新建結構與既有地鐵站一體的深大基坑工程研究

曾文澤 （上海申元巖土工程有限公司，上海 200000）

近年來，地鐵已經不再是北上廣深等一線城市的獨特標簽，越來越多的城市隨著城市的擴張、人口的膨脹、對快捷交通需求的增長，不斷地加入到地鐵軌交城市建設的行列。地鐵在給城市生活帶來方便的同時，也在影響、改變著城市的建設。地鐵作為一座城市的交通生命線，在使用階段對安全是極度敏感的，因此，在任何一座地鐵軌交城市中，對地鐵車站、區間隧道都提出了嚴格的保護要求。隨著地鐵網絡的不斷拓展，越來越多的新建城市商業、市政工程成為了臨地鐵施工項目，而這些項目對應的基坑工程設計及施工，必須采取嚴格的措施，以確保相鄰地鐵的安全使用。

一般情況下，新建基坑工程距離地鐵越近，其對地鐵產生的影響就越大，相應就需要采用更為嚴格的保護措施，以進一步控制其對已建對象的影響[1-2]。目前，一些大型商業綜合體、市政工程為滿足人流快捷地進出入地鐵站，建筑結構設計成與地鐵車站一體的形態，這使得這類新建基坑工程設計施工難度大大增加。

劉國彬[3]、李琳[4]等均對軟土地區基坑工程的沉降變形特性進行過研究。在本文中，以上海地區的某緊貼地鐵車站的深大基坑為例，探討了這類新建大型綜合體建筑與地鐵車站結構無縫對接形態下，基坑工程設計與施工的難點、重點問題，并結合該工程特點，分析了特殊基坑工程的設計思路和方案，以希望能對類似工程的設計施工提供借鑒。

1 工程概況

該商辦項目場地位于上海浦東新區唐鎮地鐵站，為軌道交通2號線唐鎮站配套商業二期工程，一期地下工程結構已與唐鎮地鐵站同期建設完成。項目總體由3棟13～23層高層辦公樓、2層商業裙房及3層整體地下室組成，建成后可從商業地下一層及地下二層直接進入地鐵車站。

本工程基坑面積約21300m2，普遍挖深為14.9～15.7m，局部深坑達18.8m。已建的一期工程埋深同本項目，可劃分為南、北兩塊，其中北塊位于本次二期工程與地鐵車站之間，寬度約22m，長約206m，南塊位于地鐵車站南側，基坑面積約12500m2，本項目設計時地鐵車站已運營多年，一期工程總體為毛坯狀空置，局部做為車站出入口已投入使用，待本項目二期工程結構完成后，再整體進行商業裝修及使用。

地鐵車站最近處距離本項目僅19.2m，埋深約為18.2m，為站廳——站臺層雙層結構，車站結構頂與商業體B1層樓板平。

周邊環境概況：基地西側為33m寬河道，距離擬建地下室外墻約35m；基地北側為銀樽路，距離擬建地下室外墻約16m；基地東側為齊愛路，距離擬建地下室外墻約8m；基地南側為地鐵車站，距離擬建地下室外墻約19m，車站延長米約230m。本項目基坑周邊環境如圖1所示。

2 地質概況

①依據勘察報告，基坑圍護設計參數如表1所示。

②不良地質現象：本次勘察期間，擬建場地內條明浜已回填處理，但明浜底部局部仍有少量浜土分布；場地西北側有暗浜分布。

③擬建場地地下水類型有淺部土層中的潛水，及第⑦2、第⑨層中的承壓水。經分析承壓水突涌穩定性計算，基坑一般底板區域承壓含水層抗承壓水穩定性滿足規范要求。對于局部落深區，抗承壓水穩定性剛好滿足規范最低要求，實際施工中應實測水位，必要時設置降壓井。

圖1 周邊環境總圖

土層物理力學性質綜合成果表 表1

3 圍護設計方案

本項目屬軟土地區臨地鐵深大基坑項目，基坑周邊環境復雜，存在已建地鐵車站、配套商業、市政道路及河道等大量保護對象，對水平位移的控制要求高，且對基坑開挖引起的地面沉降敏感，環境保護要求極高。同時，場地地層分布有較厚的淤泥質粘土，對基坑施工階段的變形控制又十分不利，另一方面，業主希望盡可能控制本項目總工期。綜合以上因素，最終確定的圍護方案如下。

圖2 基坑分區示意圖

①分區施工。本項目基坑開挖面積約2.1萬m2，大面積基坑開挖，坑內土體卸載，坑外土體予以部分補償變形，空間效應明顯，會導致基坑周邊產生較大范圍的土體沉降與水平變形，進而影響環境安全，尤其是本項目距離地鐵2號線唐鎮站最近僅約19.2m，本基坑開挖對地鐵車站將尤為不利，因此，必須分區、分塊、分期進行施工。充分利用“時空效應”原理，縮小單次基坑施工面積，縮短單次基坑施工工期，減少基坑施工對地鐵車站及其他周邊保護對象的不利影響。根據該原則，將基坑整體分為3個分區，分區方案兼顧了3棟塔樓的整體性，并考慮了南側已建一期工程結構對基坑受力的影響。分區后單坑面積均不超過9500m2，其對地鐵車站的影響遠小于單一大基坑產生的不利影響，通過基坑自身的加強措施，可以有效的控制基坑開挖對地鐵車站的不利影響。在工況節點控制上，明確要求相鄰分區之間必須待先施工分區地下室至少完成地下2層結構及換撐體系后，方可進行后施工分區的土方開挖。最后待相鄰分區施工至±0.000后，逐段跳倉鑿除隔離墻，完成整個地下室結構施工。分區方案見圖2中所示。

②圍護結構設計。本工程基坑挖深14.9～15.7m，采用兩墻分離地下連續墻作為圍護結構，墻厚800mm，墻底埋深32.2m，地下連續墻槽段之間采用圓形鎖口管接頭。由于上海地區地下水埋深淺，且項目周邊分布有河浜，地下水補給充足，為加強圍護體止水效果，避免地墻接頭位置出現滲漏水的現象，需采取一定的補強措施。依據周邊環境條件，對于一般位置，在地墻槽段接縫處外側設置φ800高壓旋噴樁品字形加固止水，而對于位于地鐵50m保護區范圍內的圍護體，為滿足更高的止水要求及保證地墻施工質量，在地下連續墻兩側設置三軸水泥土攪拌樁槽壁加固。

③坑內加固設計。基坑內被動區設置三軸水泥土攪拌樁坑內加固，以控制基坑開挖階段的圍護體水平位移，達到有效控制周邊環境變形的目的。

④支撐設計。基坑設計3道臨時鋼筋混凝土內支撐，在支撐平面布置上，重點考慮了臨地鐵的2個分區的變形控制，因此，支撐系統選擇了對撐為主的布置形式，以確保支撐體系的剛度與安全可靠性。支撐平面布置見圖3所示。

⑤棧橋設計。結合第一道鋼筋混凝土支撐設置了各分區間貫通的施工棧橋，加快了現場土方開挖及各分區、各工況下的流水作業，縮短了基坑整體無支撐暴露時間和整個基坑施工工期，圖3中陰影區域為施工棧橋分布區域。

⑥換撐設計。本項目多個分區先后施工，存在各分區工況進度交錯、樓板局部缺失、局部受力集中等問題，為解決以上問題需要采取圍護換撐設計。計算中，一方面需要對圍護體自身進行內力計算，另一方面又需要對主體的結構安全予以設計復核。

圖3 基坑支撐平面布置圖

本工程作為臨地鐵深大基坑項目，需嚴格以保護地鐵作為設計的首要原則，各項控制指標均需滿足相關管理部門的要求，結合本項目自身特點，通過多方案的分析比較論證及精細的設計。本項目自2014年7月開始樁基、地墻的施工，至2016年5月地下結構施工至±0.000，整個施工過程中無較大安全事故，基坑工程施工對周邊環境的影響均在合理可控的范圍內，保證了地鐵車站的正常運營，為業主和施工單位創造了較高的社會效益和經濟效益。

4 工程難點及創新性設計

4.1 臨地鐵深大基坑項目的圍護設計

本項目位于軌道交通2號線唐鎮站北側，最近處距離地鐵車站僅19.2m，尤其基坑西南角緊鄰軌交車站站隧結合部，為地鐵變形最敏感區位，變形控制要求極高，本項目設計的核心就是解決在已運營軌道交通周邊開挖深大基坑的保護問題。

①為確保基坑安全，設計采用規范計算方法和有限元數值模擬共同分析，從設計、計算分析的角度首先確保設計合理。為了得到比較準確的計算結果，采用了彈性地基梁法和有限元法，兩者結果之間互相驗證。彈性地基梁法將地鐵車站、配套商業與圍護結構作為一個整體考慮，按照“增量法”進行結構分析。有限元法進行計算時，考慮土體、圍護結構、配套商業和地鐵車站之間的相互作用，將它們作為一個整體結構考慮，通過數值模擬分析，為基坑開挖和設計提供了有效的計算依據。

②分區、分塊、分期進行施工，減少基坑施工對地鐵及其他周邊保護對象的影響。最終確定的方案主要遵循了以下的思路：a.控制各個分區的面積不超過1萬m2；b.二期工程中有3棟主樓，其中1#、2#主樓根據業主要求需盡快形成，因此，設計將1區基坑完整包含1#、2#主樓，首先開挖施工；c.控制平行地鐵方向的基坑形狀長度。經過多輪的討論研究，最終形成了能滿足計算、響應專家意見，同時又最大程度控制工程總工期的分區方案。

③設計采用了變形控制可靠的地下連續墻作為主要圍護結構體系，并根據不同的保護要求，對地下連續墻設計進行強度和變形的雙重控制，保證地下連續墻具有一定的插入深度和剛度，提高開挖面整體穩定性、抗滑移穩定性。合理安排各工況，從而確保了基坑工程的安全與順利進行，保證了地鐵2號線的運營安全。

④考慮到場地內水文地質條件較為復雜，進行了專項的抽水試驗，測定相關地層的水文地質資料和環境影響情況。依托試驗所得的水文地質資料，復核了局部落深區位置的承壓水抗突涌穩定性，指導現場降水施工。要求疏干降水和承壓水控制必須按需進行，不得一次性、長時間、大范圍、大降深。

⑤本項目為地鐵配套商業的二期工程，一期工程已隨地鐵車站同期完成，因此存在新老圍護結構搭接的問題。為確保圍護體在搭接面的可靠性，設計以等剛度代換的方式，通過圍護外側大直徑鉆孔灌注樁補強、高壓旋噴樁止水封閉的形式，實現了圍護體系的完整連續，確保了基坑的安全。

⑥坑內加固根據“輕重結合”的原則，以地鐵周邊50m范圍內為重點保護區，采取了三軸水泥土攪拌樁裙邊加固，以控制基坑開挖階段的圍護體水平位移，達到有效控制地鐵車站變形的目的。

⑦支撐設計采用了剛度較大的鋼筋混凝土對撐，在支撐平面布置上，重點考慮了臨地鐵的2個分區的變形控制，因此在正交地鐵車站方向，支撐系統選擇了對撐為主的布置形式，以確保支撐體系的剛度與安全可靠性。

⑧本項目3個分區先后施工，同時與已建的一期結構又存在搭接界面，各分區工況進度相互交錯，又存在樓板局部缺失等問題。為解決以上問題，方案中對可能存在失穩的部位進行了換撐補強設計。計算中，一方面對圍護體自身進行了內力計算，確定換撐桿件規格和時間節點控制，另一方面又對主體的結構安全予以了復核，確保主體結構永久使用不被破壞。

⑨利用“時空效應”原理，體現立體施工、以時間換空間的思想，結合第一道鋼筋混凝土支撐設置了各分區間貫通的施工棧橋及堆場平臺，為各分區交叉施工，多作業面的開展創造了有利條件。棧橋的設計，加快了現場土方開挖及流水作業，縮短了基坑整體無支撐暴露時間和整個基坑施工工期。

⑩深大基坑施工中，土方開挖配合支撐體系及結構的施工是確保基坑安全、穩定的關鍵要素之一。本項目從施工工況上嚴格要求土方分塊、挖土流程，嚴格支撐形成流程和支撐拆除流程等，對各個工況的順序、工期均提出了明確的要求。

4.2 已建地下結構的剛度研究

本工程與南側地鐵車站之間為配套商業已建的一期工程地下結構，埋深15m，寬度約22m，長約206m。對于常規的軟土地區臨地鐵基坑工程，一般需要在臨地鐵側設置多個窄條小分區后挖，充分利用“時空效應”原理，縮小單次施工基坑面積，縮短單次基坑施工工期，減少基坑施工對地鐵車站的不利影響。這種設計思路已經在上海等軟土地區得到大量的成功應用，并得到地鐵管理部門和專家的推薦。但考慮本工程南側已形成近20m寬的地下結構體系，其實際上對地鐵車站的結構剛度及整體穩定性具有一定的補強作用，故在本次圍護設計方案中，利用了已建地下結構的剛度貢獻。為合理的估值該部分地下結構的剛度，同時，又要避免側向土壓力對該部分窄條地下結構產生破壞影響，設計中對地下結構模型進行了等代歸并，并通過有限元模擬分析及彈性地基梁法驗證，對已建結構體剛度進行了數值估算。經過計算，在考慮了南側已建地下結構的剛度貢獻后，本項目圍護方案中，對基坑分區設計、支撐設計、圍護結構設計均進行了合理優化：①不再劃分臨地鐵小分區，適當放大了單坑面積，控制分區個數在三個，從而縮短了施工工期，減少了分隔墻的設置和拆除；②考慮已建地下結構對北側集中支撐軸力的協調均衡作用，根據支撐體系內力計算結果，適當放寬了垂直地鐵車站方向的對撐間距至12m，加大了支撐間的挖土空間，為土方開挖提供了便利；③經與相關部門溝通，臨地鐵側坑內裙邊加固對比常規設計，其加固體寬度及高度均有所優化減少。隨著近年來如火如荼的軌道交通建設熱潮及類似地鐵車站與配套商業共建模式的推廣，臨地鐵深基坑項目中將越來越多的遇到與本工程相似的案例，本工程安全高效的成功應用，將對其他工程的開展起到借鑒指導意義。

4.3 基坑非對稱荷載作用下的設計研究

本工程基坑挖深達15m，基坑南側為已完工的一期工程結構，主動土壓力相對較小，西側為落低近2.0m的曹家溝河浜，北側銀樽路西段為跨越曹家溝的橋梁路基（較一般場地約抬高約2.0m，超載明顯）。這種復雜的周邊環境導致基坑四周的土壓力存在明顯差異，而不平衡、非對稱的支撐軸力將威脅到整個基坑工程的穩定及安全。為確保基坑施工安全，避免產生局部應力集中或支撐桿件抗拉破壞等問題，本次設計中對各種工況中的非對稱荷載進行了系統的復核，通過計算結果分析，對圍護方案進行了局部調整：①對圍護結構中土壓力較大側，坑內加固進行了適當補強；②對土壓力相對較小側，各斜拉桿件的抗拉強度進行了復核及型鋼斜拋撐局部加強；③增加后續拆撐環節中，土壓力較大側的換撐設計。從而確保了這一各項要求嚴格的基坑工程的安全與順利進行。

4.4 信息化施工的設計安排

在本次深大基坑設計中，根據實際條件，采用了一系列的設計創新和優化，因此為驗證前期理論計算的可行性和促進理論計算的進一步完善，我院對信息化施工提出了詳細的要求和安排，同施工、監理和監測單位一起形成了一整套設計、施工、監測相配合，由設計指導施工，施工、監測驗證完善設計措施，真正做到信息化施工。

5 結論

本文通過對上海地區某個臨地鐵車站的深大基坑研究，探討了新建大型綜合體建筑與地鐵車站結構無縫對接形態下，基坑工程設計與施工的難點、重點。在分析周邊環境、地質條件、基坑規模、深大基坑與地鐵車站相互關系等諸多因素基礎上，本工程利用時空效應理論、輕重結合原則、有限剛度理論，對該類特殊的、環境保護要求極高的深大基坑工程進行了設計研究，形成以下結論：

①對于變形控制要求高的超深大基坑項目，基坑分區先后施工，對控制周邊環境沉降變形，作用明顯；

②有限寬度的結構體，可通過有限元模擬、結構等代歸并等方法，估算其剛度，分析其對周邊環境變形控制的作用；

③基坑非對稱荷載作用下，可以通過坑內局部加固、設置斜撐的方式控制基坑非對稱變形；

④深大基坑工程中信息化施工有利于施工風險的控制；

⑤隨著近年來如火如荼的軌道交通建設熱潮及類似地鐵車站與配套商業共建模式的推廣，臨地鐵深基坑項目中將越來越多的遇到與本工程相似的案例，本工程安全高效的成功應用，將對其他工程的開展起到借鑒指導意義。