蘇州地區(qū)緊鄰地鐵深大基坑的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

陳亞新 張文彬 雷秋生

(1.無(wú)錫市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 無(wú)錫 214000； 2.江蘇省紡織工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司蘇州勘察分公司，江蘇 蘇州 215000)

隨著城市軌道交通的迅猛發(fā)展，蘇州軌道交通運(yùn)營(yíng)線路已達(dá)到4條，總長(zhǎng)達(dá)到166 km；在建線路共5條，在建里程達(dá)187 km。另外，城市地下空間的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，使越來(lái)越多的深大基坑工程緊鄰、甚至緊貼運(yùn)營(yíng)或在建地鐵隧道；如何減少深大基坑工程對(duì)地鐵隧道的影響，已成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

為保證蘇州地區(qū)軌道交通既有結(jié)構(gòu)及設(shè)施的安全，《蘇州市軌道交通條例》對(duì)軌道交通控制保護(hù)區(qū)提出了明確的范圍：地下車站和隧道結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)50 m內(nèi)，其中過(guò)湖隧道結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)100 m內(nèi)；地面和高架車站、地面和高架線路結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)30 m內(nèi)；出入口、通風(fēng)亭、冷卻塔、車輛基地、控制中心、主變電所等建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)10 m內(nèi)。同時(shí)，《蘇州市軌道交通安全保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》對(duì)控制保護(hù)區(qū)內(nèi)的軌道交通結(jié)構(gòu)提出了明確的監(jiān)測(cè)控制值：軌道交通結(jié)構(gòu)豎向位移量及水平位移量不大于10 mm，隧道凈空收斂不大于10 mm；隧道變形曲線的曲率半徑R≥15 000 m；相對(duì)變曲不大于1/2 500；由于打樁振動(dòng)、爆炸產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)隧道引起的峰值速度不大于2.5 cm/s。

近年來(lái)，許多學(xué)者從設(shè)計(jì)角度對(duì)緊鄰地鐵的深大基坑進(jìn)行了研究，王衛(wèi)東、李進(jìn)軍[1,2]結(jié)合上海地區(qū)大量深基坑工程設(shè)計(jì)和施工實(shí)踐，提出“時(shí)空效應(yīng)”設(shè)計(jì)方法、主體工程與支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合、基坑分區(qū)施工、土體加固等；殷一弘[3]基于寧波綠地中心項(xiàng)目，介紹了基坑分區(qū)、軸力補(bǔ)償鋼支撐、隔離樁等設(shè)計(jì)思路；馮龍飛[4]以廣州緊鄰地鐵深基坑工程為例，通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討了不同支護(hù)設(shè)計(jì)和土方開(kāi)挖方案對(duì)地鐵隧道變形的影響；高盟[5]通過(guò)三維數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，探討了車站開(kāi)挖側(cè)設(shè)置托換樁、土體加固和分塊開(kāi)挖等變形控制措施。本文基于蘇州獅山街道—蘇地2014-G-7號(hào)地塊項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和成功實(shí)踐，總結(jié)鄰軌深大基坑設(shè)計(jì)方法和措施，并通過(guò)數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了圍護(hù)方案的安全可靠。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)工程概況

獅山街道—蘇地2014-G-7號(hào)地塊項(xiàng)目由1幢20層SOHO辦公樓、1幢25層公寓式酒店、1幢27層住宅樓、4層～7層 裙房整體及下設(shè)3層地下室(局部一層挑出)組成。總建筑面積約13.12萬(wàn)m2。

1.2 工程地質(zhì)概況

擬建場(chǎng)地位于長(zhǎng)江三角洲以南，地貌形態(tài)單一，屬太湖水網(wǎng)平原，場(chǎng)地較平坦，場(chǎng)地地面標(biāo)高一般在2.60 m～3.86 m之間，最大相對(duì)高差1.26 m。主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

擬建場(chǎng)地淺層孔隙潛水賦存于表層填土層中，主要接受大氣降水及地下水滲流補(bǔ)給，穩(wěn)定水位埋深0.70 m～1.60 m。淺部微承壓水主要貯存于④粉土、粉砂系列層中，主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給及越流補(bǔ)給，勘察期間穩(wěn)定水頭標(biāo)高為0.30 m～0.65 m；層頂標(biāo)高為-9.14 m～-5.22 m，基坑坑底已位于該層中，施工時(shí)易產(chǎn)生流砂、管涌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，在支護(hù)方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮將微承壓含水層隔斷。第Ⅰ承壓水層埋深較大，對(duì)本工程影響不大。

1.3 周邊環(huán)境概況

該工程項(xiàng)目總平面圖如圖1所示，位于蘇州市高新區(qū)中心城區(qū)，橫山路以南、濱河路以西地塊。基坑總面積約2.215萬(wàn)m2，呈多邊形；基坑開(kāi)挖深度為15.15 m～15.60 m，集水井、電梯井落深1.50 m～4.50 m。

該工程基坑周圍環(huán)境復(fù)雜、管線眾多、環(huán)境保護(hù)要求較高。重點(diǎn)環(huán)境保護(hù)對(duì)象為位于基坑?xùn)|側(cè)敷設(shè)于濱河路下的在建軌道交通3號(hào)線橫山路站，擬建工程與橫山路站為無(wú)縫對(duì)接，如圖2，圖3所示。橫山路站為地下2層車站(局部地下3層)，車站主體基坑采用地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，厚度800 mm，坑底埋深約16.7 m～20.3 m，地墻有效長(zhǎng)度為30.8 m，采用一道鋼筋混凝土支撐+3道鋼支撐+1道鋼支撐換撐的圍護(hù)形式。

2 基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基坑分區(qū)設(shè)計(jì)

擬建工程與橫山路站為無(wú)縫對(duì)接，為減少近軌道側(cè)基坑開(kāi)挖暴露時(shí)間和范圍，降低基坑整體開(kāi)挖過(guò)程中大范圍卸土對(duì)橫山路站的時(shí)空效應(yīng)影響，擬建工程采用“分區(qū)順做”的設(shè)計(jì)方案。

基坑分區(qū)時(shí)應(yīng)結(jié)合主樓位置及地下室功能分區(qū)；同時(shí)，應(yīng)以保護(hù)地鐵車站為基本原則。具體分區(qū)見(jiàn)圖1，將基坑劃分為近軌側(cè)A區(qū)(寬度約25 m)和遠(yuǎn)軌側(cè)B區(qū)兩部分；考慮近軌側(cè)A基坑長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為降低基坑開(kāi)挖對(duì)橫山路站的影響，沿地鐵線路劃分為南北兩個(gè)小基坑，分別為A1，A2基坑，各區(qū)與橫山路站沿線長(zhǎng)度不超過(guò)65 m。

2.2 基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)

基坑圍護(hù)剖面如圖2所示，擬建工程臨軌側(cè)與橫山路站共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)墻采取緊貼軌道地下連續(xù)墻的疊合墻。考慮到對(duì)地鐵車站的保護(hù)，近軌側(cè)50 m范圍內(nèi)(軌道交通控制保護(hù)區(qū))及臨時(shí)隔斷墻均采用1 000 mm地下連續(xù)墻，遠(yuǎn)軌道側(cè)采用φ1 000@1 200鉆孔灌注樁。

本工程共設(shè)置三道鋼筋混凝土支撐，支撐體系采用井字對(duì)撐+角撐+邊桁架的形式，如圖3所示，該支撐體系平面開(kāi)口大，利于土方開(kāi)挖。支撐平面布置采用“二榀”中間對(duì)撐形式，以有效減少基坑中部變形對(duì)軌道結(jié)構(gòu)帶來(lái)的曲率變形。支撐體系設(shè)計(jì)時(shí)避開(kāi)了結(jié)構(gòu)柱和核心筒，為主體結(jié)構(gòu)梁板保留足夠空間，以便加快工程進(jìn)度。

2.3 基坑降水設(shè)計(jì)

考慮到擬建基坑坑壁、坑底分布有較厚的④粉土、粉砂層，賦水性及透水性均較好，厚度達(dá)到15.1 m，且基坑周邊環(huán)境對(duì)沉降較敏感，本工程整體采用落底式三軸止水帷幕全封閉止水。坑內(nèi)采用管井疏干降水，適當(dāng)減小降水管井的深度，相對(duì)增加管井的數(shù)量，減少水位降深，盡量減小對(duì)周邊，尤其是地鐵車站的影響。

2.4 土體加固措施

為保證地下連續(xù)墻的垂直度、防止成槽施工中出現(xiàn)塌孔，近軌側(cè)地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)采用φ850@600三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行槽壁加固；同時(shí)，地墻采用止水效果較好的型鋼接頭，以確保防水效果。為控制基坑開(kāi)挖階段圍護(hù)體的水平位移，以有效保護(hù)地鐵車站的結(jié)構(gòu)及設(shè)施的安全，近軌道側(cè)A基坑坑內(nèi)采用φ850@600三軸攪拌樁封底加固，加固深度為3 m，加固實(shí)體單樁水泥摻量不少于20%，上部水泥摻量不少于10%。遠(yuǎn)軌道側(cè)B基坑分隔墻段坑內(nèi)采用850@600三軸水泥土攪拌樁暗墩加固，加固深度為3 m。

2.5 土方開(kāi)挖

為降低基坑施工對(duì)橫山路的影響，首先施工遠(yuǎn)軌側(cè)面積較大的B基坑，待橫山路站施工結(jié)束、管線遷移后，再施工A1和A2基坑。土方開(kāi)挖時(shí)，采取措施減少時(shí)空效應(yīng)影響，如留土處理，以減少變形。土方先開(kāi)挖遠(yuǎn)地鐵側(cè)，形成中部的臨時(shí)支撐；最后開(kāi)挖近地鐵側(cè)，同時(shí)采用“間隔、抽條”的方法。無(wú)墊層坑底最大暴露面積不得大于200 m2；開(kāi)挖至坑底后須在16 h內(nèi)完成墊層澆筑(分塊)，并及時(shí)進(jìn)行地下室底板和結(jié)構(gòu)施工；混凝土墊層直接澆搗至連續(xù)墻內(nèi)側(cè)面，使墊層能夠起到一定支撐作用。

3 數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)成果分析

3.1 數(shù)值模擬分析

根據(jù)《蘇州獅山街道—蘇地2014-G-7號(hào)地塊項(xiàng)目基坑對(duì)軌道交通3號(hào)線工程影響技術(shù)評(píng)估報(bào)告》，本項(xiàng)目采用非常適合于巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)分析模擬的大型通用有限元軟件MIDAS/GTS，建模范圍為基坑、地鐵車站等結(jié)構(gòu)體及基坑周圍空間范圍內(nèi)的土體，有限元計(jì)算模型如圖3所示。建模過(guò)程中，土體采用實(shí)體單元建模，并采用修正庫(kù)侖—摩爾屈服模型；地鐵車站采用實(shí)體單元建模，鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻及各層樓板等采用板單元建模；臨時(shí)立柱、樁基采用線單元建模，并設(shè)置剪切彈簧模擬板單元、線單元在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生剪切方向的摩擦交互作用。

根據(jù)基坑開(kāi)挖的實(shí)際過(guò)程，各工況實(shí)施歷程如表2所示。圖4，圖5為水平位移和豎向位移云圖，圖6為不同工況下車站結(jié)構(gòu)橫向水平位移曲線。數(shù)值分析結(jié)果顯示：車站結(jié)構(gòu)的最大水平位移(指向基坑內(nèi)側(cè))為8.1 mm；最大豎向位移為6.2 mm。采用本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方法和措施，基坑施工全過(guò)程對(duì)地鐵車站有一定的影響，但能夠滿足軌道交通結(jié)構(gòu)水平及豎向位移量不大于10 mm的要求。

表2 工程實(shí)施工況表

3.2 基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果

整個(gè)基坑工程從2015年11月28日開(kāi)始B區(qū)基坑開(kāi)挖，到2018年10月22日A2區(qū)基坑B0板施工完成，基坑工程總工期約為1 059 d。

為保證軌道交通3號(hào)線橫山路站結(jié)構(gòu)及設(shè)施的安全，對(duì)橫山路站的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全過(guò)程的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)布點(diǎn)如圖7所示，地鐵結(jié)構(gòu)水平及豎向位移如圖8，圖9所示。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出：受基坑開(kāi)挖側(cè)向卸載影響，車站發(fā)生向坑內(nèi)的水平位移，軌道結(jié)構(gòu)最大水平位移為4.72 mm；車站的豎向位移以回彈為主，軌道結(jié)構(gòu)站最大豎向位移分別為4.15 mm。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：由于A基坑的遮攔作用，B基坑開(kāi)挖對(duì)車站的影響較小，也說(shuō)明分塊開(kāi)挖對(duì)車站起到了保護(hù)作用。數(shù)值模擬計(jì)算值與監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值基本一致，本基坑工程施工期間對(duì)軌道車站的影響在安全范圍內(nèi)，未達(dá)到報(bào)警值，監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了圍護(hù)方案安全可靠。

4 結(jié)論與建議

蘇州獅山街道—蘇地2014-G-7號(hào)地塊項(xiàng)目為與軌道交通3號(hào)線橫山路站無(wú)縫對(duì)接的深大基坑，本文結(jié)合項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和成功實(shí)踐，分別從基坑分區(qū)、支護(hù)體系、降水、土體加固及土方開(kāi)挖等方面總結(jié)了鄰軌深大基坑設(shè)計(jì)方法和措施，并將數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)變形結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：采用本工程專項(xiàng)保護(hù)方案及措施，有效保證了地鐵車站結(jié)構(gòu)及設(shè)施的安全，驗(yàn)證了圍護(hù)方案安全可靠，亦為類似工程提供參考。