軟土地區臨近隧道的深大基坑變形控制措施

楊德志 ，李雋毅 （上海申元巖土工程有限公司，上海 200011）

0 前言

近年來，隨著城市建設的快速發展，為了滿足居民的出行方便，在一、二線城市陸續有設計地鐵，地鐵沿線有較多的商業建筑建設，為滿足商業、停車等用途，設置了多層地下室，相應的基坑開挖較深。這些深基坑的開挖卸載，勢必引起周邊土體的位移，同時導致地鐵隧道的變形，對于軟土地區而言，相應的變形影響更為明顯[1]，因此，對軟土地區臨近隧道的深基坑開挖造成的隧道變形影響進行研究，在深基坑設計階段采取有效的保護措施，具有重要的工程實際意義。

對于上述問題，國內外學者采用理論計算、數值模擬、現場實測等手段開展了大量研究。其中，Dolezalova[2]等采用有限元分析了基坑開挖對臨近隧道的影響；李平[3]等采用數值計算手段分析了不同位置關系工況下基坑開挖對隧道變形及受力的影響；姜兆華[4]系統的分析了基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響。肖同剛等[5-6]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

本文以實際工程為背景，從基坑圍護設計角度出發，通過基坑整體分區籌劃，基坑圍護選型，承壓水控制等技術措施，來控制基坑施工引起的變形和對臨近隧道的影響。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

上海市閔行區虹橋鎮龍柏社區S110201、S110202單元15-01地塊商業綜合體項目（簡稱吳中路項目）位于閔行區吳中路以北、先鋒路以南、虹井路以東、金匯路以西，占地面積約為6.7萬m2。本項目為拆除重建項目，原場地爛尾樓工程，地上5層、地下一層已建建筑物，新規劃設計方案為商業樓地上8層，地下室規劃設計為西側近地鐵的已建地下一層保留并進行改造，面積為0.9萬m2。新規劃的地下室為地下二層及地下三層，其中地下三層區域基坑面積約32949m2，開挖深度14.3m，地下二層區域基坑面積約13355m2，開挖深度 10.6m，基坑總面積約 46304m2，基坑外邊線總長度約921m。

1.2 周邊環境概況

本工程周邊環境復雜，西側虹井路下方下伏軌道交通10號線，并在地塊西北角位置龍柏新村站3號口留有地鐵連通口，另外先鋒路、虹井路下方下伏管線，重點保護對象為運營中地鐵隧道及地鐵車站。基坑周邊環境圖（詳見圖1）。

東側地下室外墻距離用地紅線最近處3.0m，紅線外為已建5層家具城；南側地下室外墻距離用地紅線約為5.0m，紅線外為綠化用地，紅線外85.1m遠處為吳中路；北側地下室外墻距離用地紅線5.0m，紅線外為先鋒路，下方下伏電力、信息、煤氣等管線；西側改造的地下一層地下室外墻距離用地紅線約為24.9m，紅線外為虹井路；虹井路下伏運營地下軌道交通10號線，新建地下三層外墻距離隧道外邊線最近處約為66.3m；場地西北角為龍柏新村站3號口，本項目地下室外輪廓線距離龍柏新村站地下室外墻最近處2.4m。地下二層地下室有連通口接入龍柏新村站3號口。

圖1 基坑周邊環境圖

土層的物理力學指標 表1

1.3 地質條件

根據地質勘察成果，各土層的的物理力學指標如表1所示。

地下水：淺部土層分布有潛水，主要補給來源為大氣降水并受相鄰地表涇流、地下管網影響，勘察期間量測的地下水穩定水位埋深0.70～1.10m，設計計算按上海市常年平均地下水位0.5m考慮。

承壓水：根據地勘查報告，場地內分布有第⑤2-1層微承壓水含水層及第⑦層承壓含水層；且第⑥層土缺失，第⑤2-1層微承壓水與第⑦層承壓含水層存在水力聯系；第8層土層缺失，第⑦層承壓水與第⑨層承壓含水層亦存在水力聯系。且根據抽水試驗報告，“第⑤2、⑤3組合層與第⑦層、第⑨層含水層之間有一定的水力聯系，且相互之間的水力聯系較明顯”。

抽水試驗的成果表 表2

2 基坑圍護設計

2.1 基坑圍護設計技術難點

本工程西側虹井路下方下伏軌道交通十號線，并在地塊西北角位置龍柏新村站3號口留有地鐵連通口，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≤20mm。（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10mm。

故本基坑鄰近的地鐵隧道的變形保護要求高，一旦變形過大，將對城市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，是制約本工程基坑圍護設計成敗的關鍵因素。

本工程基坑面積較大，基坑總面積4.6萬m2，且有地下二層及地下三層，開挖深度不一致，應考慮分期分區開挖實施，減少單坑面積，以降低基坑開挖對周邊環境的影響。

另外，本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，且第⑤2、⑤3組合層與第⑦層、第⑨層承壓水含水層之間有一定的水力聯系，難以隔斷承壓水，故如何減小基坑降壓對周邊環境的影響，也是本工程基坑設計和施工需要重點考慮的問題。

2.2 基坑整體分區籌劃

按上海市工程建設規范《基坑工程技術規范》，本基坑工程地下二層區域安全等級應為二級，地下三層區域安全等級應為一級，西側臨近地鐵側環境保護等級為一級，其余側環境保護等級為二級。

本項目西側鄰近已建的軌道交通10號線隧道區間段，變形保護要求高。臨近地鐵的深大基坑要求分坑施工；臨近地鐵區域應采用“大坑劃小坑”的原則進行分區施工，根據上述原則，為了減小基坑圍護施工對軌道交通10號線隧道區間段和周邊環境的影響，本次設計對整個基坑采取分區開挖的方法。

根據上述原則，本項目基坑在原地下一層保留區外，整體劃為7個分區，各分區信息如下所示：

圖2 基坑分區示意圖

基坑分區情況表 表3

該基坑分區主要考慮了對10號線隧道及地鐵車站的保護，并考慮了項目的開發進度，其中地下二層區域分為了 1-1、1-2、5、6 區，北側 1-1、1-2 區內包含了商業1-3#主樓，為項目首先開發租售的重點，故單獨分區并可以先行施工，5、6小分區的單獨劃分為保護地鐵車站，在開挖1-1、1-2區的過程中起到了隔離作用。地下三層區域分為了3、4、5區，主要考慮整體開挖地下三層基坑面積較大，不利于對10號線隧道的保護，故根據主樓的輪廓分為了三個分區，避免了分區施工分隔主樓的問題，整體的分區施工順序為隧道的位置關系由遠到近施工，具體施工順序如下：

①首先施工1-1區基坑，以確保北側1區三棟主樓盡早施工完成；同時西側A區地下一層進行改造；

②1-1區地下二層完成后，開始施工1-2區；

③待1-1區地下二層完成、A區地下室完成后，開始施工2區；

④待2區地下二層完成后，開始施工3區；

⑤待3區地下二層完成后，開始同步施工4、5區；

⑥待5區地下二層完成后，開始施工6區。

圖3 基坑施工順序圖

2.3 圍護樁設計

本項目臨近地鐵隧道，臨近地鐵隧道側圍護結構形式一般采用整體剛度大，變形控制效果好的地下連續墻形式。地下連續墻有“兩墻合一”、“兩墻分離”及“復合式地墻”等三種型式。但采用兩墻合一地墻形式的結構體長期使用工程中會止水效果不佳，且兩墻合一達不到地鐵管理部門所要求的一級防水等級，故臨近地鐵區域基坑一般不采用兩墻合一的圍護形式。

故5、6區鄰近地鐵側采用“復合式地墻”，800mm厚的地墻，結合Φ850三軸攪拌樁槽壁加固。

3、4區東側地鐵處于地鐵50m以外，可采用“兩墻合一”，省去了地下室外墻費用，一定程度上節約了造價，結合Φ850三軸攪拌樁槽壁加固。

遠離地鐵區域地下三層基坑開挖14.3m，可考慮采用大直徑鉆孔灌注樁，其施工比地下連續墻速度快，對于本項目目前的開挖深度、及灌注樁圍護所處區域而言亦能確保安全性，故采用鉆孔灌注排樁+Φ850三軸止水帷幕；遠離地鐵區域的地下二層基坑開挖10.6m，亦可采用鉆孔灌注排樁+Φ850三軸止水帷幕。圍護樁設計選型見圖4。

2.4 支撐設計

地下三層區域開挖14.30m，可采用3道混凝土支撐，地下二層區域開挖10.6m，可采用2道混凝土支撐。鄰近地鐵的5、6區地下二層為考慮對10號線隧道的保護，采用3道支撐，第1道采用混凝土支撐，第2道及第3道采用具有油壓泵自動伺服系統的鋼支撐。該鋼支撐可根據基坑變形情況，自動施加預應力減少基坑的變形，從而進一步控制基坑變形對地鐵車站的影響。

圖4 圍護樁選型示意圖

2.4 坑底加固設計

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壓密注漿、雙軸水泥土攪拌樁、三軸水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁、MJS工法、RJP工法等。

本次設計在西側臨近地鐵隧道區域，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5m，水泥摻量20%；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4m，水泥摻量10%～20%。通過加固坑內土體，增加坑內被動區土體抗力，有效控制基坑開挖時圍護結構的水平位移。

2.5 承壓水控制

本工程臨近地鐵隧道，對承壓水控制要求較高，考慮到第⑤2、⑤3組合層與第⑦層、第⑨層承壓水含水層之間有一定的水力聯系，難以隔斷承壓水，故采用加長止水帷幕并采取降壓井降低承壓水水頭措施。適當加長止水帷幕可增加地下水滲流路徑，降低坑底地下水補給速率，但基坑臨近地鐵區間，降承壓水可能會引起地鐵結構產生一定的沉降并對線路正常運行產生影響。故鄰地鐵側宜設置回灌井，并應監測降壓施工引起的周邊環境變化，并設置減壓觀測井，根據減壓觀測井的承壓水位，確定開啟的減壓井數量、抽水速率，合理控制承壓水水位。

3 基坑實施情況

本項目從2015年9月開始圍護結構施工，至2017年6月地下室頂板全部完成，歷時21個月。

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及地鐵隧道位移等。地鐵維保部門也對隧道等進行了監測。監測結果表明：本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。

4 結語

本文以上海市吳中路項目基坑工程為例，針對緊鄰地鐵隧道的軟土地區深大基坑工程環境保護要求高的特點，采取了整體分區籌劃，由遠及近施工、地下連續墻、多道鋼筋混凝土水平支撐、自動伺服系統鋼支撐、坑邊裙邊加固、承壓水控制等技術措施，來控制基坑施工引起的變形和對地鐵區間隧道及地鐵車站的影響。根據基坑實施情況，本工程設計施工采取的技術措施能有效控制基坑施工引起的周邊環境影響，確保了地鐵區間隧道及地鐵車站的安全正常運營。通過本工程的成功實施.可以為軟土地區臨近隧道的深大基坑變形控制.提供一定的參考依據。

[1]劉建航.侯學淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，1997.

[2]Dolezalova M.Tunnel Complex Unloaded by a Deep Excavation[J].Computers and Geotechnics，2001，28(6-7):469-493.

[3]李平，劉漢龍，陳育民.基坑開挖中既有下穿地鐵隧道隆起變形分析[J].解放軍理工大學學報，2011，12(5):480-485.

[4]姜兆華.基坑開挖時臨近既有隧道的力學相應規律研究[D].重慶：重慶大學博士學位論文，2013.

[5]肖同剛.基坑開挖施工監控對臨近地鐵隧道影響分析[J].地下空間與工程學報，2011，7(5)：1013-1017.

[6]閆靜雅.鄰近運營地鐵隧道的深基坑設計施工淺談[J].巖土工程學報，2010，32(增刊 1)：234-237.