基坑工程變形控制及對地鐵隧道的保護措施

潘周展

(福建泉州勘測設計院有限公司 福建泉州 362000)

0 引言

中國城鎮化率不斷提高，人口向城市流動造成城市人口驟增，交通出行壓力變大。城市軌道交通在公共交通運輸方式中效率最高，解決城市出行問題的最佳方式之一即建設城市軌道交通，未來城市軌道在城市公共交通中的作用會越來越大，城市軌道客運量在公共交通客運總量中的占比越來越高。由于軌道交通的便利和快捷，使得地鐵沿線房價不斷攀升，同時，也促使地鐵沿線附近房屋工程建設越來越多，但工程建設(主要是地下部分)稍有不慎，會對地鐵造成嚴重影響。因此，只要城市有地鐵建設，政府就會及時出臺地鐵保護政策。周邊工程建設對地鐵產生影響主要為樁基施工和基坑開挖，尤其是基坑工程，由于基坑開挖，周邊土體會產生變形，若支護結構破壞，將造成嚴重后果。因此，基坑支護不僅要確保基坑安全，還要嚴格控制土體變形，只有土體變形得到有效控制，才能降低對臨近地鐵的影響。而基坑的變形非常復雜，控制變形的難度很大，須針對工程條件場地地質條件與地鐵的距離等采取相應的工程措施。本文通過工程實例，在基坑支護中，通過綜合措施，控制了支護結構和土體變形，對地鐵隧道起到了有效的保護，可為類似工程提供借鑒。

1 工程實例

福州某建筑為2棟10～11層辦公樓和4座3～4層為商業用途，采用樁基，設置3層連體地下室。場地原為民房，已拆遷整平形成現有較平坦場地。其北側為空地(規劃河道)，南側為空地及內河，距離約18m,西側約10m為內河，東側為街道，街道道路下為地鐵區間隧道，地下室外墻距離地鐵隧道最外側邊線的凈距離為17.2m，地鐵已經正式運行。場地條件如圖1所示。

基坑開挖面積約24 610.0m2，基坑平面形狀呈梯形，基坑開挖深度15.05m，基坑工程安全等級一級，周長約670m，其中，場地東側沿地鐵隧道邊長約205m，地鐵隧道拱頂埋深約9.28m～12.30m，隧道底部埋深約15.48m～18.50m，坡率為14.655‰，盾構隧道內徑5.6m，外徑6.2m，襯砌采用厚度300mm的預制混凝土管片。基坑東側與地鐵區間隧道結構外邊線凈距小于50m，屬于地鐵保護范圍，屬于二級保護，根據相關規定，該基坑變形控制標準如下：

(1)圍護樁頂部位移≤20mm，圍護樁深層位移≤25mm(非地鐵控制保護區內≤40mm)；

(2)隧道絕對水平位移與豎向位移≤10mm。

圖1 擬建工程場地條件

2 基坑支護設計方案

場地土層自上而下依次為：雜填土粉質粘土淤泥粉質粘土淤泥質土粘土粗砂全風化巖砂土狀強風化花崗巖，巖土層參數如表1所示。

表1 主要巖土層計算參數表

場地地下水主要為上層滯水孔隙承壓水及基巖風化帶孔隙裂隙承壓水。

上層滯水：賦存于①雜填土層中，主要接受大氣降水及河道水補給，以地面蒸發和滲透形式排泄，透水性一般，富水性一般，水量較小。

孔隙承壓水：賦存于⑥粗砂層中，屬強透水層，富水性好，基巖風化孔隙裂隙(承壓)水：賦存于⑦全風化花崗巖及⑧強風化花崗巖中，為弱透水性含水層，富水性貧乏。地下水補給來源主要為大氣降水和含水層側向逕流補給，與⑥粗砂含水層水力聯系緊密。

對基坑開挖有影響的地下水為賦存于①雜填土層中的上層滯水，地下水位4.29m～6.53m。深部⑥粗砂含水層及⑦全風化花崗巖及⑧強風化花崗巖含水層由于埋藏較深，經驗算，承壓水不會產生坑底突涌，對基坑影響不大。

一般情況下，地鐵附近深基坑圍護結構采用地下連續墻，但該工程無對基坑開挖有影響的強透水含水層，故可采用灌注樁排樁[1]，排樁直徑φ1000mm(φ1100)@1300mm，排樁外側采用φ650mm@450mm三軸水泥攪拌樁擋土止水，與地下連續墻相比，經濟效益顯著。由于場地淺部為軟土，基坑開挖深度大，且東側道路下為地鐵隧道，無法采用錨桿(索)，只能采用內支撐形式，或采用逆作法，利用主體結構樓板作為支撐體系，由于逆作法出土困難工期較長造價高，建設單位不同意采用。該基坑工程采用三道鋼筋混凝土內支撐，基坑支撐平面布置如圖2所示。

內支撐式支護結構安全可靠，但由于支撐梁長度大，支護結構變形大小主要受支撐體系控制，經計算對比，當采用相同的支撐體系時，圍護結構采用地下連續墻與采用排樁，支護結構變形相差不大，深部最大變形均超過35mm，對于地鐵隧道一側，均達不到要求，因此，必須采取專項的保護措施。

圖2 基坑支護結構平面布置圖

3 對地鐵隧道的專項保護措施

基坑位于地鐵保護范圍(≤50m)，地鐵一側需考慮基坑工程施工的影響，為此，圍護樁采用對周邊影響較小的旋挖樁，對地鐵隧道的保護，除了要確保支護結構安全外，主要是要控制基坑開挖產生的變形，重點控制支護結構的變形土體變形，確保變形能夠控制在允許范圍內，為了嚴格控制變形，采用如下措施。

3.1 加大基坑東側支護樁樁徑和樁長并增設雙排樁

采用φ1100mm大直徑旋挖灌注樁，樁中心距1300mm，根據多次驗算對比，樁徑越大，圍護結構剛度越大，變形越小，樁端進入強風化巖不少于1m，樁長不小于37m(雙控)，樁端進入強風化巖等性質較好的地層，能夠增強圍護結構的穩定性，并控制坑內土體隆起，安全系數均大大提高(大于2.5)。該排樁外側增設樁徑φ1000mm@3900mm支護樁，形成雙排樁，排距3000mm，采用雙排樁是一種增強措施，可確保圍護結構萬無一失(雙保險)，進一步增強擋土結構剛度，控制擋土結構變形，經驗算，與單排樁相比，雙排樁變形可減少3mm～5mm。

3.2 基坑東側雙排樁之間與坑內被動土采用水泥土攪拌樁加固

淺部為淤泥層，土層性質較差，雙排樁之間的主動土采用φ650mm@450mm多排三軸水泥攪拌樁加固，能夠增強雙排樁效果，并確保排樁之間間隙不發生流土流泥。坑內被動土(淤泥分布區)采用φ650mm@600mm多排三軸水泥攪拌樁加固，深度從第二道支撐開始至下層淤泥質土(粉質粘土)，以改善基坑內軟土性質，特別是增強被動土強度，考慮到分層開挖是個過程，故坑內開挖側也進行加固，根據已有經驗[3]，對淤泥采用水泥土攪拌樁加固后，可有效控制支護樁變形。

3.3 支撐梁上加板，提高支撐剛度

該基坑設置三道鋼筋混凝土內支撐，支撐采用角撐和對撐型式，受力明確，結構穩定性好，東側及主要支撐梁上澆筑鋼筋混凝土板，形成梁板結構，可大大提高支撐結構的剛度，控制支撐體系的變形。

3.4 控制開挖順序，提前完成支撐梁彈性壓縮變形，縮短基坑東側支護樁暴露時間[2]

由于該工程基坑范圍較大，支撐梁長度大，最長可達120m，支撐梁受力后，彈性變形可達45mm以上，這就達不到對地鐵一側圍護結構的變形控制要求。為消除或減少支撐系統彈性變形的影響，應提前完成支撐的彈性變形，在地鐵一側的基坑尚未開挖時，支撐體系就產生受力變形，利用土方開挖順序的前后，可以達到目的，即土方開挖順序自西(遠離地鐵隧道)向東(靠近地鐵隧道)退土，西側首先開挖后，西側支護樁受力變形，對支撐梁產生壓力，支撐梁產生(壓縮)彈性變形。此時東側尚未開挖或開挖深度較小，東側雙排樁加上土體已加固，擋土結構剛度大，不會產生變形或變形很小，這樣，支撐梁彈性壓縮變形提前完成，可最大限度地減少支撐梁彈性變形對東側支護樁的影響，從而大大減少東側支護樁的變形。

土方開挖嚴格按照(退臺式)分層開挖要求，開挖順序必須自西向東退土，確保基坑東側(靠近地鐵隧道)土方每層都是最后開挖，縮短了東側基坑支護樁暴露時間，基坑暴露時間越短，其變形就越小。

該工程基坑開挖深度大，基坑范圍大，按照常規的支護結構設計(排樁加內支撐)，變形只能控制在40mm以內，采取上述措施后，地鐵一側的圍護結構頂部位移小于15mm，深部位移可控制在20mm以內，滿足地鐵保護方面的規定。

基坑東側(靠近地鐵隧道側)基坑支護的典型剖面如圖3所示。

圖3 基坑東側(靠近地鐵一側)基坑支護剖面圖

非靠近地鐵隧道位置的基坑支護典型剖面如圖4所示。

圖4 遠離地鐵側典型基坑支護剖面

4 基坑工程信息化施工

地下室基坑支護結構安危關系到該工程的安全，還關系到附近建筑物城市管線道路設施與城市軌道交通設施的保護等，一旦基坑發生事故，其直接損失和社會影響將遠大于一般的土建工程。因此，對于該基坑工程，必須確保支護結構安全，嚴格控制支護結構和土體變形，確保地鐵隧道安全。在施工中采用風險管理的科學方法，實施全過程全方位監測監控，實時分析判斷支護結構和周邊的安全穩定性，處置各種風險因素，確保工程安全。

5 支護結構與地鐵隧道變形特征

各工況地鐵隧道側的圍護樁位移及地鐵隧道變形結果如表2所示。

表2 各工況圍護樁位移與地鐵隧道變形 mm

東側(靠地鐵側)基坑圍護結構頂部最大位移8.56mm≤20mm，深部最大水平位移約為12.99mm≤25mm，滿足要求。

靠近基坑的左線隧道的最大水平位移約為7.96mm，右線隧道的最大水平位移約為4.47mm。

左線隧道的最大豎向位移(沉降)約為5.36mm，右線隧道的最大豎向位移(沉降)約為3.33mm，地鐵隧道變形均≤10mm，滿足要求。

離地鐵隧道50m以外的圍護結構變形較大。

西側基坑圍護墻最大水平位移為33.30mm，北側基坑圍護墻的最大水平位移約為32.26mm，南側基坑圍護墻的最大水平位移約為27.20mm，圍護結構變形均≤40mm，滿足一般圍護結構的變形要求。

6 結論

(1)該基坑工程針對場地條件，基坑支護采用排樁加內支撐支護形式，其工藝成熟支護效果好，并采用三軸水泥土攪拌樁加固控制開挖順序等措施，有效控制支護結構變形和地鐵隧道變形，確保支護結構和地鐵隧道安全。

(2)施工順序應按照設計方案進行嚴格控制，在保證施工質量的前提下，合理安排施工開挖步驟，才能保證地鐵隧道結構以及軌道的安全。