鄰近地鐵基坑不同工況對周邊環境的影響分析

易 娟

上海智平基礎工程有限公司 上海 200072

現今城市建設用地有限，地鐵線路也密布整個城市，城市發展地下空間越來越多，故深大基坑也越來越多，周邊環境復雜且緊鄰地鐵。為保證周邊環境的安全性，尤其是地鐵，挖深較深且開挖面積較大的基坑往往采用分坑技術進行施工，而開挖工況常規都是大基坑出±0 m后，依次開挖鄰近保護性建（構）筑物或地鐵的小坑，而該開挖工況工期往往都很長，與建設單位希望快速交付的意愿相違背[1-3]。

上海普陀區真如社區某項目的周邊環境復雜，原設計按常規大坑出±0 m后依次開挖小坑的工況進行土方開挖，由于本工程工期緊的問題，如果在大坑出±0 m前可以先開挖小坑，則能解決工期緊的問題。本文通過前期的驗算及后期施工策劃來驗證了此工況的可行性。

1 工程概況

1.1 基坑概況

本工程建設用地總面積約41 862.3 m2，總建筑面積420 976.85 m2，其中，地上304 020.85 m2，地下116 956 m2，地下3層。基坑共分為5個區域，圖1為本工程基坑分區，基坑挖深及開挖面積如表1所示。

圖1 基坑分區示意

表1 基坑挖深及開挖面積

1.2 周邊環境

本工程位于普陀區真如社區。基坑南至規劃路（建設中），下設綜合管廊（埋深2.3～5.6 m），且分布有較多管線，開挖邊線距離南側管線最近12 m；東北側緊鄰為盾構區間，盾構區間寬度約52.6 m，基礎埋深23.0～24.2 m；西側為已有地鐵出入口，開挖邊線距離地鐵出入口最近6 m；場地西南側有220 kV高壓線塔，高壓線高度約32.6 m，開挖邊線距離高壓線塔最近為9 m。故基坑施工期間，對已建地鐵、管廊、高壓電力線的保護尤為重要。

1.3 工程水文地質條件

基坑施工范圍內的土層從上至下依次為①1雜填土、①2浜底淤泥、②粉質黏土、③黏質粉土夾淤泥質粉質黏土、④淤泥質黏土、⑤黏土、⑥粉質黏土、⑦1砂質粉土、⑦2粉砂、⑧1粉質黏土。

本項目基坑一般開挖深度為17.3～19.0 m，場地存在⑦1層和⑦2層承壓水，最淺埋深27.46 m，勘探期間水位埋深約3.0 m。當基坑開挖至13.2 m時，剛好滿足抗突涌要求；外圍采用厚1 m、深45 m的地下連續墻，墻底進入了⑧1層隔水層，隔斷了坑內外⑦1層和⑦2層承壓水水力聯系，基坑開挖過程中僅需針對⑦1層和⑦2層進行疏干降水。

2 施工難點分析

2.1 原設計工況不滿足工期要求

本工程工期緊，原設計各分區開挖施工順序如下：首先開挖施工A區（遠離地鐵側大面積基坑）；待A區回筑至±0 m后，開挖施工C1區、C3區；C1區及C3區回筑至±0 m后，方可開挖C2區；C1區回筑至±0 m后，開挖施工D區。該方案整體工期較長，不滿足業主實際工期要求。

2.2 中隔墻受力復雜

A區向上回筑，C區向下開挖，因此中隔墻雙向受力，需驗算其在最不利工況下的受力安全。

2.3 周邊環境復雜，需做好土方開挖策劃

本工程緊鄰盾構區間，且周邊分布有眾多管線，A區開挖面積較大，約14 177 m2；C區為緊鄰地鐵側的3個小坑，開挖卸載過程中對周邊環境的影響較大，故需做好合理的土方分區。

3 針對工期緊的措施

為滿足業主工期要求，本工程對原設計工況進行了優化，施工前對原設計工況和優化后的工況進行了有限元模擬分析對比。

3.1 原設計工況概況

A區回筑出±0 m，C1/C3區表層土方開挖并施工支撐棧橋（工況1，圖2）→A區核心塔樓地上施工，C1/C3區第2層土方開挖并施工第2道鋼支撐（工況2）→A區核心塔樓地上施工，C1/C3區第3層土方開挖并施工第3道鋼支撐（工況3）→A區核心塔樓地上施工，C1/C3區第4層土方開挖并施工第4道鋼支撐（工況4）→A區核心塔樓地上施工，C1/C3區開挖第5層土方并施工第5道鋼支撐（工況5）→A區核心塔樓地上施工，C1/C3區開挖到坑底，隨挖隨澆筑墊層（工況6，圖3）。

圖2 原設計開挖工況1示意

圖3 原設計開挖工況6示意

3.2 原設計工況有限元分析

本項目采用2D Plaxis有限元軟件對原設計工況進行了模擬分析，來預測基坑開挖對地鐵的影響情況。

Plaxis軟件是常用的有限元分析軟件，本工程計算，采用尺寸為7 m×50 m，土層采用強化土模型，內聚力、內摩擦角等的值均取自地勘報告，地下連續墻及支撐采用線彈性模型。

采用Plaxis有限元模擬分析原設計工況的變形情況，結果顯示地鐵側的水平位移最大值－5.14 mm；豎向位移最大值5.34 mm。

3.3 優化后的施工工況概況

原設計工況雖然能滿足保護周邊環境的要求，但由于C1/C3區需待A區出±0 m后方可開挖，工期較長，不滿足業主的工期要求。計劃采用A區與C區交叉開挖施工的工況來節約工期。

交叉開挖施工工況：A區分層開挖至坑底并施工底板→C1/C2區首層土開挖并施工第1道混凝土支撐（工況1）→A區拆除第4道支撐并施工地下3層頂板，C1/C2區第2層土方開挖并施工第2道鋼支撐（工況2，圖4）→A區拆除第3道支撐并施工地下2層頂板，C1/C2區第3層土方開挖并施工第3道鋼支撐（工況3）→A區拆除第2道支撐且鄰C區側同步澆筑臨時混凝土換撐，C1/C2區第4層土方開挖并施工第4道鋼支撐（工況4）→A區拆除第1道支撐并施工地下1層頂板，待地下1層頂板養護至設計強度后，拆除鄰C區側的臨時混凝土換撐，C1/C2區第5層土方開挖并施工第5道鋼支撐（工況5）→A區核心塔樓地上施工，C1/C3區開挖到坑底，隨挖隨澆筑墊層及施工底板（工況6，圖5）→C1/C3區地下室出±0 m。

圖4 優化后工況2示意

圖5 優化后工況6示意

3.4 優化后的施工工況有限元分析

采用Plaxis有限元模擬分析優化后工況的變形情況，結果顯示地鐵側的水平位移最大值－5.23 mm；豎向位移最大值5.34 mm。

3.5 兩工況對比分析

通過對比分析可知，優化后的施工工況與原設計工況的變形幾乎一致，對周邊環境（特別是地鐵）的影響很小，可保證周邊構筑物及地鐵的安全，且可縮短施工工期，滿足業主的工期要求。

4 中隔墻受力復雜的措施

由各施工工況可以看出，中隔墻最不利工況為工況6，即A區完成地下室回筑，C區開挖至坑底。結合基坑支撐受力的計算結果，將本工況簡化成靜力計算模型，如圖6所示。

圖6 中隔墻最不利工況簡化模型

在A 區基坑開挖階段，中隔墻的彎矩設計值為－1 467.9～2 580.1 kN·m，而在“A區回筑、C區開挖”階段，中隔墻的彎矩為－806.841～759.279 kN·m。中隔墻厚度為1 200 mm，經強度驗算，配筋可以滿足中隔墻雙向受力要求。

5 土方開挖策劃

為保證周邊環境的安全，尤其是地鐵的安全性，施工前對土方開挖進行了前期策劃。

5.1 A區土方開挖要求

1）A區主要采用盆式開挖，先開挖中間部位的土方，再對稱開挖周邊土方，開挖順序為A-1區→A-2→A-3區→A-4區→A-5區A-6區。周邊邊坡留土，坡頂寬12 m（地鐵側不小于20 m），高寬比≤1∶1.5，每層開挖深度不大于3.5 m。

2）坑邊土方開挖、支撐施工及與中部支撐相接的時間需控制在36 h內。

3）坑中坑土方需在大面積墊層施工完畢后，方可開挖；墊層澆筑需控制在24 h內，無墊層暴露面積需控制在200 m2內，且需在7 d內完成底板施工。

5.2 C區土方開挖要求

1）C區土方采用對稱開挖。

2）土方開挖、支撐施工需控制在12 h內。

3）墊層澆筑需控制在24 h內，無墊層暴露面積需控制在100 m2內。

4）C區第2—5道支撐均為φ609 mm鋼管支撐（帶油壓泵軸壓自動伺服系統），可保證地鐵運營安全。第2—5道鋼管支撐以及臨時鋼管換撐的油壓泵支撐壓力預設值依次為1 800、1 800、2 200、2 000 kN；A區基坑開挖過程中，需及時反饋地下連續墻側向變形的監測情況，調整油壓泵支撐壓力設定，確保地鐵設施安全。

5）挖土完成后7 d內應完成底板施工。

6 監測數據結果統計

基坑按照優化后的工況進行施工，出±0 m后，對施工過程中地鐵的監測數據進行了整理分析，地鐵的變形位移值均在規范要求的范圍內，特別是地鐵變形值很小，幾乎無擾動。

7 結語

本工程為普陀區真如社區某分坑工程，為節約工期，采用交叉開挖的施工工況，節約工期約90 d。監測數據結果表明，改進后的施工工況對周邊環境影響很小，變形值均在規范范圍內，可以為類似的基坑工程提供一定的施工依據。