支撐、嚴禁超挖”的原則進行。先進行Ⅰ基坑開挖，待Ⅰ基坑地下室結構施工完成后，Ⅱ-1基坑先施工，待Ⅱ-1基坑施工至底下1層樓板后，開始Ⅱ-2區塊的土方開挖，最后施工Ⅱ基坑地下室結構。

Ⅰ基坑設3道混凝土支撐，Ⅱ基坑第1，2道設置混凝土支撐，第3，4道采用可調節內力鋼支撐。部分位置位于淤泥質土層，坑內被動區采用三軸攪拌樁加固。

為控制基坑開挖對地鐵結構的影響，施工中采取墊層加強、增設型鋼支撐、支撐拆除與換撐控制、隔離樁保護、控制止水帷幕質量、減少基坑暴露時間、增加監測頻率及北側地鐵周邊的施工荷載控制等措施。

2 地質條件

2.1 工程地質條件

項目所在區域地表以下68 m深度內可劃分為8個工程地質層，細分為 13個工程地質亞層，自上而下分別是：①雜填土、②黏質粉土、③砂質粉土、⑤砂質粉土夾粉砂、⑥-1淤泥質粉質黏土、⑥-2淤泥質黏土、⑧ 黏土、⑨-1粉質黏土夾粉砂、⑨-2圓礫、⑨-1粉質黏土夾粉砂、⑩-a全風化泥質粉砂巖、⑩-b強風化泥質粉砂巖、⑩-c中等風化泥質粉砂巖。坑底以下為淤泥質土，影響整體穩定和變形控制。基坑范圍內上面9層土體參數列于表1中。

表1 土體物理力學參數

2.2 水文地質條件

孔隙潛水主要賦存于填土及黏質粉土、砂質粉土層中。地下水位一般埋深于地表下1.2～2.9 m左右，水位年變幅在1.0～2.0 m左右。該潛水水位升降主要受大氣降水、周邊河道等影響，并隨季節性變化。

孔隙承壓水主要貯存在圓礫層中，承壓水埋深-37.98 m左右(絕對標高)，承壓水位標高-2.80 m(絕對標高)，水頭35.18 m。承壓水隨季節變化，水位年變幅在1.0～2.0 m左右。

基坑開挖范圍內存在大厚度的粉土層，滲透系數大，地下水對基坑開挖影響較大，臨地鐵側做好止水措施，且不允許地鐵側進行降水施工。

3 基坑現場監測與分析

3.1 監測布置

基坑監測內容包括深層土體位移、坑內外地下水位、支撐軸力及地面沉降，具體監測數量列于表2中，其中，深層土體位移為土體的水平位移。現場布置如圖2所示。

表2 基坑監測項目

圖2 基坑監測平面布置

3.2 基坑監測結果分析

3.2.1 深層土體位移

分別在基坑東南西北4個方向上各選取1個測點進行分析，分別是CX20，CX30，CX35，CX39，其中CX20為近地鐵側的測點。不同施工階段深層土體位移曲線如圖3所示，Ⅱ基坑施工對距其較遠的CX30，CX35，CX39測點影響較小，未繼續對3個測點深層土體位移進行監測。

圖3 不同施工階段深層土體位移分布曲線

CX20，CX30，CX35，CX39測點最大監測值分別為27.70，29.99，22.71，25.78 mm，由于土體的流變效應，CX30，CX35，CX39測點深層土體位移在Ⅱ基坑施工期間和施工后將繼續發展，CX20測點后期深層土體位移變化量約10 mm，可大致判斷其他3個測點未監測的后期深層土體位移變化量超過10 mm。比較CX20測點與其他3個測點，說明分區開挖方法能較好地控制基坑周邊土體變形。CX20測點最大監測值所處深度始終在3 m左右，而其他3個測點最大監測值所處深度隨著基坑向下開挖逐漸下移，Ⅰ基坑地下室結構施工后，最大監測值所處深度為6～7 m。以CX30，CX35，CX39測點為基礎，綜合其他與Ⅱ基坑較遠的測點深層土體位移監測結果，Ⅰ基坑地下結構施工階段，各測點的深層土體位移變化較大，該階段是土體變形控制的重要階段。

3.2.2 地面沉降

在44個點的深層土體位移監測中，CJ9—CJ23測點布置在Ⅰ基坑側，CJ1—CJ8、CJ24測點布置在Ⅱ基坑側，選擇CJ9—CJ23測點監測結果進行分析，不同施工階段地面沉降監測結果如圖4所示。由圖4可知：

1) Ⅰ基坑2層開挖后，地面沉降最大為6.53 mm，15個測點地面沉降平均為2.68 mm；

2) Ⅰ基坑3層開挖后，相對于Ⅰ基坑2層開挖，地面沉降有一定幅度的增大，增大幅度在3.94～7.28 mm。Ⅰ基坑3層開挖后地面沉降最大值和平均值分別為11.17和8.21 mm；

3) 相對于Ⅰ基坑3層開挖，Ⅰ基坑地下室結構施工地面沉降變化非常明顯，增大幅度在26.41～34.62 mm，地面沉降最大值和平均值分別為44.55和39.82 mm。

3.2.3 地下水位變化

在25個點的地下水位監測中，SW5—SW16測點布置在Ⅰ基坑外側，SW1—SW4，SW17測點布置在Ⅱ基坑外側，SW18，SW19布置在Ⅱ基坑內，SW20—SW25布置在Ⅰ基坑內。Ⅰ基坑外側測點不同施工階段地下水位監測結果如圖5(a)所示(Ⅱ基坑施工及以后未進行監測)，Ⅱ基坑外側測點不同施工階段地下水位監測結果如圖5(b)所示，地下水位用正值表示，含義為距地表的距離。

圖5 不同施工階段地下水位監測結果

Ⅰ基坑外側坑外降水點初始水位普遍低于Ⅱ基坑外側坑外降水點初始水位。由圖5(a)可知：

1) Ⅰ基坑外側12個測點中有10個測點地下水位隨基坑開挖下降，在下降過程中，以Ⅰ基坑2層開挖階段變化最為顯著；

2) SW10，SW12測點地下水位均經過了“先降低，再上升”的過程，SW10測點最終水位與初始水位基本一致。SW12測點初始地下水位6.06 m，Ⅰ基坑開挖后變為4.63 m，水位變化量為1.43 m；

3) Ⅰ基坑外側12個坑外測點最大水位變化量為1.824 m，大多數測點水位變化均大于Ⅱ基坑外側測點水位變化，說明分區分塊開挖，對地下水位變化的控制效果明顯。

由圖5(b)可知：Ⅱ基坑外側4個測點地下水位隨基坑開挖逐漸下降，Ⅰ基坑地下室結構施工階段地下水位變化明顯，施工完成后一段時間，地下水位也有一定變化，整個施工過程中地下水位最大變化量為0.79 m。

3.2.4 支撐軸力

Ⅰ基坑3道支撐、Ⅱ基坑4道支撐均進行了軸力監測。Ⅰ，Ⅱ基坑1道、2道、3道支撐累計變化量控制指標分別為±8 000，±10 000，±12 000 kN，Ⅱ基坑第4道支撐累計變化量控制指標為±14 000 kN。部分支撐軸力最終監測結果列于表3中，通過對68組支撐軸力情況進行分析可知：Ⅰ，Ⅱ基坑量測的支撐軸力滿足控制標準，且有一定的安全余量；Ⅰ基坑3道支撐軸力大于2道支撐軸力，1道支撐軸力小于2，3道支撐軸力；Ⅱ基坑支撐軸力大于Ⅰ基坑同道支撐軸力。

表3 部分支撐軸力最終監測結果 kN

4 1號線上行線監測結果分析

4.1 位移監測結果

1號線上行線距離基坑最近，受基坑施工影響最明顯。自車站端部開始，從右至左在1號線上行線內部布設了44個監測斷面。本文以1號線上行線為對象，分析了不同施工階段豎向位移、差異沉降、水平位移及收斂變化情況，結果如圖7所示。

圖7 Ⅱ基坑施工后盾構隧道新增裂縫典型情況

由圖6(a)可知：①Ⅰ基坑2層開挖后，除1號測點-0.8 mm和8號測點0.2 mm外，其他測點豎向位移均在0.7～1.7 mm；②Ⅰ基坑3層開挖對各測點豎向位移影響不大，其中左側測點變化幅度稍大于右側測點；③Ⅰ基坑地下室結構施工階段，右側部分測點豎向位移變化十分明顯，其原因是在Ⅱ基坑施工前右側基坑邊界與1號線的距離小于左側；④Ⅱ基坑施工階段各測點的豎向位移變化較小，表明分區施工對控制隧道豎向位移作用明顯；⑤基坑施工完成后，各測點豎向位移繼續增大，但變化幅度不大。

由圖6(b)可知：各測點差異沉降在基坑橫向上分布呈“波浪”特征，且隨著施工進展變化無明顯規律，在-1.5～2.5 mm變化。

由圖6(c)可知：①Ⅰ基坑2層開挖后，各測點水平位移相差不大，均在-0.8～1.1 mm范圍內；②Ⅰ基坑3層開挖階段，16—24號測點水平位移增大，兩側測點稍有增大或減小；③Ⅰ基坑地下室結構施工階段，16—24號測點水平位移繼續大幅度增大，兩側測點變化稍有增大或減小；④Ⅱ基坑施工對各測點的水平位移影響不大。

由圖6(d)可知道：①收斂值在基坑橫向上呈現“中間大，兩邊小”的特征，其中以20號測點收斂最大；②Ⅰ基坑2層開挖后，大部分測點收斂值均在1.0～1.8 mm范圍內；③Ⅰ基坑3層開挖后，各測點收斂均有小幅度增大；④Ⅰ基坑地下室結構施工階段，4—36號測點收斂值有明顯變化，其中以20號測點變化幅度最大，增大了13.7 mm；⑤Ⅱ基坑施工對收斂影響很小，但Ⅱ基坑施工完成后，由于土體流變效應，各測點收斂繼續增大。

4.2 隧道變形控制效果分析

《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T 202—2013)對地鐵隧道安全控制指標值做了規定，其中水平位移、豎向位移及徑向收斂均要求小于20 mm，差異沉降要求小于4 mm。由圖6可知，最大豎向位移為-6.6 mm，最大差異沉降為2.4 mm，最大水平位移為4.0 mm，最大收斂為20.9 mm(20號斷面)，其中豎向位移、差異沉降、水平位移均滿足控制要求，但20號斷面的收斂超過了控制要求。

5 盾構隧道裂縫情況

5.1 裂縫數量及空間分布特征

在Ⅰ基坑和Ⅱ基坑地下室結構施工完成后，對距離基坑最近的1號線上行線隧道內進行了現場巡查，對2個階段盾構隧道的新增裂縫情況進行了詳細記錄，Ⅱ基坑地下室結構施工完成后盾構隧道新增裂縫典型情況如圖7所示。

不同施工階段新增裂縫情況如圖8所示，新增裂縫全部在盾構隧道上半部分。Ⅰ基坑地下室結構施工后盾構隧道新增了74條，主要分布在12點鐘位置，該位置裂縫條數占比63.5%，9點鐘、10—11點鐘位置分布有6條和5條裂縫，其他位置裂縫在1～4條。Ⅱ基坑地下室結構施工后，新增裂縫51條，12點鐘位置裂縫數量占全部數量的41.2%，相對于Ⅰ基坑地下室結構施工后有所減少，11點鐘、11—12點鐘位置裂縫數量增加，占比分別為23.5%，13.7%，表明Ⅱ基坑施工階段盾構隧道裂縫頂部集中效應減弱。

圖8 Ⅱ基坑施工后裂縫位置分布

5.2 裂縫尺寸特征

以Ⅱ基坑施工后1號線上行線盾構隧道新增裂縫為研究點，寬度分布及收斂值分布如圖9、圖10所示。由圖9可知：①Ⅱ基坑施工后新增裂縫寬度主要在0.6 mm以下，約占總數的92.6%。0.6～0.8 mm寬度范圍內無裂縫。0.8 mm以上裂縫寬度相對較少，約占總數的7.4%；②整體上，裂縫數量與寬度成反比關系，寬度越大的裂縫出現的概率越小。由圖10可知：新增裂縫收斂值基本都大于3 mm，大部分在6 mm以上，其中6 mm以上占比約為78.4%，3～6 mm收斂值范圍占比約為19.6%，收斂值在3 mm以下僅有1條。

圖9 Ⅱ基坑施工后裂縫寬度分布

圖10 Ⅱ基坑施工后裂縫收斂值分布

Ⅱ基坑施工后巡查到的51條新增裂縫中，長度在0.5 m及以下有15條，長度在0.5～1.0 m(包括1.0 m)有5條，長度在1.0～1.5 m(包括1.5 m)有3條，貫通的有28條，多數新增裂縫長度已呈貫通特征，貫通條數占總條數超過55%。

6 結論

1) Ⅱ基坑側深層土體位移及地下水位變化小于Ⅰ基坑側，分區開挖效果明顯。支撐軸力均小于控制標準，且有一定的安全余量，支撐處于安全狀態。

2) Ⅰ基坑地下室結構施工階段位移和1號線上行線監測結果明顯，1號線上行線豎向位移、差異沉降、水平位移滿足控制要求，但部分收斂值接近或超過控制標準。上述結果與該階段施工中斷有關，因此，需控制結構施工周期，以減小土體流變效應對基坑和鄰近隧道的影響。

3) 基坑施工引起了臨近盾構管片裂縫，裂縫分布在盾構上半部分，主要在12點鐘位置。寬度多數小于0.6 mm，收斂值多大于6 mm。部分裂縫已貫通，需進行管片損傷檢測。