軟土地區(qū)多基坑開挖對(duì)既有地鐵影響分析

□文/王洪昌

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地鐵線網(wǎng)逐漸加密，城市地塊被分割的越來(lái)越小，導(dǎo)致一些地塊不可避免地要在既有地鐵結(jié)構(gòu)周邊進(jìn)行開發(fā)，基坑施工對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響不可忽視；極端情況下部分運(yùn)營(yíng)地鐵結(jié)構(gòu)周邊存在多基坑同時(shí)施工的情況，一旦控制措施不力，將對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可估量的破壞，針對(duì)此類基坑工程務(wù)必詳細(xì)論證、精心組織、穩(wěn)妥施工。

目前諸多學(xué)者對(duì)鄰近既有地鐵的新建基坑圍護(hù)方案進(jìn)行了研究并對(duì)開挖引起既有地鐵結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行了分析，認(rèn)為被動(dòng)區(qū)土體加固、止水帷幕的布置、施工棧橋設(shè)置、土方開挖方式和順序的合理選擇等手段可以有效控制既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形[1～4]。顏桂云等[5]通過(guò)對(duì)相鄰雙基坑開挖相互影響三維性狀分析發(fā)現(xiàn)，相鄰基坑同時(shí)施工對(duì)中間土體沉降有疊加影響，基坑間距對(duì)相鄰基坑產(chǎn)生相互影響的范圍為2.5～3 倍基坑開挖深度。曠慶華[6]對(duì)同深基坑開挖引起緊鄰地鐵車站的變形特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為地鐵車站結(jié)構(gòu)對(duì)由基坑開挖引起的土體位移傳遞具有一定的遮攔效應(yīng)，采取合理的土方開挖步序、嚴(yán)格控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工引起的土體擾動(dòng)、加強(qiáng)基坑工程的質(zhì)量檢測(cè)和工程監(jiān)測(cè)是控制車站結(jié)構(gòu)變形、降低施工風(fēng)險(xiǎn)的有效措施。曾遠(yuǎn)等[7]通過(guò)基坑開挖的時(shí)間效應(yīng)分析，認(rèn)為控制基坑開挖放置時(shí)間和有撐暴露時(shí)間，不但對(duì)控制新基坑變形有效，而且對(duì)調(diào)整既有結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)和控制既有結(jié)構(gòu)的變形也非常有效。徐如泉等[8]通過(guò)實(shí)測(cè)分析了深基坑開挖對(duì)鄰近地鐵車站和隧道變形的影響。目前針對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵車站周邊基坑施工的影響還集中在單基坑影響分析方面，多基坑同時(shí)影響的研究較少。

本文以天津某既有地鐵周邊多個(gè)新建基坑同時(shí)開挖的工程為例，研究了相關(guān)施工措施，結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行效果分析，可為后期類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 新建工程

擬建商業(yè)項(xiàng)目為地上2 棟32 層主塔樓（1 棟辦公樓，1棟公寓樓）、4層裙房和整體4層地下室，擬采用樁基礎(chǔ)；基坑周長(zhǎng)約439 m，開挖面積約13 872 m2，開挖深度約18.6～19.4 m，屬深大基坑，采用明挖法施工。

擬建地鐵項(xiàng)目為地下3 層車站，站中心頂板覆土3.577 m，基坑深度約27.9～29.4 m；車站主體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，主體基坑擬采用蓋挖逆作法施工。

因項(xiàng)目建設(shè)要求，兩新建工程基坑工期重疊，存在同時(shí)施工、互相干擾的情況。

1.2 既有地鐵與新建工程位置關(guān)系

某已運(yùn)營(yíng)地鐵車站為地下2 層，站中心頂板覆土3.1 m，底板埋深16.55 m，現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，隧道盾構(gòu)外徑6.2 m，管片厚度0.35 m，區(qū)間埋深約12.1～12.3 m。

擬建商業(yè)項(xiàng)目基坑位于既有地鐵車站南側(cè)，距車站主體結(jié)構(gòu)約6.6～13.3 m；新建地鐵車站主體基坑位于商業(yè)項(xiàng)目東側(cè)，距既有車站主體結(jié)構(gòu)約34.3 m，距既有隧道盾構(gòu)區(qū)間約11.5～13.5 m；新建地鐵車站主體基坑與商業(yè)地塊基坑凈距15.7～18.6 m。見圖1。

1.3 水文地質(zhì)概況

場(chǎng)地屬沿海地區(qū)典型的濱海沖積平原，受古黃河和海河堆積作用以及海洋動(dòng)力作用影響，形成沖積地層。根據(jù)勘察資料，場(chǎng)地埋深90.00 m范圍內(nèi)，地基土按成因年代可分為多個(gè)沉積層，主要有：人工填土層，全新統(tǒng)陸相、海相、沼澤相沉積層，上（中）更新統(tǒng)陸相、濱海潮汐帶、海相沖積層等。土質(zhì)以填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂為主。見表1。

場(chǎng)地內(nèi)表層地下水屬潛水類型，主要由大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)形式排泄，水位隨季節(jié)變化，一般變幅在0.50～1.00 m/a。潛水初見埋深2.70～3.10 m，靜止埋深1.80～2.20 m?？辈焐疃确秶鷥?nèi)含有三層承壓含水：第一承壓水主要賦存于砂質(zhì)粉土⑧2中，含水層底部埋深約23 m；第二承壓水主要賦存于砂質(zhì)粉土⑧2及粉砂○12-4中，含水層底部埋深約44.5 m；第三承壓水主要賦存于粉砂○14中，含水層底部埋深約53.9 m。三層承壓水水頭在現(xiàn)狀地面以下3 m附近。

2 工程難點(diǎn)

1）基坑開挖面積大，深度較既有地鐵結(jié)構(gòu)大且距離既有地鐵結(jié)構(gòu)＜0.7H(H為開挖深度)，對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)影響大。

2）兩新建基坑工程工期重疊，對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響存在疊加效應(yīng)，一旦某一基坑發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，將產(chǎn)生連鎖破壞效應(yīng)。

3）場(chǎng)地內(nèi)地質(zhì)條件差，為濱海地區(qū)典型的軟土地層，基坑開挖后土體極易擾動(dòng)，變形控制難度大。

4）地下水位高，存在多層承壓水，基坑開挖降水將引起土體固結(jié)沉降，鄰近既有地鐵側(cè)基坑必須做好止水措施，減少對(duì)既有地鐵的影響。

5）根據(jù)既有地鐵現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)結(jié)果，要求基坑施工期間既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平及豎向變形不超過(guò)10 mm，控制標(biāo)準(zhǔn)較高。

3 基坑施工方案及變形控制措施

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

3.1.1 商業(yè)項(xiàng)目

1）考慮開挖面積較大，為利用空間效應(yīng)，將基坑分為兩個(gè)大坑（圖1中III、IV）和兩個(gè)小坑（圖1中I、II）先后施工且鄰近既有地鐵的兩個(gè)小基坑再一拆為二，分坑施工。I、II 號(hào)坑南側(cè)邊界距既有地鐵結(jié)構(gòu)按＞30 m控制，東西向長(zhǎng)度按≯36 m控制。

2）III、IV 號(hào)坑均采用鉆孔樁+水泥土攪拌墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，鉆孔樁長(zhǎng)約33.5 m，基坑豎向設(shè)置4道井字形混凝土支撐。

3）I、II 號(hào)坑均采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，墻厚1 m、深48 m，隔斷第二承壓水層，兼具擋土與止水作用，基坑豎向設(shè)置5道支撐。

3.1.2 新建地鐵車站

1）采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，墻厚1.2 m、深55.5 m，隔斷第三承壓含水層；采用蓋挖逆作法施工；豎向設(shè)置3道支撐，其中第一道采用鋼支撐，其余兩道采用混凝土支撐。

2）靠近既有地鐵的地下連續(xù)墻采用大直徑旋噴樁進(jìn)行接縫止水，確?；娱_挖過(guò)程中接縫不漏水。

3.2 保護(hù)措施

1）基坑施工順序。按照安排，商業(yè)項(xiàng)目基坑與新建地鐵車站基坑工期重疊。針對(duì)商業(yè)項(xiàng)目和新建地鐵車站基坑分別施工對(duì)周邊環(huán)境的影響進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明：商業(yè)項(xiàng)目基坑單獨(dú)施工對(duì)基坑以東約56 m（約為3倍基坑深度）范圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)影響，影響范圍覆蓋整個(gè)新建車站基坑；新建地鐵車站基坑單獨(dú)施工對(duì)基坑以西約67 m（約為2.7倍基坑深度）范圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)影響，影響范圍進(jìn)入商業(yè)項(xiàng)目IV、II基坑?xùn)|西向開挖寬度的77%。

若商業(yè)項(xiàng)目基坑IV、II與新建地鐵車站基坑同時(shí)施工，二者將產(chǎn)生互相影響；一旦某一基坑發(fā)生問(wèn)題將產(chǎn)生災(zāi)難性后果，不應(yīng)同期施工。

綜合各工程的工期要求及安全風(fēng)險(xiǎn)，最終制定了如下施工工序：基坑IV→基坑III+新建地鐵車站基坑→基坑I→基坑II。

2）隔離樁及土體加固。商業(yè)項(xiàng)目基坑較新建地鐵車站基坑距既有地鐵更近，風(fēng)險(xiǎn)更高；因此需要對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行額外加強(qiáng)?？拷扔械罔F的地下連續(xù)墻施工前在外側(cè)先施作水泥土攪拌墻，進(jìn)行成槽保護(hù)，墻深同地下連續(xù)墻，減少地下連續(xù)墻成槽過(guò)程中塌槽、地下水損失等對(duì)既有地鐵的影響。為減少I、II號(hào)基坑中部圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，在每個(gè)小坑中部設(shè)置一道地下連續(xù)墻對(duì)基坑進(jìn)行分隔支頂，增加其抗變形能力。為降低基坑開挖過(guò)程中的土體回彈及水平位移，對(duì)靠近既有地鐵范圍的基坑內(nèi)部采用三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行抽條加固，豎向加固范圍為地面下6 m～坑底以下5 m，其中坑底以下范圍土體加固為強(qiáng)加固區(qū)，其余為弱加固區(qū)。

3）基坑降水。商業(yè)項(xiàng)目基坑與新建地鐵車站基坑采取了隔斷承壓水的措施，施工中進(jìn)行坑內(nèi)降水，在坑外設(shè)置觀測(cè)井，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水位變化情況，必要時(shí)需采取回灌措施。新建地鐵車站基坑靠近既有地鐵處地下連續(xù)墻采用工字鋼接頭并結(jié)合接縫止水，確保圍護(hù)封閉。

4）靠近既有地鐵處設(shè)置自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的鋼支撐。在使用中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼支撐軸力變化并實(shí)時(shí)補(bǔ)償軸力，能夠有效控制圍護(hù)變形，設(shè)計(jì)中對(duì)靠近既有地鐵處基坑的鋼支撐采用軸力補(bǔ)償系統(tǒng)，增加其抗變形能力。

5）既有地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)既有地鐵的變形，確保第一時(shí)間得到有效數(shù)據(jù)。

6）預(yù)埋袖閥管注漿系統(tǒng)。緊貼既有地鐵結(jié)構(gòu)外側(cè)2 m范圍內(nèi)提前打設(shè)兩排袖閥管，梅花形布置，水平間距2 m，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行注漿，一旦變形超限及時(shí)糾偏。

7）嚴(yán)格施工過(guò)程控制。嚴(yán)格控制施工荷載，按照設(shè)計(jì)施工步序進(jìn)行基坑開挖，隨挖隨撐，盡量減少基坑暴露時(shí)間，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

4 基坑施工三維數(shù)值分析

4.1 計(jì)算模型

采用大型巖土有限元分析軟件PLAXIS 3D2018建立整體三維有限元模型，尺寸為360 m×280 m×65 m，采用10 節(jié)點(diǎn)四面體單元，共劃分231 987 個(gè)單元，324 248 個(gè)節(jié)點(diǎn)。土體采用實(shí)體單元模擬；地下連續(xù)墻、結(jié)構(gòu)樓板、隧道襯砌使用板單元模擬；結(jié)構(gòu)柱采用梁?jiǎn)卧M；支撐采用錨桿單元模擬。模型的邊界條件：頂面為自由面，無(wú)約束；底面每個(gè)方向均約束；四個(gè)側(cè)面均只約束法向。見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

模擬主要工序包括：工序1，依次對(duì)IV 號(hào)坑進(jìn)行階段降水、開挖各層土、架設(shè)支撐至IV號(hào)坑封閉底板并回筑；工序2，同時(shí)開挖III 號(hào)坑及新建地鐵車站基坑（降水、挖土、加撐同時(shí)交替進(jìn)行）并回筑；工序3，開挖I號(hào)坑并回筑；工序4，開挖II號(hào)坑并回筑。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

重點(diǎn)分析多基坑分步開挖時(shí)對(duì)既有地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形影響，見表2。

由表2 看出：基坑開挖卸載引起既有地鐵車站及區(qū)間隧道產(chǎn)生了回彈隆起的變形；水平方向發(fā)生了朝向基坑方向的變形，變形量較豎向大，但仍在變形控制范圍內(nèi)。既有地鐵隧道鄰近新建地鐵車站，因此其水平變形主要發(fā)生在工序2中，表明新建地鐵車站施工對(duì)隧道的影響更明顯。工序3、工序4施工時(shí)，開挖基坑距既有地鐵較近，變形量反而小，說(shuō)明自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的鋼支撐對(duì)控制既有結(jié)構(gòu)的水平位移效果明顯。

5 結(jié)論

1）本文根據(jù)天津地鐵某車站及區(qū)間周邊新建多個(gè)深基坑工程的實(shí)際情況，確定了相應(yīng)的圍護(hù)方案并進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明：既有地鐵結(jié)構(gòu)的水平及豎向位移均＜10 mm的控制值，圍護(hù)方案可行。

2）在基坑開挖平面尺寸較大的情況下，采取分坑開挖的方式是合理的。

3）既有地鐵結(jié)構(gòu)外側(cè)存在多基坑同時(shí)施工時(shí)，應(yīng)注意采取合理的開挖工序，在彼此開挖影響范圍內(nèi)的基坑應(yīng)避免同期施工。

4）采用自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的鋼支撐對(duì)于控制既有結(jié)構(gòu)的水平位移效果明顯。

5）本次三維數(shù)值分析中未考慮袖閥管注漿糾偏的措施，實(shí)際施工中應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況實(shí)時(shí)注漿，能更好地控制既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形。