鄰近既有隧道的軟土地區深基坑設計與監測分析

李成巍

（上海申元巖土工程有限公司，上海市200040）

鄰近既有隧道的軟土地區深基坑設計與監測分析

李成巍

（上海申元巖土工程有限公司，上海市200040）

現以新龍廣場項目深基坑工程為背景，介紹在軟土地區緊鄰既有隧道的復雜環境條件下，深基坑變形控制的設計方法，以及針對變形控制目標采取的一系列設計施工措施。為了減小基坑降壓對周邊環境的不利影響，某工程采用了超深三軸水泥土攪拌樁隔斷承壓水含水層。通過基坑監測數據的分析表明，該基坑工程采取的相關技術措施，有效地控制了基坑開挖對周邊保護對象的影響，可以為類似工程提供一定的參考。

既有隧道；槽壁加固；被動區土體加固；超深三軸水泥土攪拌樁

0 引言

隨著城市地下空間開發的不斷發展，越來越多的基坑工程不可避免地會遇到地鐵隧道、電力隧道、市政隧道、綜合管廊等地下構筑物。特別是在沿海軟土地區，基坑工程對周邊環境的影響較大，如若應對不當，則將對臨近的地下構筑物造成破壞，危及相關地下構筑物的運營安全。圍繞著基坑工程對周邊環境的影響和變形控制技術研究，一直是行業內的熱點問題之一。

針對基坑工程施工工況下既有隧道的變形控制問題，國內的學者進行了大量有意義的研究工作。謝雄耀等[1]研究了基坑開挖引起下臥既有電力隧道變形的控制技術，并研制了一套遠程自動化結構實施變形監測系統；張屹等[2～3]結合實際工程案例，研究了基坑開挖對既有電力隧道的影響，給出了電力隧道保護區范圍建議；閆靜雅等[4～8]對鄰近運營地鐵隧道的深基坑設計施工技術進行了分析，并結合工程實例，提出了臨近地鐵隧道的基坑設計施工和監護要點。

本文以新龍廣場項目基坑工程為例，針對該項目臨近既有的電力隧道和地鐵隧道，基坑變形控制要求非常嚴格的情況，分析了基坑工程變形控制的一系列設計施工措施，并結合基坑實施情況和監測數據，對項目實施效果進行了驗證，其成果可以為類似基坑工程的設計施工提供一定的參考。

1 工程概況

新龍廣場項目位于上海市靜安區，東至西藏

北路、南到蒙古路、西至晉元路、北至西藏北路225

弄住宅基地。項目總建筑面積約三萬多平方米，是

集辦公、住宅及配套商業于一體的綜合性項目。基

地占地面積為9 956 m2，地形方正，南北長約80 m，

東西長約120 m。該項目地上主要包括一棟2～19

層的商辦綜合樓和一棟26層的商住綜合樓，設置

整體地下室，地下三層。基坑開挖面積7 500 m2，

開挖深度約15 m～18 m。

1.1 周邊環境條件（見圖1）

圖1 基坑周邊環境圖

該項工程周邊環境復雜，場地東側為西藏北路，臨近該場地側有電力隧道；西藏北路下方有正在運營的軌道交通8號線，以及一些市政管線；南側為蒙古路，蒙古路下有一些市政管線，道路對面為向東中學及蒙古小區；西側為晉元路，晉元路對面為華祺苑小區；北側為通聯公寓住宅小區。

西藏北路下靠近該基坑側為西藏南路（新疆路-復興中路）電力隧道工程的電力隧道，采用機械式頂管工藝施工，材質為鋼筋混凝土頂管，管節長2.5 m，外徑約3.5 m，壁厚250 mm，該段電力隧道埋深約8.64 m～11.51 m。臨近該場地側有電纜隧道1號工作井及出入口通道（其中出入口通道位于該場地內），井底埋深約13.8 m。該項工程地下室外邊線距離電力隧道最近約10.3 m。

西藏北路下分布有軌道交通8號線區間隧道（曲阜路站-中興路站），為上下雙行線路，隧道外徑6.5 m，上下線隧道凈距8.2 m～11.2 m，地鐵隧道埋深為10.158 m～13.935 m，該項工程地下室外邊線距離地鐵隧道外邊線最近為32.2 m。

根據上海市房屋建筑設計院房屋質量檢測站提供的《上海西藏北路新龍廣場基坑周邊建筑損壞趨勢檢測報告（基坑開挖前）》（滬房鑒（008）證字第2012-239），場地南側臨近的向東中學和蒙古小區建筑，均為天然地基淺基礎，且房屋已經有一定的傾斜和沉降，抵抗變形能力差。

基坑設計和施工中需要采取可靠的措施，確保基坑工程對臨近的既有隧道、保留建筑的變形影響在安全范圍之內。

1.2 水文地質概況

根據巖土工程勘察報告，該項工程基坑施工影響范圍內的土層為上海地區比較典型的軟土地層，土層分布相對穩定，各土層物理力學指標見表1所列。

表1 土層物理力學性質綜合成果表

擬建場地淺部地下水屬潛水類型，受大氣降水及地表逕流補給。勘察期間所測得的地下水穩定水位埋深一般在0.80 m～1.10 m之間。

擬建場地內存在第一承壓水含水層（第⑦1層和第⑦2層），第二承壓水含水層（第⑨層）。根據上海市工程實踐，第⑦1、⑦2和⑨層承壓水一般埋深變化范圍為3.0 m～11.0 m。該項工程基坑開挖深度約15 m～18 m，第⑦1層承壓水含水層層頂相對標高為-30.16 m，承壓水水頭埋深按最不利水頭埋深3m考慮，常規開挖區域和局部落深坑區域基坑存在抗⑦1層承壓水穩定性問題。第⑨層承壓含水層埋深較大，因此對該項工程基坑開挖的抗承壓水穩定性影響不大。

2 基坑圍護設計

2.1 主要技術難點

該項工程東側西藏北路下方，緊鄰西藏南路（新疆路-復興中路）電力隧道工程的電力隧道，距離該項工程地下室外邊線僅10.3 m，頂管法施工；西藏北路下方同時分布著地鐵8號線區間隧道，上下雙行線，距離該項工程地下室外邊線最近約32.2 m。

根據上海市《電力隧道結構安全監測企業標準（試行）》（2010），頂管隧道的相鄰監測點的不均勻沉降，報警值取20 mm，危險狀態取60 mm；頂管法隧道接頭性能主要控制的參數為隧道管段的接頭張開量，報警值取4 mm，危險狀態取30 mm。

根據《上海市軌道交通安全保護區暫行管理規定》,地鐵結構設施絕對沉降量及水平位移量≤20 mm（包括各種加載和卸載的最終位移量）,基坑施工期間運營地鐵結構的允許變形量為10 mm。

該基坑鄰近的電力隧道和地鐵隧道的變形保護要求高，一旦變形過大，將對城市供電系統和軌道交通運營系統造成嚴重的影響，因此如何控制基坑施工引起的周邊環境影響，保證周邊保護對象的變形在安全范圍之內，是制約該項工程基坑圍護設計成敗的關鍵因素。

同時，該項工程場地存在承壓水突涌問題，基坑開挖期間需要抽降承壓水，如何減小基坑降壓對周邊環境的影響，也是該項工程基坑設計和施工需要重點考慮的問題。

2.2 基坑圍護設計選型

按上海市工程建設規范《基坑工程技術規范》，該基坑工程安全等級應為一級。該項工程東側西藏北路下方有電力隧道和軌道交通8號線區間隧道通過，環境保護等級為一級，其余側環境保護等級為二級。

為保護既有隧道的運營安全，在上海地區鄰近既有隧道的基坑工程中，多采用在臨近地鐵側劃分窄條基坑，將基坑劃分為多個基坑先后施工。由于該項工程場地狹小，且東側分布一棟塔樓，如若大坑化小坑，則塔樓地下室結構將一分為二施工，對地上結構塔樓施工造成較大的困難。因此，經過與電力隧道和地鐵隧道的主管部門的多次溝通和設計方案比選，該基坑工程采用整體順作開挖的設計方案。

上海地區適合該基坑工程的圍護結構主要有排樁+止水帷幕、地下連續墻等形式。其中，地下連續墻既可以止水，又可以擋土，圍護剛度最大，控制變形能力最強。地下連續墻可以同主體結構地下室外墻結合，即“兩墻合一”，進一步拉開基坑圍護結構與保護對象的距離，減少基坑開挖對周邊環境的影響，也可以節約一定的造價，是上海地區緊鄰既有隧道結構的基坑常用選型。因此，該項工程擬采用地下連續墻“兩墻合一”作為基坑周邊圍護結構。

支撐體系常用的有鋼筋混凝土支撐或鋼支撐。鋼筋混凝土支撐的整體剛度較大，控制變形能力強；布置形式靈活，可以與挖土相結合，預留較大的出土空間，方便施工；同時可以與施工棧橋相結合，進一步加快挖土速度。鋼支撐的主要優點是安裝和拆除方便，可以加快施工進度，減少工期。根據該項工程的基坑實際情況，此設計擬采用鋼筋混凝土支撐的形式。

綜上所述，此基坑設計方案擬采用地下連續墻“兩墻合一”作為圍護結構，坑內設置三道鋼筋混凝土水平支撐。

2.3 基坑圍護設計方案

該項工程基坑東側緊鄰電力隧道和地鐵區間隧道，環境變形要求十分嚴格，同時，場地存在坑底抗承壓水穩定性問題，需要嚴格控制基坑抽降承壓水對周邊環境的影響，因此，設計采取了一系列針對性的技術措施，確保該項工程的順利實施和周邊保護對象的安全。

2.3.1 地下連續墻設計

基坑常規開挖區域（除東側外），基坑開挖深度約15 m，設計采用800 mm地下連續墻“兩墻合一”的圍護結構，墻底埋深約32.5m；東側臨近隧道區域，為了加強圍護體的整體剛度，設計采用1 000 mm厚地下連續墻兩墻合一的圍護結構，墻底埋深約34 m。圖2為基坑圍護平面圖。

圖2 基坑圍護平面圖

為了減小基坑周邊環境在地下連續墻成槽施工期間的變形，此設計在地下連續墻兩側設置了三軸水泥土攪拌樁槽壁加固。攪拌樁在施工前需進行試樁，調整施工參數，嚴格控制垂直度。同時為保證槽壁加固質量，在地墻施工前，需對攪拌樁加固進行全斷面取芯檢測。

2.3.2 承壓水控制設計

根據驗算可知，該項工程常規開挖區域基坑底部土體抗⑦層承壓水穩定性不滿足要求，電梯井和集水井等局部落深區域抗承壓水穩定性問題更加突出。因此，承壓水問題應該引起充分的重視，要避免出現基坑開挖過程中產生突涌、流砂等不良后果，甚至周邊路面坍塌、管線斷裂，基坑塌方等事故。

為減小降承壓水對周邊環境的影響，上海地區的常規處理方式有兩種。一種是將止水帷幕伸入至不透水層（第⑧層），切斷第⑦層承壓水的水源補給，變降壓問題為疏干問題；另一種是在坑外設置回灌井，以保持坑外承壓水的水頭標高，保護周邊環境。

根據該項工程的實際情況和周邊環境保護要求，此設計將地下連續墻外側的止水帷幕伸入至不透水層（第⑧層），切斷第⑦層承壓水的水源補給，變降壓問題為疏干問題。外側止水帷幕采用超深三軸水泥土攪拌樁，樁底埋深約46.5 m，水泥摻量25%，基坑外圍周邊全斷面進入⑧層不小于1 m。

圖3為鄰近既有隧道區域圍護剖面示意圖。

圖3 鄰近既有隧道區域圍護剖面示意圖

2.3.3 坑內被動區土體加固設計

通過對基坑內被動區土體進行加固，可以增加坑內被動區土體抗力，有效地控制基坑開挖時圍護結構的水平位移。常用的坑內加固措施主要有雙軸水泥土攪拌樁、三軸水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁、MJS工法、R J P工法等。

此設計在東側緊鄰既有隧道區域，設置了三軸水泥土攪拌樁裙邊加固，加固高度從第一道支撐底至坑底以下5 m，水泥摻量15%～25%；在其他區域，設置了三軸水泥土攪拌樁墩式加固，加固高度從第一道支撐底至坑底以下4 m，水泥摻量10%～20%。

2.3.4 支撐體系設計

為確保地鐵隧道和電力隧道的運營安全，設計采用了三道鋼筋混凝土內支撐，并采取了以對撐為主（控制對撐的水平間距），部分區域結合邊桁架+角撐的支撐體系，傳力簡單、明確、可靠。為更好地保護東側隧道，東西向水平支撐的間距在9m左右（見圖4）。

圖4 支撐平面布置圖

此設計結合第一道鋼筋混凝土支撐設置了施工棧橋，為基坑施工創造了較多的工作面，確保基坑可以流水施工、交叉作業，大大縮短了基坑整體無支撐暴露時間和整個基坑施工工期，減少環境影響。重車行走路線主要在基坑西側和南側，東側臨近隧道區域禁止重車行走。

2.3.5 土方開挖要求

基坑土方開挖嚴格遵循“分區、分塊、對撐、平衡、限時”的原則，先挖除基坑中部和環境保護等級較低部位的土方，并及時形成對撐。臨近地鐵側每層土方的留土寬度不小于開挖深度的4倍，且最后挖除，并應及時形成對撐，每一塊土體挖土和支撐的總施工時間控制在24 h以內，減少基坑暴露時間。

2.3.6 基坑施工對既有隧道影響分析

采用巖土工程有限元分析軟件，選取東側靠近隧道區域的基坑典型剖面建立了平面有限元模型，對基坑開挖引起的既有隧道變形進行了預評估。土體采用摩爾庫倫模型，圍護墻、支撐及隧道結構等采用線彈性模型。

基坑開挖到底后，土體水平向位移云圖和豎向位移云圖詳見圖5和圖6所示,在基坑東側緊鄰隧道區域，土體最大水平位移發生在坑底附近，最大值為26 mm，坑內土體隆起最大值48 mm。

圖5 水平位移等值云圖

圖6 豎向位移等值云圖

基坑開挖到底后，電力隧道和地鐵隧道的位移圖見圖7和圖8所示。基坑開挖引起的電力隧道的最大沉降約5 mm，水平位移約7.5 mm，地鐵隧道的沉降約1 mm，水平位移約3 mm，隧道變形均在安全范圍以內。

圖7 電力隧道位移矢量圖

圖8 地鐵隧道位移矢量圖

3 基坑實施及監測情況

該項目從2013年3月18日開始圍護結構施工，至2014年4月26日地下室頂板完成，歷時13個月。其中從2013年10月10日開始挖土，至2013年12月4日地下室底板澆筑完成，歷時55 d。

在基坑施工過程中，第三方監測單位對基坑和周邊環境進行了實時監控，以指導現場信息化施工。基坑監測項目主要包括：圍護墻墻頂位移、圍護墻墻身測斜、深層土體位移、坑內外水位、支撐軸力、立柱沉降、周邊建筑及管線位移、電力隧道及地鐵隧道位移等。

監測結果表明：該項基坑工程實施過程中，基坑圍護結構變形和周邊隧道、市政管線、房屋的變形均在安全可控的范圍之內。

3.1 施工工況

該項工程的施工工況主要分為以下幾個階段：（1）工況一，基坑圍護結構施工；（2）工況二，開挖至第一道支撐底，施工第一道支撐；（3）工況三，開挖至第二道支撐底，施工第二道支撐；（4）工況四，開挖至第三道支撐底，施工第三道支撐；（5）工況五，開挖至坑底，施工底板；（6）工況六，拆除第三道支撐，施工B2板；（7）工況七，拆除第二道支撐，施工B1板；（8）工況八，拆除第一道支撐，施工B0板。

3.2 監測結果分析

圖9反映了地下連續墻在基坑施工各工況下的側向變形情況。其中，監測點C X5位于基坑東側（臨近隧道區域，采用1 000 mm厚地下連續墻），監測點C X8位于基坑南側（常規區域，采用800 mm厚地下連續墻）。從圖9中可以看到，地下連續墻在基坑開挖到底板完成階段，監測點C X5和C X8累計變形量分別為18.88 mm（深度13m）和36.11 mm（深度16m）；在基坑回筑工況下，地下連續墻的最大變形增加到23.6 mm（深度5m）和39.63 mm（深度13 m）。

從監測數據可以得知，該項工程東側臨近隧道區域，設計采取了地下連續墻加厚、三軸水泥土攪拌樁裙邊加固、支撐間距減小等一系列針對性的措施，有效地減少了基坑開挖的變形，地下連續墻的側向位移僅為常規區域的一半。另外，從C X5的監測數據可以得知，在基坑回筑工況下，地下連續墻側向位移增加了5 mm，占總變形量的20%，因此，對于在環境復雜的基坑變形控制時，應重視拆撐工況下的基坑變形，可以采取設置斜拋撐換撐，局部支撐后拆等措施，以進一步減少基坑施工對周邊環境的影響。

圖9 圍護結構在各施工工況下的側向位移曲線圖

圖10反映了在基坑施工期間，立柱樁的豎向變形情況。從監測數據可知，在軟土地區深大基坑順作法開挖過程中，立柱樁的變形以豎向隆起為主。該項工程立柱樁隆起最大量約33.5 mm。因此，在基坑施工過程中，應嚴格按照分塊、對稱、平衡的原則，避免立柱樁之間的差異沉降過大，引起支撐桿件內部產生較大的次生應力，進而對支撐體系的安全造成不利影響。

圖11反映了在基坑施工期間，周圍市政管線的變形情況。從監測數據可知，在基坑底板完成時，上水管線的最大變形約-39.1 mm，在地下室頂板完成時，上水管線的最大變形約-47.8 mm。周邊市政管線的變形主要集中在基坑開挖階段，變形占累計變形的80%以上。在基坑回筑工況下，管線變形略有增加，基本穩定。由于該項工程基坑開挖速度快，從挖土到地下室底板完成，僅用時55 d，周圍管線的變形具有一定的滯后性。

圖10 立柱樁在各施工工況下的豎向位移曲線圖

圖11 上水管線在各施工工況下的豎向位移曲線圖

在基坑施工過程中，專業監測單位對東側的電力隧道和地鐵隧道進行了實時監測。監測數據表明，基坑施工引起的電力隧道變形在10 mm以內，地鐵隧道的變形在5 mm以內，均滿足隧道保護要求。

從該項工程的基坑實施過程和監測數據可以得知，該項工程基坑設計施工中采取的一系列針對性的技術措施，有效地保護了周邊電力隧道、地鐵隧道、管線和建筑的安全，對周圍環境的影響均在安全范圍以內。

4 結論

本文以新龍廣場基坑工程為例，針對緊鄰多條隧道（電力隧道和地鐵區間隧道）的軟土地區深大基坑工程環境保護要求高的特點，采取了地下連續墻、多道鋼筋混凝土水平支撐、坑邊裙邊加固、超深三軸水泥土攪拌樁隔斷承壓水等技術措施，來控制基坑施工引起的變形和對周圍保護對象的影響。

結合基坑實施情況和監測數據分析可知，該項工程設計施工采取的技術措施，有效地控制了基坑施工引起的周邊環境影響，確保了電力隧道和地鐵區間隧道的正常運營。通過該項工程的成功實施，可以為軟土地區類似基坑的設計施工，提供重要的參考。

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新疆5個高速項目先導試驗段開工

近日，新疆維吾爾自治區公路建設重點項目G0711線烏魯木齊至尉犁段等5個高速公路項目先導試驗段開工。這5個高速公路項目建成后，將形成新疆北、中、南及南北疆縱向高速公路大通道骨架網。

5個項目包括烏魯木齊至尉犁、尉犁至兵團第二師35團、兵團第二師35團至若羌、依吞布拉克至若羌、尉犁至且末高速公路，線路總長1 300km，總投資700多億元，是目前國內最大的PPP公路建設項目包。

其中，烏魯木齊至尉犁高速公路項目全長323km，計劃工期6 a，是國家高速公路G0711線烏魯木齊至若羌的重要組成部分，是構建絲綢之路經濟帶核心區的重要大通道。項目建設將翻越天山、貫穿南北，打通南北疆交通屏障，大幅縮減公路運營里程，將加速推進南疆乃至全疆經濟社會發展。尉犁至且末高速公路將成為第3條穿越塔克拉瑪干大沙漠的公路，是連接庫爾勒與且末的重要通道，使且末縣至庫爾勒市的公路里程縮短280km。

T U753

B

1009-7716（2017）06-0303-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.089

2017-03-02

李成巍（1985-），男，河南南陽人，碩士，工程師，從事巖土工程設計與研究工作。