緊鄰地鐵的建筑深基坑施工變形綜合控制技術(shù)研究

上海建工七建集團有限公司 上海 200050

1 工程概況

上海虹橋商務(wù)區(qū)核心區(qū)06地塊D19街坊（圖1），北至紹虹路，東臨申虹路，南側(cè)為舟虹路，西側(cè)為申長路。本工程東側(cè)緊鄰虹橋綜合交通樞紐西交通廣場，地塊擬建建筑物部分地下結(jié)構(gòu)將侵入原西交通廣場停車通道，特別是原西交通廣場的擋墻結(jié)構(gòu)、擋墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)樁、部分停車通道底板與擬建建筑地下結(jié)構(gòu)重合，完成后的結(jié)構(gòu)將和西交通停車通道連通。北側(cè)D18街坊的下方為地鐵通道，埋深為20 m，寬度為85 m，距離D19街坊擬建地下結(jié)構(gòu)外邊線僅6 m，運行中的軌交10號線近D19。深坑內(nèi)留有原軌交2號線及軌交10號線施工遺留護坡、重車行走坡道及重力壩等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，埋深超過10 m。同時根據(jù)有關(guān)規(guī)定地鐵控制范圍內(nèi)的保護要求極高，對水平變形和沉降等控制要求十分嚴格。地塊周邊申長路、申虹路下市政管線較多。本基坑保護重點為西廣場建筑結(jié)構(gòu)及軌交10號線。

圖1 工程總平面示意

本工程由3 層地下室，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式采用鉆孔灌注樁結(jié)合筏板基礎(chǔ)；以及地上1 幢9 層辦公樓、1 幢6～7 層商業(yè)體、1 幢5 層星舟組成。

D19地塊基坑寬約為150 m，長約200 m，深約15 m，采用明挖順做法施工，根據(jù)地鐵保護原則，整個基坑沿地鐵側(cè)保護范圍（距地鐵隧道30 m范圍）打設(shè)厚800 mm地下連續(xù)墻作為坑內(nèi)隔斷，將整個基坑劃分為一期（遠地鐵側(cè)）及二期（近地鐵側(cè)）基坑，并根據(jù)地鐵公司相關(guān)要求將一期及二期基坑采用厚800 mm地下連續(xù)墻劃分為5 個小基坑。分別為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3五個施工區(qū)域?qū)嵤鐖D2所示。Ⅰ區(qū)設(shè)3 道混凝土支撐；Ⅱ區(qū)設(shè)4 道支撐，第1道支撐為混凝土支撐，其余均為Φ609 mm×16 mm鋼管支撐。

圖2 基坑平面布置

D19東側(cè)西交通廣場側(cè)基坑在西廣場原有底板下開挖，考慮土體對西廣場結(jié)構(gòu)可能造成的影響，圍護采用Φ1 000 mm@600 mm硬法咬合樁，樁長19.5 m。

D19臨近地鐵一側(cè)基坑（最近點約為6 m）開挖深度為16 m，圍護采用厚800 mm地下連續(xù)墻（均插入⑦1a層），插入比例為1∶1。兩側(cè)采用Φ800 mm灌注樁進行槽壁加固，以防地鐵側(cè)土體坍塌。

第1道支撐上部為混凝土棧橋，棧橋板厚為300 mm，板面標高為+2.50 m，混凝土支撐的混凝土標號為C30。

2 施工部署及施工總流程

依據(jù)圍護設(shè)計結(jié)合以往工程的施工經(jīng)驗，根據(jù)地下連續(xù)墻的位置，可以將基坑分為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3共5 塊。采取流水施工，主要施工順序為Ⅰ-1→Ⅰ-2→Ⅱ-2→Ⅱ-1、Ⅱ-3。

為了減小挖土施工對地鐵基坑的影響，Ⅰ-2區(qū)第2～4皮土土方開挖施工，在分塊北側(cè)留設(shè)12～15 m寬被動土（見圖3深色網(wǎng)狀區(qū)域）。

圖3 I-2區(qū)挖土分塊

Ⅰ-2區(qū)土方待Ⅰ-1地塊底板及B2 層板澆筑完畢并達到強度后再進行開挖。分6 個流水段，先施工Ⅱ-2塊對應(yīng)施工段①、②，再是施工③、④、⑤、⑥施工段，如圖4所示（粗線為后澆帶，虛線為施工縫）。

圖4 I-2區(qū)底板分塊

Ⅱ區(qū)第1皮土及支撐利用Ⅰ-2區(qū)棧橋分成6 塊，由東向西分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#。第2～5皮土開挖分成Ⅱ-1、Ⅱ-2與Ⅱ-3三個子分區(qū)，開挖時為保證施工操作面及軌交運營的安全穩(wěn)定，按24 h及時形成支撐再細分15 塊，其后續(xù)施工相應(yīng)跟進。各子分區(qū)的施工順序如圖5～圖7所示。

圖5 Ⅱ區(qū)第1皮挖土分塊

圖6 Ⅱ區(qū)子分區(qū)

圖7 Ⅱ區(qū)第2～5皮挖土分塊

Ⅱ-2區(qū)挖土平面流程為：利用Ⅰ-2區(qū)棧橋由東向西12#→11#→10#→9#→8#；

Ⅱ-1區(qū)挖土平面流程為：利用Ⅰ-2區(qū)棧橋由東向西7#→6#→5#→4#→3#→2#→1#；

Ⅱ-3區(qū)挖土平面流程為：利用Ⅰ-2區(qū)棧橋由東向西15#→14#→13#；

Ⅱ區(qū)底板原則上按照Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3分3 塊施工，不再另設(shè)施工縫。

3 對地鐵隧道的保護措施[1-8]

3.1 分區(qū)分塊施工，及時形成支撐體系

利用基坑分區(qū)后產(chǎn)生的空間效應(yīng)減小圍護變形，控制開挖對地鐵隧道的影響。

分期實施要求：先實施Ⅰ-1區(qū)基坑待Ⅰ-1區(qū)基坑B2 層板達到強度后，實施Ⅰ-2區(qū)基坑，Ⅰ-2區(qū)B2 層板達到強度后對應(yīng)再實施Ⅱ-2區(qū)；Ⅱ-2區(qū)底板達到強度后，進行Ⅱ-1、Ⅱ-3基坑實施。

3.2 自動軸力補償鋼支撐系統(tǒng)

Ⅱ期基坑施工要求緊隨挖土的施工作業(yè)，隨挖隨撐，無撐挖土的暴露時間控制在24 h內(nèi)。3 道鋼支撐采用自動軸力補償系統(tǒng)。其施工流程為：支撐設(shè)備配制→進入現(xiàn)場拼裝→安裝準備→支撐吊裝就位、連接→加設(shè)預(yù)應(yīng)力、焊接→質(zhì)量驗收→使用→拆除。

本基坑共設(shè)3 道自動補償鋼支撐，根據(jù)基坑施工順序，先施工Ⅱ-2區(qū)（87 道），再施工Ⅱ-1（100 道）和Ⅱ-3基坑（51 道）。每根鋼支撐設(shè)置1 個帶回鎖功能、壓力量程達3 000 kN的油壓缸。可按設(shè)計要求對第2道、第3道、第4道鋼支撐施加軸力，如施加到1 600 kN或2 000 kN。圖8為接頭示意。

隨分區(qū)開挖安裝鋼支撐，安裝成形后，在施加預(yù)應(yīng)力時采用專用液壓泵設(shè)置在支撐活絡(luò)端處，按設(shè)計要求施加預(yù)應(yīng)力，施加預(yù)應(yīng)力分多次進行，逐級加載。在第1次加預(yù)應(yīng)力（設(shè)計值的40%～60%）后12 h內(nèi)觀測預(yù)應(yīng)力損失及墻體水平位移，并復加預(yù)應(yīng)力至設(shè)計要求值。

圖8 預(yù)應(yīng)力鋼支撐接頭示意

鋼支撐預(yù)應(yīng)力伺服系統(tǒng)采用局部獨立式鋼支撐軸力補償液壓系統(tǒng)，即每3～4 根需軸力補償?shù)匿撝闻渲靡惶紫鄬Φ男”谜疽簤合到y(tǒng)，能大大提高軸力補償所需要的系統(tǒng)響應(yīng)精度，保證施工質(zhì)量。

電氣與監(jiān)控系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)，系統(tǒng)由上位機監(jiān)控站、現(xiàn)場操作站和現(xiàn)場控制臺組成。當鋼支撐支撐點地下連續(xù)墻變形達到6 mm時，鋼支撐的預(yù)應(yīng)力自動施加壓力。

4 硬法咬合樁施工技術(shù)

咬合樁施工流程為：施工準備→樁位測量放線→咬合樁混凝土導墻施工→套管機就位→吊裝安放套管→測量調(diào)整垂直度→套管鉆進抓斗取土或旋挖機取土→清除孔底、檢查孔底→吊放鋼筋籠→安放導管、澆筑混凝土→測量混凝土、拔除導管及套管→套管機移位。

本工程的咬合樁在虹橋西交通廣場的鋼筋混凝土底板上施工，根據(jù)導墻施工要求，底板破除寬度為1 300 mm。底板破除前，先在兩側(cè)用鉆機設(shè)備鉆Φ108 mm@90 mm的孔，其中西側(cè)鉆孔深度1.25 m，東側(cè)鉆孔深度2.15 m，并將鋼筋混凝土取出來，這樣就可以使咬合樁施工范圍內(nèi)的底板成為比較獨立的結(jié)構(gòu)。鉆孔完成后底板開槽，開槽寬度1.3 m，至少每6 m需預(yù)留一塊0.6 m寬的混凝土底板保證底板與擋墻之間的支撐傳力作用。

在底板破除出一定的工作面之后，緊接著開始導墻跟進施工。導墻寬度為樁中心向兩側(cè)各650 mm，導墻孔口低于地面2～5 cm，以防止套管機在拔管時機子反力把導墻壓碎，導墻內(nèi)配Φ12 mm@250 mm鋼筋，導墻的混凝土等級為C25。

咬合樁的套管采用Φ1 000 mm的雙壁鋼套管，在成孔前，應(yīng)進行套管順直度的檢查和校正。咬合樁分A樁和B樁，A樁（先序樁）為方鋼筋籠樁，B樁（后續(xù)樁）為圓鋼筋籠的樁，先施工A樁，等A樁強度達到30%后再施工兩A樁之間的B樁如圖9所示。

與地下連續(xù)墻連接處及落坑端頭處的A樁和B樁全部采用全回轉(zhuǎn)套管機（CD機）施工，在落坑具備施工操作面后，A樁采用全套管液壓搓管機施工，B樁采用CD機施工。

圖9 硬法咬合樁施工順序示意

在成孔過程中，必須隨時進行鋼套管垂直度的監(jiān)測，特別是第1節(jié)套管鉆進時，監(jiān)測可采用2 臺經(jīng)緯儀或2 個錘球雙向控制，確保垂直度小于1/300。

混凝土采用預(yù)拌混凝土，混凝土要有一定的緩凝時間，確保灌注時的拔管順暢。B樁混凝土的初凝時間應(yīng)大于等于6 h，在施工過程中，對不同批號的水泥及不同批號的外加劑，應(yīng)提前做好配合比試驗。采用搓管機施工的A樁混凝土緩凝時間初定40～60 h，并按該要求進行實驗室試配，具體選擇標準應(yīng)滿足2 種不同設(shè)備的操作距離和使用要求。混凝土的和易性要求，按水下混凝土要求，灌注要求混凝土的坍落度在18～22 cm之間。

5 實施效果

靠近地鐵隧道一側(cè)我們采取的分坑分塊施工及采用的自動軸力補償鋼支撐系統(tǒng)，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，控制地鐵隧道變形重要的指標——地鐵隧道的累積沉降變形，在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)底板完成后，分別為4.5 mm和7.3 mm，均在控制要求范圍內(nèi)。

本工程東側(cè)作為巨量回填土區(qū)域超深基坑，環(huán)境復雜、條件苛刻，對此，我們通過對硬法咬合樁施工的技術(shù)研究，并在實施過程中根據(jù)實際情況不斷完善和創(chuàng)新，最后順利地完成了施工，為類似大型復雜工程積累了經(jīng)驗。