緊鄰地鐵隧道的深基坑工程設計與施工要點

陳 穎 張冬梅

1. 同濟大學 上海 200092；2. 上海申通地鐵集團有限公司 上海 200070

1 工程概況

1.1 項目情況

中美信托大廈工程地處上海市虹口區，位于吳淞路、蘇州路、乍浦路及天潼路合圍地塊內，項目由2座15～23層塔樓及4層商業裙樓組成，基坑普通區域設置4層地下室，鄰近地鐵區域設置2層地下室。塔樓上部建筑外邊線與地鐵盾構外邊線最小凈距為11.5 m。鄰近地鐵側地下2層區域挖深約10.4 m，結構圍護外邊線與地鐵結構外邊線最小凈距10.2 m；普遍區域為地下4層，挖深18.75～19.35 m，結構圍護外邊線與地鐵結構外邊線最小凈距22.2 m，基坑開挖總面積約10 000 m2，詳見圖1。

圖1 項目總平面

1.2 隧道結構情況及控制措施

項目對應的地鐵區間為天潼路站—國際客運中心站，該段區間為單圓通縫隧道，所處地層為④—⑤1，基坑位于隧道南側，基坑北面與隧道近似水平，最小水平凈距10 m，靠近基坑一側為地鐵上行線，隧道頂部埋深23.70～25.30 m，基坑與地鐵線路平行長度約為110 m。

根據歷年來“深、大、近”這類基坑項目對隧道結構的影響數據分析，地鐵監護管理部門已逐漸形成了一套較為適合上海軟土地質情況的設計要求，主要有以下幾個方面[1-4]：

1）時空效應（總體指導原則）：按照“先遠后近”分區開挖支撐施工，各區應嚴格按照“分區、分塊、對稱、平衡、限時”原則指導開挖。

2）“大坑”+“小坑”模式：適用于基坑與軌道交通距離近且對基坑變形控制要求較高的項目，通過設置1道臨時分隔墻，將大基坑分為遠離軌道交通的大基坑和鄰近軌道交通的窄條基坑，從而使深大基坑相對遠離軌道交通，先開挖遠處的大基坑，通過快速施工完成大基坑底板澆筑，控制大坑卸荷產生的坑內隆起和坑外沉降。同時由于窄條基坑坑內回彈及深層土地滑移較小，因此窄條基坑開挖時可通過重點控制窄條基坑的側向變形以達到控制隧道結構變形的目的。

3）條坑鋼支撐軸力伺服系統：為更好控制基坑變形對隧道結構的影響，小坑長度一般不超過20 m，便于設置鋼支撐軸力伺服系統，其特點在于24 h實時監控，低壓自動補償、高壓自動報警，全方位多重安全保障。同樣，該措施適用于對基坑變形嚴格控制的工程項目。

4）條坑坑內土體加固：如小坑與軌道交通結構距離較近、挖深較深或項目對應范圍隧道結構狀態較差，一般會要求小坑進行滿堂加固，以增加圍護結構內側土體的被動土壓力，提高土體抗側向的變形能力。

1.3 圍護結構設計方案

結合隧道結構情況并根據指導意見形成以下方案：

1）分區及開挖順序：整個基坑分為A、B、C、D共4個分區。A、B區基坑開挖面積共8 660 m2，普遍挖深18.75～19.35 m。C、D區基坑開挖面積共1 340 m2，挖深10.4 m。工程采用順作法施工，擬開挖順序為：首先施工A區基坑，待A區基坑地下室結構施工完成后同時施工B區基坑及C區基坑，B區基坑及C區基坑地下室結構施工完成后，最后施工D區基坑。

2）圍護形式：鄰近地鐵側C、D區基坑挖深10.4 m，外側圍護結構及坑內分區臨時中隔墻采用800 mm厚地下連續墻+φ850 mm三軸水泥土攪拌樁夾心槽壁加固，外側地下連續墻深32 m，加固范圍與地下連續墻同深。A、B區基坑挖深18.8～19.60 m，基坑外側圍護結構及坑內分區臨時中隔墻采用1 000 mm厚地下連續墻，墻深約50 m，地下連續墻外側墻縫設置φ1 000 mm@700 mm高壓旋噴樁加強接縫止水。

3）加固形式：鄰近地鐵側窄條基坑內采用φ850 mm三軸水泥土攪拌樁滿堂加固，自第2道支撐底至坑底以下12 m（比大坑坑底深3 m），大坑采用φ850 mm三軸水泥土攪拌樁裙邊滿堂加固，加固寬度約8 m，加固深度自第2道支撐至坑底以下6 m。

4）支撐形式：A、B區基坑豎向設4道鋼筋混凝土支撐，井字形對撐，支撐間距不宜超過9 m。C、D區采用1道鋼筋混凝土支撐+2道鋼支撐，鋼支撐要求采用自動軸力補償系統。

1.4 清障方案

場地范圍內影響C、D區地下連續墻及三軸攪拌樁加固施工需拔樁的老樁共20根，樁徑600～800 mm，樁長約36 m，清障深度26.4～42.4 m，與隧道結構外邊線凈距10 m，施工時采用鋼套筒沉入土體，將樁身與土體分離減小摩阻后，將老樁分段拔除，使用RT-200H全套管全回轉鉆孔機驅動鋼套管360°旋轉切割沉入，進行樁身與土體有效分離并輔以專用設備將鋼絲繩下方與樁身牢固鎖扣后，采用大型起重設備將樁段拔除。選用的鋼套管直徑為2 000 mm，鋼套管長度為54 m（6 m長度9節），并配備120 t履帶吊配合清障和拔樁。

2 監測數據及隧道結構變形分析

本文監測數據主要針對隧道內變形監測，包括沉降、收斂和水平位移，地鐵隧道監測點布置見圖2（因上行線與基坑距離更近且變化趨勢一致，故本次數據分析均針對上行線）。

圖2 監測點布置

整個監測周期主要可分為以下12個階段：拔樁施工、停工、樁基施工、A區基坑開挖、A區地下結構施工、C區基坑開挖、C區地下結構施工、B區基坑開挖、B區地下結構施工、D區基坑開挖、地上結構施工、后期跟蹤。

2.1 沉降分析

結合圖3、圖4曲線可以看出：

圖3 上行線道床沉降階段變形曲線1

圖4 上行線道床沉降階段變形曲線2

1）縱觀整個監測期間，施工正投影范圍內上行線道床沉降變形由東向西呈現上坡形狀。最大下沉和上抬變形均超過報警值±5 mm。施工正投影范圍內下沉為－7 mm，最.大上抬+8 mm。監測范圍內存在差異沉降約18 mm。

2）拔樁施工導致B、D區域正投影范圍內隧道上行線道床產生顯著沉降，對應區域內SX12—SX19監測點段在拔樁期間累計變形均超過報警值±5 mm，最大累計下沉－9 mm。

3）A區基坑開挖階段，上行線道床累計變形量約－8 mm；C區基坑開挖階段，監護監測范圍內上行線道床階段變形表現為整體上抬，累計最大上抬+11 mm；B區基坑開挖階段，影響區域內隧道上行線道床階段變形不明顯，監護監測范圍內累計最大下沉量－5 mm，累計變形量+10 mm；D區基坑開挖階段，影響區域內隧道上行線道床階段變形表現為明顯上抬，施工正投影范圍內累計最大上抬+12 mm，沉降變形受基坑開挖影響較明顯。

2.2 收斂分析

結合圖5、圖6曲線可以看出：

圖5 上行線收斂階段變形曲線1

圖6 上行線收斂階段變形曲線2

1）正對投影及西延伸區域內上行線累計收斂變形全部超過報警值±5 mm，正對投影范圍內累計最大變形量+53 mm。

2）拔樁施工階段，A、C投影范圍內收斂變形不明顯，B、D投影范圍有明顯拉伸現象，且累計變化量超過報警值+5 mm，主要受B、D區清障影響。

3）A區基坑開挖階段，A、C區投影范圍內收斂變形表現為明顯拉伸，階段最大變形量+12 mm。后期地下結構施工階段，監護監測范圍內收斂整體表現為拉伸，最大階段拉伸量+6 mm。

4）C區基坑開挖階段，A、C區投影范圍內收斂有輕微拉伸。其余區域未有明顯變化趨勢。

5）B區基坑開挖階段，B、D區正投影范圍內收斂階段變形表現為明顯拉伸，最大階段變形量+14 mm，累計變化量約+40 mm。

6）D區基坑開挖階段，B、D區投影范圍內收斂最大累計變化量+50 mm。

2.3 水平位移分析

結合圖7～圖9曲線可以看出：

圖7 上行線水平位移階段變形曲線1

圖8 上行線水平位移階段變形曲線2

圖9 上行線水平位移部分特征點累計變形曲線

1）在整個施工過程中，盾構隧道水平向變形主要表現為向基坑方向位移，并且基坑開挖引起的水平位移基本大于樁基施工和地下結構施工階段的隧道位移。

2）在項目A、C區基坑開挖完成時，上行線隧道大部分監測點位移已超過報警值±5 mm，最大累計變化量位于正對投影范圍內，為+8 mm。在B、D區基坑施工完成時，隧道正對基坑B、D區域的水平位移已基本超過+20 mm，最大累計變化量+25 mm。

3）監護范圍內隧道最終水平位移呈拋物線形狀，正對基坑范圍內的隧道水平位移最大，延伸范圍內的水平位移到基坑的距離逐漸減小。

3 結語

大量工程案例表明，在軟土地區，基坑開挖過程中鄰側土體的卸荷作用導致基坑圍護結構產生相應變形，從而帶動坑外隧道隨著土體一并產生相應位移變形。坑外既有隧道因與基坑的距離、開挖深度、現場土層條件、設計方案（支護形式）、施工工法等諸多因素有關，不同條件會產生較大差異影響。通過對本項目施工過程和監測數據的對比分析，有如下特點：

1）清障施工對隧道沉降和收斂影響較大，B區清障施工時監測范圍內上行線收斂累計變形量接近10 mm。因老樁與隧道結構距離較近，且深度超過隧道底埋深，拔樁時對隧道側向土體產生多次擾動，從而產生較大變形。

2）等到項目基坑開挖時，鑒于基坑設計按照“大坑+小坑”模式，在A區開挖時應離隧道結構較遠，地鐵側留土寬度約20 m，所以大坑開挖對沉降和收斂的影響仍在可控范圍內，等到B區開挖時因受清障施工影響，導致隧道結構變形出現“先沉后隆的現象”，且發展速率較快。

3）隧道水平位移方面表現為施工過程中持續向基坑方向發展，并且呈現大區開挖影響大于小區開挖的影響；后開挖比先開挖基坑造成的隧道水平變形更大，這是由于后開挖相當于對土體進行多次擾動。

4）在拔樁施工和停工階段，項目對隧道水平向變形影響較小，但在樁基和地下連續墻施工階段前期，地下連續墻槽壁加固對周圍土體產生擠壓效果，造成隧道向背離基坑的方向發生位移，當槽壁加固完成后，地下連續墻施工會造成周圍土體應力釋放，從而導致隧道重新向基坑方向位移。