軟土地區(qū)鄰近地鐵保護范圍內(nèi)深基坑工程設(shè)計分析與實踐

（上海地下空間院有限公司（申元巖土），上海 200040）

1 引言

隨著上海城市地下空間的快速發(fā)展，大規(guī)模深基坑開挖對周邊建（構(gòu)）筑物的影響不容小視。深基坑開挖引起的周邊環(huán)境的附加變形必須控制在一定的范圍內(nèi)，以滿足其安全性。深基坑的設(shè)計從以強度控制為主轉(zhuǎn)至以變形控制為主。

鄰近深基坑的地鐵作為極重要的建（構(gòu)）筑物之一，其保護作用是深基坑設(shè)計考慮的重中之重。在設(shè)計過程中若存在變化，則對深基坑設(shè)計方案帶來重大影響甚至是顛覆性影響，也對后期施工帶來重大變化。

因而，在深基坑設(shè)計過程中，除了關(guān)注地下室規(guī)模調(diào)整（深度、面積等調(diào)整）與地質(zhì)條件的變化（新探明的地下障礙物、暗浜、溶洞等）外，還要時刻關(guān)注周邊環(huán)境條件的變化。本文結(jié)合工程實例，根據(jù)深基坑周邊的地鐵保護要求變化，采用了針對性的設(shè)計方案調(diào)整。同時，在施工過程中提出對應(yīng)的施工保護措施，以保證工程的順利實施。

2 項目概況

2.1 建筑結(jié)構(gòu)概況

某商業(yè)辦公項目地上部分主要由高層辦公樓及裙樓構(gòu)成，地下部分為2層。基坑形狀成L型，開挖面積約15000m，開挖深度10.7～11.4m，集水井局部落深1.5m，電梯井局部落深3m。

2.2 周邊環(huán)境概況

本基坑周邊環(huán)境情況如下：

①北側(cè)地下室外墻距離紅線約6.0m，紅線外為規(guī)劃道路；

②東側(cè)地下室外墻距離紅線大部分區(qū)域約6.0m，紅線外是寬約65m的市政主干道路，道路下有正在運行的軌道通過，紅線外道路下有大量的煤氣、信息、配水、供電等市政管線，距離地下室約5～30m 不等；

③南側(cè)地下室外墻距離紅線約6.0m，紅線外是寬約45m的市政道路，紅線外道路下有大量的信息、污水、供電、天然氣等市政管線，距離地下室最近約13m；

④西側(cè)地下室外墻距離紅線約6.0m，紅線外是寬約16m的市政道路，道路對面是在建項目，樁基礎(chǔ)，下設(shè)兩層地下室。

周邊環(huán)境概況可參見圖1。

2.3 地質(zhì)概況

本工程場地第②3砂質(zhì)粉土層厚較厚，基本分布在2m以下至1.5倍開挖深度范圍內(nèi)。該層滲透系數(shù)較大，容易引起管涌、流砂等不良地質(zhì)現(xiàn)象，施工時也容易引起樁基坍孔擴徑，風(fēng)險性較高。勘察期間測得鉆孔中地下潛水穩(wěn)定水位埋深約0.81～2.04m。場地土的工程地質(zhì)參數(shù)如表1所示(表中的c、值為勘察報告建議的直剪固快最小平均值)。

圖1 基坑周邊環(huán)境圖

場地土的工程地質(zhì)參數(shù) 表1

3 基坑設(shè)計

3.1 環(huán)境條件及設(shè)計要求的變化

基坑在設(shè)計過程中，周邊環(huán)境條件發(fā)生的主要變化在東側(cè)的地鐵情況。在基坑初步設(shè)計階段已有圖紙等資料顯示，擬建場地東側(cè)道路下有正在運行的軌道通過，地鐵隧道外邊距離地下室外墻最近約60m，在基坑4倍開挖深度范圍的影響線外（參上海市《基坑工程技術(shù)規(guī)范》），也在《上海市軌道交通安全保護區(qū)暫行管理規(guī)定》規(guī)定的地鐵保護線50m之外。

東側(cè)設(shè)計要求的變化 表2

在深化方案設(shè)計階段，根據(jù)現(xiàn)場實測及更新資料顯示，地鐵隧道外邊距離地下室外墻最近約40m，在上述的影響線及保護線之內(nèi)。因而設(shè)計方案除滿足基坑設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定外，還需滿足軌道交通的安全控制要求。基坑?xùn)|側(cè)環(huán)境變化引起設(shè)計要求的變化可參見表2。

2.2 基坑支護設(shè)計方案

2.2.1 基坑安全性評估階段設(shè)計方案概要

基坑支護結(jié)構(gòu)是個系統(tǒng)工程，不僅要保證受力合理，而且要施工方便、工期節(jié)省。按照上海市標準，本工程基坑安全等級為二級，東側(cè)的環(huán)境保護等級由三級調(diào)整為二級。

從安全、經(jīng)濟的角度出發(fā)，結(jié)合施工工藝、施工周期等因素，基坑總體思路上采用鉆孔灌注樁擋土加三軸攪拌樁隔水的圍護體系和兩道支撐的支撐體系。鉆孔 灌 注 樁 Φ800～900， 間 距1000～1200，外側(cè)采用單排Φ850@600的三軸攪拌樁止水。支撐采用角撐加對撐的型式，支撐平面間距10m左右，圍檁截面 1200～1300x800（寬×高），支撐截面800～1000×800（寬×高）。

2.2.2 基坑深化設(shè)計方案的調(diào)整

由于周邊環(huán)境的條件變化，在深化設(shè)計階段，主要作了如下幾方面調(diào)整。

①圍護樁的樁徑樁長適當放大。

以鄰近地鐵側(cè)普遍區(qū)域的剖面為例，原設(shè)計采用為Φ850@1050的鉆孔灌注樁，有效樁長19.25m，單排三軸攪拌樁隔水；后調(diào)整為Φ900@1100的鉆孔灌注樁，有效樁長增加了1.2m，三排三軸攪拌樁隔水。圍護剖面圖變化見圖2，圍護樁平面布置大樣圖變化見圖3，圍護剖面計算結(jié)果變化見圖4。

基坑圍護剖面的計算采用規(guī)范推薦的豎向彈性地基梁法，土的c、值均采用勘察報告提供的設(shè)計指標，土壓力按水土分算原則取值，地面超載按實際情況考慮。從計算圖可以看出，調(diào)整后的基坑圍護變形計算值可減小約19.2%。

圖2 圍護剖面圖

圖3 圍護樁平面布置大樣圖

圖4 圍護剖面計算位移包絡(luò)圖

②增加了2排攪拌樁，鉆孔灌注樁套打在攪拌樁內(nèi)。具體布置可參見圖3。

一方面該調(diào)整可以加強隔水效果，減小基坑開挖階段的滲漏風(fēng)險。另一方面，該區(qū)域第②3層砂質(zhì)粉土層較厚，鉆孔灌注樁施工成孔時易塌孔、擴徑，先施工灌注樁容易導(dǎo)致后施工灌注樁無法成樁，而在攪拌樁內(nèi)套打鉆孔灌注樁可以避免塌孔、擴徑，提高了鉆孔灌注樁成樁穩(wěn)定性，也有利于提升圍護樁的成樁質(zhì)量，降低施工風(fēng)險。

③支撐由角撐加對撐的布置型式，改為了以對撐為主的布置型式，基坑支撐平面布置圖變化見圖5，第二道支撐平面計算位移圖變化見圖6。

圖5 基坑支撐平面布置

圖6 第二道支撐平面計算位移圖

支撐平面位移計算采用平面桿系有限元法，將圍護剖面在支撐點的計算軸力作為荷載施加在支撐四周的圍檁上。從計算結(jié)果可以看出，支撐的平面變形最大計算值從31.8mm到了23.4mm，減少了26.4%；一般區(qū)域的變形計算值減少了15～40%。

④鄰近地鐵側(cè)坑內(nèi)側(cè)原墩式加固調(diào)整為裙邊攪拌樁加固。坑內(nèi)加固攪拌樁大大改善了軟土的性能，能較好地控制開挖面附近的變形。大量的工程實例表明，板式圍護體系的最大變形通常發(fā)生在開挖面附近，當開挖面附近的土質(zhì)軟弱時表明更為明顯。

因此，本基坑鄰近地鐵側(cè)采用裙邊加固。加固攪拌樁采用φ700@500兩軸攪拌樁加固，開挖面以下攪拌樁的水泥摻量取13%，開挖面以上至第二道支撐底取8%，以保證加固空攪土體的強度不低于原狀土。

根據(jù)相關(guān)研究，通過結(jié)合時空效應(yīng)法的坑內(nèi)加固合理應(yīng)用施工開挖基坑，基坑圍護變形可以減小30%～50%。

⑤為減小基坑開挖對地鐵的影響，減小了每個挖土分塊的面積，并要求每個分塊的施工周期縮短。原設(shè)計要求基坑開挖應(yīng)結(jié)合支撐布置及工期要求分成不小于4個大分區(qū)，后調(diào)整為不小于8個小分區(qū)，且鄰近地鐵側(cè)再進一步細分。每塊沿圍護邊的暴露邊長原要求不大于60m，后調(diào)整為不大于50m，地鐵側(cè)不大于30m。

根據(jù)相關(guān)研究，應(yīng)用時空效應(yīng)法，合理進行挖土分塊及安排挖土流程，可以減小基坑變形30%～50%。

3 基坑施工措施及監(jiān)測成果分析

3.1 施工階段碰到的主要問題

盡量在設(shè)計階段已對該項目進行了全面的控制，但施工中仍出現(xiàn)了不少難以預(yù)料的情況：

①地下障礙物過多，嚴重影響了圍護樁及工程樁的施工質(zhì)量與進度，甚至影響了周邊管線的沉降，除勘察報告提出的不良地質(zhì)現(xiàn)象外，實際施工過程碰到的地下障礙物多于已探測及了解的障礙物；

②由于現(xiàn)場施工工作面等因素，挖土與支撐及大底板施工的工序銜接局部存在一定的不連貫性，與擬定的挖土分塊及施工流程存在一定的施工誤差，因而一定程度上影響了基坑的變形；

③基坑開挖過程中遇到雨水較多時期、局部區(qū)域降水效果欠佳的情況，導(dǎo)致粉砂層在挖土、運土環(huán)節(jié)存在諸多困難，延誤了一定的工程進度，也一定程度上影響了基坑的變形。

3.2 施工問題解決方案

基于以上幾個主要問題，設(shè)計方及時協(xié)同各方解決，盡可能地減少基坑對周邊環(huán)境的影響。

①在上述清障原則下深化地下障礙物處理方案，根據(jù)不同清障深度提出不同的保護要求。早期局部區(qū)域清障處理不到位時，周邊管線出現(xiàn)了明顯的沉降，個別點沉降超過12mm；加固處理后清除地下障礙物對周邊管線的影響基本在5mm以內(nèi)。

②根據(jù)現(xiàn)場的施工場地及進度安排，及時調(diào)整挖土分塊與流程。在保證工期的前提下盡可能采用時空效應(yīng)法合理分塊挖土，并限時進行支撐施工。

③及時補充井點降水進行土體疏干，確保后續(xù)挖土、支撐或結(jié)構(gòu)施工等工序的有序進行。

同時，根據(jù)上述情況導(dǎo)致的問題，本工程結(jié)合主體結(jié)構(gòu)的施工進度，采用支撐分段拆除技術(shù)，以縮短工期，減小基坑的蠕變變形。

3.3 基坑監(jiān)測成果分析

根據(jù)最終監(jiān)測結(jié)果，除個別點外，圍護樁測斜孔最大水平變形基本在30～60mm之間，圍護樁樁頂最大沉降在10mm以內(nèi)，圍護樁樁頂水平位移在10～20mm之間；周邊管線及地表沉降基本20～50mm之間，基坑立柱樁頂回彈基本在15～40mm之間；第一道支撐軸力基本在3000～6500kN之間，第二道支撐軸力基本在3000～8000kN之間。考慮到基坑開挖前清障影響，施工現(xiàn)場過程中的諸多困難對基坑及周邊管線的影響，該監(jiān)測結(jié)果基本令人滿意。

地表沉降監(jiān)測終值 表3

本次設(shè)計重點保護的東側(cè)地鐵，最終附加變形在5mm以內(nèi)，達到了設(shè)計預(yù)設(shè)的效果。東側(cè)典型監(jiān)測點為：測斜孔P05與P07位移變化曲線見圖7，信息管線沉降變化曲線（距離基坑約23m）見圖8。東側(cè)地表沉降監(jiān)測點DB2-i和DB 3-i（i=1～5）最終沉降值見表3。監(jiān)測點位置可參見環(huán)境總圖。

圖7 測斜孔位移變化曲線圖

圖8 信息管線沉降變化曲線圖

4 結(jié)論

本項目基坑規(guī)模較大，基于地鐵保護給設(shè)計和施工帶來了挑戰(zhàn)。該基坑工程成功的實施可作為類型項目的參考。

①基坑設(shè)計施工前應(yīng)充分調(diào)查周邊環(huán)境條件，尤其是地鐵的保護距離及具體保護要求等。本工程在設(shè)計過程中，充分調(diào)查了解相關(guān)資料，根據(jù)環(huán)境變化確定了相應(yīng)的設(shè)計變形控制標準以及相關(guān)的保護措施。這成為了設(shè)計選型及施工組織的重要依據(jù)。

②根據(jù)地鐵的保護要求變化進行合理的設(shè)計調(diào)整是控制基坑變形及周邊保護對象沉降的關(guān)鍵。在環(huán)境保護要求提高之后，設(shè)計常采取的措施：加強圍護結(jié)構(gòu)，采用剛度大、整體性好支撐體系，設(shè)置可靠的止水帷幕，增設(shè)坑內(nèi)加固，合理安排施工流程，必要時分期施工等。

③良好的施工組織可確保基坑安全快速的實施。應(yīng)對各種不良地質(zhì)現(xiàn)象充分預(yù)估，并采取相應(yīng)的施工措施。在基坑開挖前應(yīng)重點突出施工質(zhì)量、基坑開挖期間應(yīng)重點突出施工速度，保證基坑工程有序進行。基坑開挖應(yīng)根據(jù)飽和軟土的流變特點，結(jié)合時空效應(yīng)原理，分層、分塊、限時開挖。應(yīng)有完善且具有針對性的應(yīng)急預(yù)案，在基坑出現(xiàn)異常情況能作出快速反應(yīng)。

④重視信息化施工。本工程監(jiān)測較準確，對基坑施工情況給出了較為準確的數(shù)據(jù)，為地鐵保護提供了良好的數(shù)據(jù)支撐，并為設(shè)計及施工提供了良好的參考。