軟土深基坑開挖對鄰近地鐵結構的影響規律分析

褚 峰

上海陸家嘴金融貿易區開發股份有限公司 上海 200126

城市多條地鐵線路交會地段，往往會成為開發建設的熱點區域。與此伴生的就是大規模深基坑開挖對緊鄰地鐵服役安全的潛在威脅。諸多案例表明，軟土地區基坑開挖時的土體卸荷會引起地鐵隧道位移場和應力場的改變[1-2]，若不做好先期周圍土體加固措施及采取實時變形監測手段，地鐵結構往往會因開挖出現形變超限、不均勻沉降過大等現象，繼而引發管片開裂、螺栓屈服及滲漏水等嚴重工程問題[2]。例如，臺北某地鐵隧道就曾因緊鄰基坑開挖而隆起高達33 mm，導致結構裂損破壞[3]；在北京、廣州、上海等地均發生過因基坑施工引發的鄰近地鐵隧道事故，造成人員傷亡和極大的經濟損失。因此，如何有效控制深基坑開挖對緊鄰地鐵的不利影響是亟待解決的重要問題。

近年來，諸多學者從理論解析[4-5]、數值模擬[6-8]、模型試驗[8-9]及現場監測[10-12]等不同維度對該問題展開研究。其中：理論方法雖簡便明了，但不適合用于進行復雜工況分析[2,8]；數值計算和模型試驗可在一定程度上模擬現場工況。但前者受限于本構模型及參數選取的準確度，后者存在尺度差異問題，應對大規模高復雜度巖土工程問題時，定性解釋作用強于定量分析[5]。現場監測數據作為寶貴的第一手資料，能夠直接、全面地反映工程實際，對類似工程具有重要的指導意義[10-12]。本文以上海軟土地區某緊鄰地鐵的深基坑工程為例，基于實測資料對基坑開挖過程中地鐵結構沉降變化展開分析，并提出現象解釋及建議措施，旨在為類似工程提供一定參考。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

背景項目位于上海軌交6號線、8號線和11號線三線交會換乘點——東方體育中心站附近。本文研究該工程中的25-1北區地塊，該地塊擬建成地下2層地下室及地上4幢建筑，均為鋼筋混凝土框架結構，房屋建筑面積48 895 m2，其中地上建筑面積28 253 m2，地下建筑面積20 642 m2。地塊基坑分布如圖1所示，總面積約9 953 m2，共分7個區進行開挖，其中①—⑥區開挖深度均為10.4 m，⑦區開挖深度為6.45 m。

圖1 基坑平面布置示意

1.2 水文地質條件

基坑所在地屬濱海平原地貌，場地內地勢較平坦，地面高程為3.5～6.0 m。工程場地的地基土根據成因及性質可劃分為12個工程地質單元體，自上而下依次為①1填土、 ①2濱底淤泥、②粉質黏土、③1淤泥質粉質黏土、④淤泥質黏土、⑤2-1砂質粉土夾粉質黏土、⑤2-2粉砂、⑤3-1粉質黏土、⑤3-2砂質粉土夾粉質黏土、⑤3-3粉質黏土、⑦粉細砂和⑧粉質黏土與粉砂互層。

其中潛水主要分布于①1層，該層以耕植土、碎石和混凝土塊為主，屬透水性較好的相對含水層。②、③1層以淤泥質土為主，滲透性差。⑤2-1、⑤2-2層為微承壓水層，含砂質粉土和粉砂，滲透性相對較好，滲透系數為9.52×10-5～1.45×10-4cm/s，屬中等透水層。⑦層為上海市第一承壓含水層，屬良好含水層，富水性與滲透性較好，滲透系數為1.25×10-4～1.49×10-4cm/s，屬強透水層。值得注意的是，場地淺層分布的③1、④層是影響工程的主要軟土層，土質松軟、靈敏度高，對基坑圍護結構施工有不利影響。此外，場地內含埋深淺、水量大的潛水和微承壓含水層，對基坑邊坡穩定性具有潛在威脅。

2 開挖與監測方案

2.1 基坑開挖與圍護方案

表1為基坑施工的順序。采用先挖中心大坑，再挖邊緣小坑的步驟進行開挖，遵循“分層、分塊、留土護壁、對稱、限時開挖支撐”的原則，開挖過程中充分利用時空效應原理，盡量減少基坑暴露時間，嚴格控制基坑變形。

基坑以地下連續墻作為圍護結構，迎土側采用厚600 mm的TRD工法槽壁加固，開挖側采用三軸攪拌樁槽壁加固，各分區槽壁厚度不同。基坑平面內采用整體對撐的形式，①區設置2道鋼筋混凝土支撐，②—⑤區頭道為混凝土支撐，二、三道為φ609 mm×16 mm鋼管支撐，⑥區設置3道鋼筋混凝土支撐，⑦區為1道混凝土支撐。

表1 基坑施工順序

2.2 地鐵結構監測方案

本基坑與地鐵隧道的最近距離僅為10 m，兩者部分結構共墻，屬一級保護基坑。出于對緊鄰地鐵的保護，開挖前分區采用三軸攪拌樁對土體進行加固，并在靠近軌交6號線、8號線風井處實施止水措施。地鐵結構的變形控制標準十分嚴格，因此需預設監測點以對基坑施工過程中道床垂直位移和側墻垂直位移進行嚴密監控，一旦發現變形超限立即啟動報警程序，兩者的監測點布置如圖2所示。

圖2 地鐵結構監測點布置

道床垂直位移是反映地鐵管線縱向位移的直接指標，軌交6號線、11號線位于基坑南側，沿軌交6號線上行線和軌交11號線下行線自西向東分別布置42個道床位移監測點，分別為6SX01—6SX42和11XX01—11XX42。軌交8號線位于基坑西北側，沿其上、下行線自南向北分別布置43個道床位移監測點，分別為8SX01—8SX43和8XX01—8XX43。

側墻作為地鐵結構的重要組成部分，其內力及變形同地鐵安全息息相關，沿軌交6號線上行線和軌交11號線下行線自西向東分別布置15個側墻位移監測點，分別為6CZ01—6CZ15和11CZ01—11CZ15。沿軌交8號線下行線自南向北布置11個測點，為8CZ01—8CZ11。

3 監測結果分析

3.1 道床垂直位移分析

圖3分別為軌交6號線上行線、軌交11號線下行線和軌交8號線上、下行線道床垂直位移隨基坑施工發展的變化情況（圖中1—6區域分別對應表2中不同的施工階段）。同一地鐵線各測點位移僅在數值上有所差別，而隨時間變化，模式總體接近，可在一定程度上佐證監測的可靠性。

圖3 道床垂直位移

在①區基坑的首層開挖階段，各線隧道均發生較大沉降，其中累計最大沉降值可達10 mm，同時注意到各監測點累計垂直位移值存在差異，說明地鐵管線出現不均勻沉降。 此后，隨著首道支撐的布置，軌交6號線和軌交11號線各點均發生不同程度的上浮，軌交8號線的沉降速率也相應減小。首道支撐布置完成后，①區基坑后續工序（包括二道支撐、底板及B1板施工）均未導致各線地鐵發生明顯垂直位移，說明大型基坑首層開挖對緊鄰地鐵的影響大于后續開挖，此階段應作為施工與監測的重點環節。

與①區基坑開挖時的顯著沉降相反，此后隨著各小基坑的施工，各條地鐵隧道都持續發生均勻、緩慢的上浮，此過程雖相對緩慢，但最終仍達到一個可觀的累計上浮量。此現象說明：基坑工程中，主基坑開挖的大規模卸荷作用會使緊鄰地鐵發生沉降，而次基坑開挖時的小規模卸荷則會引發緊鄰地鐵的上浮，類似工程中在不同階段應采取不同的控制和保護措施。

3.2 側墻垂直位移分析

圖4所示為各線地鐵側墻受基坑施工引起垂直位移的變化情況。對比可發現，在該工程基坑施工過程中，地鐵側墻和道床的垂直位移響應模式十分類似。在主基坑施工階段，基坑分層開挖會使結構發生沉降，而布置支撐又會導致結構上浮。這其中，又以首層基坑施工階段對結構的影響最大。在此之后，次要的小型基坑施工會引發結構持續上浮，并最終累積到一個相對可觀的上浮量。

圖4 側墻垂直位移

相比道床位移，側墻的垂直位移曲線坡度更陡，說明其對外界環境的變化更為敏感。這種差異或是兩者剛度不同所致，地鐵隧道為圓環截面，剛度較低，而側墻的截面剛度則比較高。

3.3 最大沉降差異分析

圖5分別為各線地鐵道床和側墻在基坑施工過程中豎向最大沉降差異的變化情況。分析圖5（a）可發現，距基坑相對更近的2條線路（8SX和11XX）因位于先期三軸攪拌樁加固區內，故而不均勻沉降較小。與此相反，距基坑相對更遠的線路（6SX和8XX）則發生更大的不均勻沉降。此外，對比各沉降差異曲線的變化模式發現，6SX和8XX兩線變化模式較接近，11XX和8SX也更接近，說明地鐵與基坑的水平距離和地鐵線周圍地基加固效果是影響本工程地鐵不均勻沉降的主要因素。在類似工程中，對緊鄰基坑地鐵線路采取周圍地基土加固措施時，距離較遠處的地鐵線應同樣受到重視。

而分析圖5（b）發現，側墻的沉降差異則沒有明顯的變化規律，且最大沉降差異值普遍小于道床的最大沉降差，此現象同樣由于側墻更大的剛度所致。

4 結語

本文通過對上海軟土地區某深基坑開挖過程中緊鄰地鐵道床位移和側墻位移監測結果的分析，研究了不同施工階段對地鐵結構變形響應的影響，得出以下結論：

圖5 道床與側墻最大沉降差異

1）主基坑開挖引起的大規模卸荷效應會引起緊鄰地鐵道床和側墻發生豎向沉降，而次基坑開挖時的小規模卸荷效應會引起地鐵結構產生上浮，類似工程中在不同施工階段應采取不同控制手段。

2）地鐵道床和側墻的豎向位移主要發生在周邊大型基坑首層土體開挖的階段，此過程應當作為基坑施工控制的重點。

3）地鐵與基坑的水平距離和地鐵線周圍地基加固效果是影響地鐵道床不均勻沉降的主要因素，而剛度更高的側墻則不易發生不均勻沉降。