軟土地區鄰近地鐵深大基坑變形控制措施

閆 棟

上海廣聯環境巖土工程股份有限公司 上海 200444

根據上海市軌交監護部門的相關規定，軌交安全保護區范圍為地下車站與隧道外邊線外側50 m內，地面車站和高架車站以及線路軌道外邊線外側30 m內，出入口、通風亭、變電站等建（構）筑物外邊線外側10 m內。因此上海地區的基坑工程鄰近軌交線路或車站（進入保護區范圍）的情況屢見不鮮。

加上上海地區軟土低強度、高壓縮性、高靈敏度等特點，使得基坑設計難度及施工風險較大。在整個工程建設中，如果處置不當，容易對軌交的正常運營產生影響[1]。如何安全有效地保護軌交這條城市大動脈的安全，成為基坑圍護設計的主要問題。

基坑西側距離已運營的軌交7號線劉行站車站主體結構約29 m，距離車站出入口及風井約11.5 m，距離區間隧道約30 m。具體軌交車站及隧道與基坑的相對位置關系如圖1所示。

圖1 軌交現狀及其與基坑的平面位置關系

1 工程概況

背景項目位于上海市寶山區，設置整體3層地下室，基坑開挖深度為13.25～14.05 m。基坑開挖面積達到22 883 m2，基坑南北向長297 m（平行于軌交方向），東西向長63～94 m。

鄰近基坑的軌交7號線區間隧道及劉行站車站結構是本工程基坑設計及施工中的重要保護對象。因此，基坑支護體系的設計、施工方案必須進行全面充分的分析，并采取針對性措施，盡可能減小基坑開挖對西側軌交隧道及車站的影響。

基坑開挖影響范圍內土層從上至下依次為①雜填土、②1粉質黏土、②2粉質黏土、③淤泥質粉質黏土、④淤泥質黏土、⑥粉質黏土、⑦1砂質粉土、⑦2黏質粉土、⑧粉質黏土。

2 減小軌交變形的主要措施

2.1 基坑分區施工

本工程基坑面積較大，平行于軌交車站及隧道一側的邊長近30 m，整體開挖對于基坑變形控制十分不利[2]。由于軌交結構對于基坑變形控制要求十分嚴格，需在大面積基坑內部增加臨時分隔墻將基坑分成數個面積較小的分區分別進行開挖施工，以有效控制基坑變形。

1）合理分區可以大幅度減小基坑單次開挖面積，加快底板等換撐體系的施工速度，極大減少基坑坑底暴露時間，對于控制坑底隆起以及圍護樁水平位移效果顯著（時空效應）[3-4]。

2）合理分區可以大幅度減小基坑開挖邊長，增加支撐結構剛度，有效控制圍護樁的水平位移。

3）合理分區可以將塔樓所在的區域設置為先開挖區，減小單次開挖施工的體量，加快塔樓結構的施工進度，進而減少工程整體的施工工期。

因此根據本基坑的形狀特征以及塔樓分布情況，將整個基坑分為7個小區分2次施工，單個分區的開挖面積控制在4 500 m2以內，單次開挖邊長控制在56 m以內，如圖2所示。2棟塔樓均位于首次施工的分區，這樣雖然圍護造價略有增加，但是能夠減少基坑開挖對于軌交結構的影響，加快塔樓的施工進度。

圖2 基坑分區平面示意

2.2 加強基坑圍護結構

2.2.1 圍護樁

靠近軌交一側采用厚1 000 mm的地下連續墻，受力段墻深25 m（受力段下方另有長4.2 m的構造配筋段地下連續墻作為止水帷幕）。地下連續墻兩側設置三軸水泥土攪拌樁槽壁加固，避免地下連續墻成槽期間可能發生的坍孔對軌交設施造成影響。采用整體剛度較大的地下連續墻作為圍護體，對于控制圍護結構水平位移十分有效。圍護結構剖面情況如圖3所示。

2.2.2 支撐體系

基坑整體設置3道鋼筋混凝土水平支撐，垂直于軌交一側采用十字對撐形式，支撐間距不大于9 m，增加軌交側支撐整體剛度。

在各分區布置大量棧橋作為臨時材料堆場及施工道路，加快挖土及結構澆筑速度，減小基坑暴露時間，減小坑底隆起量以及圍護樁水平位移（時空效應）。支撐平面情況如圖4所示。

圖3 軌交側圍護剖面示意

圖4 支撐平面布置

2.2.3 坑內加固

對基坑內的被動區的土體進行基加固可以增加基坑內部土體的抗力，有效控制基坑開挖施工時圍護樁向基坑內側的水平位移[5]。 在基坑軌交一側坑內設置寬10.4 m的三軸水泥土攪拌樁裙邊加固，第2道支撐底至坑底以下4 m范圍水泥摻入量不少于20%。

2.2.4 剖面計算結果

采用同濟啟明星FWS9.0軟件，對圍護剖面進行計算，圍護結構的受力與變形情況見圖5所示。計算結果顯示，圍護水平位移為23.5 m，采取增加圍護墻以及支撐結構的剛度、設置坑內裙邊加固等措施后，可以將圍護結構自身變形控制在軌交要求的范圍以內。

圖5 剖面計算結果

2.3 設置隔離樁

由于地下車站與隧道的抵抗位移與沉降的能力差別較大，地下車站與隧道連接處（隧道出洞口）往往因為二者沉降不均勻而發生滲漏，需要重點保護[6]。因此在減小圍護結構自身變形的同時，也需要減小圍護體變形對于外側軌交結構的影響。在基坑與隧道出洞口之間以及車站附屬結構處設置φ700 mm鉆孔灌注樁（呈拱形布置[7]）作為隔離樁，如圖6所示。拱形隔離樁可以有效地降低軌交結構對于基坑變形的敏感度，進一步減小基坑開挖對軌交結構的影響。

圖6 拱形隔離樁平面布置示意

2.4 分塊開挖

基坑分為7 個小區，單個分區的開挖面積在2 200～4 500 m2之間。根據“時空效應”理論，“分層、分塊、對稱、平衡、限時”開挖支撐對于圍護變形控制十分有利，每個分區開挖時，均應先挖除基坑東側（遠離軌交一側）部位的土體，使對撐體系及時受力，然后挖除基坑西側（靠近軌交一側）的土體，以有效減少軌交側的圍護變形[8]。每一小塊土體的挖土和支撐（底板）施工的總時間控制在10 d內。

3 有限元模擬

采用平面有限元程序對基坑的施工過程進行了模擬分析，對基坑開挖所產生的影響進行分析，對軌交結構的影響進行預測。

為了反映初始應力狀態及基坑開挖的施工過程，計算工況見下：

階段一：對開挖前的初始狀態進行平衡。第1步建立基坑與周邊建（構）筑物整體模型，即劃分基坑影響范圍內的土層、建立圍護墻、支撐桿件、土體圍護接觸面及邊界條件等；第2步輸入土層、圍護結構以及周邊建（構）筑物等參數屬性；第3步進行網格劃分；第4步計算基坑開挖前的水土的初始平衡狀態；第5步將自重應力場形成時產生的位移歸零。

階段二：激活圍護墻單元。

階段三：開挖至第1道支撐底標高，然后激活第1道支撐桿件單元。

階段四：開挖至第2道支撐底標高，然后激活第2道支撐桿件單元。

階段五：開挖至第3道支撐底標高，然后激活第3道支撐桿件單元。

階段六：開挖至地下室底板墊層底標高，激活底板換撐單元，取消第3支撐單元。

階段七：激活地下2層樓板換撐，取消第2支撐單元。

階段八：激活地下1層樓板換撐，取消第1支撐單元。

3.1 基坑開挖對軌交區間隧道的影響分析

基坑開挖對軌交區間隧道的影響的有限元計算模型如圖7所示。分析結果顯示，圍護墻的最大變形為22.3 mm，軌交隧道水平位移為1.19 mm、豎向位移為0.91 mm。

圖7 基坑開挖對軌交區間隧道影響計算模型

3.2 基坑開挖對軌交出入口的影響分析

基坑開挖對軌交出入口的影響的有限元計算模型如圖8所示，計算結果如圖9所示。分析結果顯示，圍護墻最大變形為22.2 mm，軌交隧道水平位移為2.9 mm、豎向位移為4.5 mm。

圖8 基坑開挖對軌交出入口影響計算模型

圖9 基坑開挖對軌交出入口影響位移云圖

4 監測數據與計算結果對比分析

圖10為圍護樁水平位移的監測數據與計算結果對比分析，經對比可以看出，FWS計算結果、有限元模擬結果以及監測實測數據的圍護樁水平位移的趨勢、最大位移值、最大位移點的埋深基本相近。這一結果說明，在基坑分區施工、增大圍護樁尺寸、增加支撐剛度、設置坑內裙邊加固以及按照“時空效應”分塊開挖后，基坑圍護的自身變形得到了很好的控制，同時因為基坑開挖造成的軌交沉降變形滿足軌交變形控制要求。

5 結語

軟土地區的基坑施工容易對軌交結構產生影響，基坑圍護設計時需根據基坑的特點以及與軌交的位置關系情況確定合理的圍護方案，并對軌交側的圍護結構采取必要的加強措施。

圖10 圍護樁水平位移監測數據與計算結果對比

本文通過基坑剖面計算、有限元模擬等方法對鄰近軌交車站、隧道的深大基坑的自身變形及其對軌交的影響進行了分析，并結合工程實測數據分析可得出以下結論：

1）對于鄰近軌交車站及隧道的深大基坑，可根據基坑的形狀特征以及塔樓的分布情況，將整個基坑分為若干小區分次施工，減小單次施工的基坑面積，這樣雖然會造成圍護造價有所增加，但是能夠加快塔樓的施工進度，對于控制軌交結構的變形十分有效。

2）對于鄰近軌交車站及隧道的深大基坑，增加圍護墻尺寸、適當減小支撐間距、增加坑內加固、設置隔離樁、分塊開挖等措施可以有效減小基坑開挖對軌交的影響。

3）FWS、有限元模擬等計算方法對于圍護設計階段的圍護體系選型、預測分析軟土軌交基坑開挖對周邊環境的影響等有較大的幫助。根據計算結果，采取適當的措施控制變形，可以使得圍護設計更加合理安全。