跨越地鐵的超大型基坑土方開挖技術

沈榮飛 李洪俠 劉建國 楊維國

1. 金雞湖城市發展有限公司 江蘇 蘇州 215000；2. 中建三局第三建設工程有限責任公司 湖北 武漢 430074；3. 蘇州軌道交通集團有限公司 江蘇 蘇州 215004

當下，超大、超深基坑已經較為普遍，靠海、沿湖、沿地鐵的基坑也已經成為工程未來發展的趨勢。因此，就跨地鐵的超大型基坑施工技術進行研究對項目建設具有重要意義。

1 工程概況

蘇州中心廣場項目位于蘇州工業園區，是集購物中心、辦公樓、公寓、酒店于一體的商業綜合體。其中，項目占地面積約167 000 m2，基坑部分占地約140 000 m2，共分為15個基坑，以地鐵1號線為界，北區9個基坑，南區6個基坑（圖1）。該工程總建筑面積1 180 000 m2，地下3層，局部4層，地上由7棟100～200 m不等的塔樓組成。正在運行的地鐵1號線從C1、C2區中間穿過，且通過2個區域與項目整體地下室接駁，南側為地鐵隧道段。

2 施工重、難點

2.1 工期要求緊

根據設計給定的施工邏輯規劃，地下室的施工工期為21個月，占項目總體工期的比重較大，對后續的主體施工較為不利。

圖1 基坑平面布置

2.2 基坑面積大

項目的基坑面積約為140 000 m2，面積之大實屬罕見。如何合理組織開挖、優化施工部署、保證施工安全，是項目策劃過程中的重、難點。

2.3 跨地鐵施工

C1、C2區分布在地鐵1號線兩側，與地鐵并行長度分別為240、120 m。地鐵站臺與在建地下室最近距離7.30 m，最遠距離12.10 m；地鐵隧道區與地下室距離16.85 m，地鐵變形限值僅為10 mm，對變形控制要求高。

3 施工方法

3.1 開挖邏輯關系優化

3.1.1 化大為小，時空效應

將大型基坑劃分成若干小坑，控制基坑施工中的圍護變形和周邊沉降；以地鐵為界將整個基坑切割成南、北2個基坑，再利用地下連續墻及鉆孔灌注樁將北區分成9個基坑（A-1區，A-2區，A-3區，A-4區，A-2a區，A-2b區，A-3a區，A-3b區，C-1區），南區分成6個基坑（B-1區，B-2區，B-2a區，B-2b區，B-4區，C-2區）。

3.1.2 先遠后近，階梯效應

基坑分塊方案采用先施工遠離地鐵基坑，后施工鄰近地鐵區域，最大限度減小基坑卸載對地鐵區域的影響。以地鐵為中軸線，鄰地鐵站臺基坑為長條形（C-1區，C-2區），基坑深度為7.0～10.1 m；靠近地鐵區域（A-2區，A-3區，A-4區，A-2a區，A-2b區，A-3a區，A-3b區）基坑深度15.00～16.45 m；離地鐵最遠區域（A-1區）基坑深度19.15～20.55 m，因此，離地鐵越近，開挖深度越淺，該因素也是決定基坑先后施工分區的主要因素。

3.1.3 先難后易，遞減效應

在基坑分塊中，讓高層建筑所在區域的地下室先期施工，并在支撐布置時避讓核心筒結構，為主樓施工工期提供保障。

項目以地鐵1號線為中軸線，將基坑分為南、北2個區同步對稱施工（圖2）。

圖2 基坑開挖先后關系示意

3.2 開挖施工技術完善

3.2.1 開挖施工方向調整

一期基坑工程為A-1與A-2區最早同時進行基坑開挖及支撐施工；待A-2區B1層地下室結構施工完畢后，可以同時進行A-2a區與A-3區基坑開挖及支撐施工；待A-2a區與A-3區B1層地下室結構施工完畢后，可以同時進行A-2b區與A-3b區基坑開挖及支撐施工；待A-2b區與A-3b區，以及最開始開挖施工的A-1區B1層地下室結構施工完畢后，才能進行二期基坑施工 。

二期基坑施工邏輯關系的原則同一期基坑；C-2區開挖的前置條件就是A-3a區與C-1區完成B1層地下室結構。由此可以看出，每個基坑開挖的前置條件就是前一個基坑完成B1層地下室結構，并且完成換撐形式，這也是水平支撐拆除的前置條件，并且影響著地上結構的施工組織及施工策劃。

3.2.2 支撐體系方案完善

根據超深基坑工程的實踐經驗及計算分析，采用地下連續墻或鉆孔灌注樁圍護加內支撐的施工方法進行基坑開挖和結構施工。當基坑開挖至坑底時施工主體結構底板，再順作結構柱、豎向墻體結構和各層樓板結構，最終完成整個地下室結構的施工。因此在各個分區，根據不同基坑的特點設置不同的支撐形式。

順作區A-1區（地下4層區）開挖深度18.85～20.25 m，基坑形狀近似長方形，基坑沿深度方向可設4道支撐。主撐平面布置結合施工棧橋的需要以對撐為主，4個角部輔以角撐，設置邊桁架。同時支撐原則上避開主體結構立柱、核心筒體，以讓塔樓區域先進入結構施工。順作區A-1區（地下3層區）開挖深度14.85～15.95 m，設置原則同地下4層區，但由于基坑深度較4層區淺4 m左右，因此設置3道支撐；另外，北坑A-2、A-3、A-4區及南坑B-1、B-2、B-4區的支撐設置原則可依次同上。

靠近地鐵區域，將基坑分為A-2a、A-2b、B-2a、B-2b、A-3a、A-3b區，基坑開挖深度14.70～16.75 m，豎向設置4道支撐，呈長條形；考慮到地鐵安全的重要性，因此采用首道為混凝土支撐、第2～4道為鋼結構支撐的水平支撐形式，以滿足地鐵正常運營對周邊基坑開挖所提出的嚴格的變形控制要求。考慮到地鐵車站與區間連接段一級隧道區間的抵抗變形能力差，故使用鋼支撐自動補償及位移控制系統，作為支撐體系的安全儲備，提供圍護結構安全度。支護內力自動補償及位移控制系統改變了鋼支撐傳統預應力復加滯后的情況，對鋼支撐內力實現了24 h不間斷的監測、控制以及數據傳輸，使工程始終處于可控和可知狀態。

3.2.3 坑內加固方案研究

結合國內眾多深基坑案例[1-5]以及本項目自身的特點，有2個重要前置條件需要做坑底加固，一是保護軌道交通，控制變形；二是周圍超深基坑及超高層效應。

順作區域基坑A-3a、A-3b分區圍護墻距離地鐵區間隧道結構外邊線約10.0 m，A-2a、A-2b、B-2a、B-2b分區圍護墻距離地鐵車站結構墻約19.0 m，目前地鐵1號線已建成，車站、隧道對圍護結構的位移控制要求很高。為了控制該側地下連續墻墻體的變位，基坑內擬采用3φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁進行地基加固。沿圍護結構進行滿堂加固，土體加固寬度為23.50 m，加固深度范圍從標高＋1.10 m（第1道支撐底）至標高－16.35 m（坑底開挖面下4.0 m），其中標高－12.35～＋1.10 m之間（開挖面以上）加固體水泥摻量10%，標高－16.35～－12.35 m之間（開挖面以下）加固體水泥摻量20%。

順作區域A-4、B-4分區鄰近東方之門附近的圍護墻體為弧形布置，圍護墻體為陽角區域，結構受力較為不利。為了控制該側地下連續墻墻體的變位，基坑內擬采用3φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁進行地基加固。沿圍護結構進行裙邊格柵加固，土體加固寬度為9.75 m，加固深度范圍從標高＋1.10 m（第1道支撐底）至標高－16.35 m（坑底開挖面下4.0 m），其中標高－12.35～＋1.10 m之間（開挖面以上）加固體水泥摻量10%，標高－16.35～－12.35 m之間（開挖面以下）加固體水泥摻量20%。

3.2.4 應力補償系統應用

北區與地鐵并行長度240 m，南區與地鐵并行長度120 m。項目共6個條形坑采用了應力補償系統，施工次序如前所述：A-2a、B-2b區為第一批，B-2a、A-2b、A-3b區為第二批，A-3a區為第三批。

6個條形坑全部為地下3層結構，采用4道支撐，第1道為混凝土支撐，下部3道為應力自伺服鋼支撐系統。

南北共6個條坑分3個批次施工，允許的變形值也按3個階段進行了分解，初始值是前期樁基和圍護樁施工階段已經實際產生的變形值。

應力自伺服鋼支撐系統在支撐端部設置液壓油泵，可人為調整支撐軸力。對因為塑性變形和應力松弛而損失的軸力可實施補償，在變形過快時實施強力回頂，控制發展趨勢，甚至實現變形回調。

應力補償系統的優勢在于主動控制，與常規支撐手段相比，可大幅縮小基坑變形量，監測顯示的最終控制效果約為預估變形值的一半，地鐵隧道變形極值不超過4 mm，這對3層地下室的開挖深度而言是相當理想的結果。

4 實施效果

4.1 社會效益和經濟效益

在周密的施工部署下，并在確保總進度計劃的基礎上，蘇州中心群體性基坑順利地完成了施工任務。15個基坑變形數據和地鐵1號線變形數據均未超過政府和設計限定的報警值，成功地突破了環地鐵群體性基坑施工對運行地鐵變形控制的技術難題，并實現了科學、安全、快速施工的最終目標，取得了良好的社會效益和經濟效益。

4.2 工期效益

項目根據既定的施工方案，科學施工，達到了預期的效果，滿足業主和政府主管部門對施工組織的要求。

5 結語

施工組織的研究伴隨著工程項目的出現而出現，隨著工程建造裝備技術的進步，施工組織也在不斷演進，對于跨地鐵超大型基坑的施工組織，無論在前期的規劃設計，還是后期的施工管控，都要使工程建造向著節能、環保的方向發展，不僅為了實現工程項目本身的建造目標，更是為了推動整個社會的工程建造技術和管理向著綠色、可持續的方向發展。