某鄰近運營地鐵隧道深基坑工程變形分析

王云鋒

（上海市浦東新區(qū)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，上海市200135）

0 引言

城市軌道交通有效緩解了城市交通壓力，并引導(dǎo)、帶動沿線地區(qū)快速發(fā)展。有限的土地資源迫使越來越多的深基坑進(jìn)入地鐵保護(hù)范圍線內(nèi)。深基坑開挖因土壓力釋放導(dǎo)致周邊環(huán)境變形，威脅鄰近地鐵的正常運營。為確保地鐵的安全運營，鄰近的基坑工程應(yīng)按照變形控制的原則進(jìn)行設(shè)計與施工。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和變形預(yù)估通常與實際情況有較大的差異，主要來源于以下幾個方面：（1）基坑支護(hù)設(shè)計和變形預(yù)估通常基于地層條件和支護(hù)條件的一系列假定，和實際狀況會有出入；（2）支護(hù)體系承受的土壓力等荷載有較大的不確定性；（3）施工過程中存在時空效應(yīng)，與氣象條件、地面堆載、施工工序等偶然因素密切相關(guān)。

通過對施工過程中現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，掌握實際的變形情況，可彌補(bǔ)巖土類半理論半經(jīng)驗工程計算與實際情況的差異，防止破壞或極限狀態(tài)的發(fā)生[1]。根據(jù)深基坑實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工方案，能有效控制開挖引起的變形。

對于每一個實際工程而言，工程目標(biāo)、地質(zhì)條件、施工方案千差萬別，但是監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化仍然存在著一些規(guī)律。本文對某鄰近地鐵隧道深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了分析，以期得到有益的結(jié)論。

1 工程概況

某深大基坑南側(cè)為已運營地鐵隧道段，基坑沿地鐵隧道方向的寬度約105 m，垂直隧道方向的長度約418 m。為減小基坑施工對鄰近地鐵隧道的影響，按照“大坑劃小坑”的原則，將基坑分為A1、A2、B、C1、C2共 5 個區(qū)。C1、C2區(qū)為地下一層，開挖深度6.2 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)距隧道最近處約8.5 m；A1、A2、B區(qū)為地下三層，開挖深度14.8 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)距隧道最近處約50.1 m。基坑平面見圖1。

圖1 基坑平面圖（單位:m）

2 工程地質(zhì)

基坑開挖深度范圍內(nèi)共涉及5層土層，土層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

基坑開挖中涉及的地下水包含潛水和微承壓水，其中潛水水位埋深0.50 m，微承壓水水位埋深3 m。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

C1、C2區(qū)開挖深度6.2 m，圍護(hù)采用Φ750鉆孔灌注樁，插入比1.1，外設(shè)Φ850三軸攪拌樁止水帷幕，坑內(nèi)沿豎向設(shè)1道鋼筋混凝土支撐。A1、A2、B區(qū)開挖深度14.8 m，圍護(hù)采用厚800 mm地下連續(xù)墻，坑內(nèi)沿豎向設(shè)置3道鋼筋混凝土支撐。C1、C2區(qū)之間設(shè)置Φ750鉆孔灌注樁隔墻，A1、A2、B區(qū)之間設(shè)置1 100鉆孔灌注樁隔墻。B區(qū)、C區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)見圖2。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

4 地鐵保護(hù)措施

4.1 地基加固

為減小B區(qū)近地鐵側(cè)地下墻施工對周邊環(huán)境的影響，采用850@600三軸攪拌樁槽壁加固。為減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形對地鐵隧道的影響，B區(qū)近隧道側(cè)被動區(qū)采用裙邊加固，加固深度自第3道支撐底至坑底以下4 m，共計7.1 m，加固寬度8.3 m。C區(qū)被動區(qū)采用裙邊加固，加固深度為坑底以下4 m，加固寬度8.05 m。

4.2 基坑降水

C區(qū)基坑開挖時需疏干地下潛水，坑外設(shè)置850@600三軸攪拌樁止水帷幕。A1、A2、B區(qū)基坑開挖深度超過12.17 m時，需降低⑤2層中微承壓水。為減小降水對周邊環(huán)境的影響，B區(qū)地下墻在插入比1.02基礎(chǔ)上加長4.1 m，插入⑤3-1粉質(zhì)黏土層，隔斷⑤2層。基坑開挖至臨界深度時按需降水。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

4.3 分區(qū)開挖

基坑分為 A1、A2、B、C1、C2共 5個區(qū)。地下一層距地鐵隧道近，地下三層遠(yuǎn)（B區(qū)距隧道最小水平距離大于3H，H為地下三層開挖深度）。首先開挖A1、B區(qū)，待B2層頂板完成后，開挖A2、C1區(qū)，C1區(qū)頂板完成后開挖C2區(qū)。

A1、A2、B區(qū)分4層開挖，B區(qū)第4層土采取盆式開挖，周邊留土限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。C1、C2區(qū)分2層開挖，第2層土開挖順序見圖3。

圖3 C區(qū)第2層土分塊示意圖

B區(qū)澆筑地下一層結(jié)構(gòu)，拆除第1道鋼筋混凝土支撐前，采用斜拋撐進(jìn)行換撐，避免拆撐引起C區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

5 基坑監(jiān)測

5.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測

B區(qū)和C區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測點布置見圖4。

圖4 B區(qū)和C區(qū)基坑監(jiān)測點平面布置圖

5.2 監(jiān)測成果分析

5.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

B區(qū)和C區(qū)的地下結(jié)構(gòu)完成后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移隨深度的變化如圖5所示。由圖5可見，該水平位移呈現(xiàn)上海軟土地區(qū)典型的兩頭小、中間大、凸肚型變形特征。

B區(qū)、C區(qū)地下墻最大水平位移δhm與開挖深度H的關(guān)系如圖6所示（為最終變形，未包含中間工況）。

B區(qū)南側(cè)鄰近地鐵隧道，因被動區(qū)采用地基加固，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最小（0.19%H～0.33%H）；東側(cè)雖然基坑寬度小，時空效應(yīng)相對好，但被動區(qū)未采用地基加固，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移較大（0.47%H～0.50%H）；西側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大（0.56%H～0.84%H）。

C1區(qū)先開挖，第二層開挖深度4.1 m，抽條開挖寬度大，挖至坑底后未能及時澆筑墊層及底板，坑底無支撐暴露時間長，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移較大（0.39%H～0.50%H）。C2區(qū)后開挖，減小了抽條寬度，充分利用了時空效應(yīng)，有效控制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移（0.08%H～0.35%H）。

圖6 地下墻最大水平位移與開挖深度的關(guān)系

本工程B區(qū)鄰近地鐵隧道側(cè)地下墻的水平位移小于文獻(xiàn)[2]統(tǒng)計的上海地區(qū)93個基坑地下墻最大水平位移的平均值，也小于文獻(xiàn)[3]中統(tǒng)計的多數(shù)地鐵車站基坑地下墻最大水平位移。改進(jìn)開挖抽條寬度后，C2區(qū)鉆孔樁水平位移小于文獻(xiàn)[4]統(tǒng)計的上海地區(qū)80個基坑鉆孔樁最大水平位移的平均值。因而被動區(qū)加固及充分利用時空效應(yīng)的開挖施工方法可有效控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

本工程鄰近地鐵隧道頂覆土約16 m，C區(qū)鉆孔樁樁底位于④層淤泥質(zhì)黏土中，高出隧道頂2 m，隧道大半部分位于④層中，小半部分位于⑤1層中。圖5中CX36、CX39測點圍護(hù)樁底水平位移分別為26 mm、18 mm，貼腳變形較大，不利于控制地鐵隧道的變形，宜加長樁長嵌固于⑤1層中。

5.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移位置

B區(qū)和C區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移深度Hm與開挖深度H的關(guān)系見圖7。C區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移位于坑底以上0.8～3.3 m，B區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移位于坑底以下4.7 m至坑底以上1.3 m。分析原因可能是C區(qū)坑底位于③2黏質(zhì)粉土中，上部為③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，B區(qū)坑底位于④淤泥質(zhì)黏土中，B區(qū)卸載大，坑底以下回彈影響深度大，且坑底土層的流變效應(yīng)更加顯著，因而其最大水平位移基本位于坑底以下。本工程B區(qū)開挖深度14.8 m，地鐵隧道頂覆土約16 m，B區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移的位置對地鐵隧道的變形不利。

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移深度與開挖深度的關(guān)系

文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]統(tǒng)計的上海地區(qū)93個采用地下墻的基坑和80個采用鉆孔樁的基坑，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移均位于坑底以下5 m至坑底以上5 m范圍內(nèi)。本工程B區(qū)基坑采用地下墻，坑底位于④層淤泥質(zhì)黏土中，坑底卸載大，回彈影響深度大，流變效應(yīng)顯著，最大水平位移的位置基本位于上述統(tǒng)計資料的坑底以下范圍內(nèi)；C區(qū)坑底卸載小，回彈影響深度小，流變效應(yīng)小，最大水平位移位置位于上述統(tǒng)計資料的坑底以上范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

（1）B區(qū)近隧道側(cè)、C2區(qū)基坑采用了被動區(qū)土體加固、充分利用時空效應(yīng)的開挖方法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形小于大量實測數(shù)據(jù)的平均值，是有效控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的措施。

（2）C區(qū)圍護(hù)樁底位于④層土中，貼腳變形較大，不利于控制地鐵隧道的變形，宜加長進(jìn)入⑤1層中。

（3）坑底卸載大，且位于軟土層中時（上海地區(qū)通常指③1層、④層），坑底土體回彈影響深度大，流變效應(yīng)顯著，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移的位置通常位于坑底以下。

[1]宋建學(xué),鄭儀,王原嵩.基坑變形監(jiān)測及預(yù)警技術(shù)[J].巖土工程學(xué)報,2006（S1）:1889-1891.

[2]徐中華，王建華，王衛(wèi)東.上海地區(qū)深基坑工程中地下連續(xù)墻的變形性狀[J].土木工程學(xué)報,2008,41（8）:81-86.

[3]徐中華，王建華，王衛(wèi)東.軟土地區(qū)采用灌注樁圍護(hù)的深基坑變形性狀研究[J].巖土力學(xué),2009,30（5）:1362-1366.

[4]楊國偉，劉建航，劉濤，等.上海地鐵車站基坑工程設(shè)計若干問題探討[J].城市軌道交通研究,2006,9（12）:39-42.