老城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下地鐵車站基坑開挖安全控制

尹 永 明

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200002)

0 引言

地鐵車站深基坑工程往往位于城市中心區(qū)域，周邊環(huán)境較為復(fù)雜，深基坑開挖過程中若管控不當(dāng)，將對基坑、周邊管線、道路及建(構(gòu))筑物等造成較大的變形、沉降，甚至是破壞。因此，地鐵車站深基坑的風(fēng)險(xiǎn)管控要求越來越嚴(yán)格。目前，有許多學(xué)者、工程技術(shù)人員對基坑變形控制、風(fēng)險(xiǎn)管控措施等進(jìn)行研究分析，如林廷松[1]針對軟土地區(qū)地鐵深基坑的致命性風(fēng)險(xiǎn)，提出了深入細(xì)化設(shè)計(jì)方案及施工工序、加強(qiáng)施工期各責(zé)任主體風(fēng)險(xiǎn)管控意識及參與程度等一系列措施。林錦賢[2]針對某明挖法深基坑地鐵車站的安全問題，以各個(gè)施工階段為劃分，從施工、技術(shù)、安全等角度出發(fā)，建議了地鐵深基坑安全的全過程管理措施。宗金輝、曹浪等[3，4]從控制基坑變形的角度來確保基坑及其周邊環(huán)境的安全，通過有限元軟件建立模型進(jìn)行計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，既驗(yàn)證了變形預(yù)測結(jié)果的可靠性，又得到可以預(yù)測地鐵基坑變形的模型，通過此種方法，在一定程度上能夠提前發(fā)現(xiàn)問題及隱患，及時(shí)采取有效措施確保基坑安全。本文詳細(xì)介紹了上海軟土地區(qū)老城區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件下某地鐵車站深基坑開挖施工的風(fēng)險(xiǎn)因素、過程中采取或改進(jìn)的安全施工技術(shù)措施，最后對過程中的施工經(jīng)驗(yàn)作出了相應(yīng)的總結(jié)。

1 工程概況

上海軌道交通18號線工程土建工程13標(biāo)丹陽路站位于楊樹浦路、江浦路路口北側(cè)，南至楊樹浦路、北至丹陽路，沿江浦路南北向設(shè)置，為地下3層雙柱三跨車站，車站主體規(guī)模為174 m×21.6 m(內(nèi)凈)，端頭井結(jié)構(gòu)總寬度為25 m(內(nèi)凈)。圍護(hù)形式為地下連續(xù)墻(十字鋼板接頭)，深度52 m，厚度1.2 m。中間設(shè)封堵墻分為南北2個(gè)基坑。南端頭井基坑長89.5 m，其中工作井部分長15.1 m、寬26.6 m、開挖深度27.15 m，標(biāo)準(zhǔn)段部分長74.4 m、寬22.8 m(局部25.4 m)、開挖深度25.37 m；北端頭井基坑長84.9 m，其中工作井部分長15.472 m、寬26.7 m、開挖深度26.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段部分長69.428 m、寬22.8 m、開挖深度25.37 m。車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑設(shè)置6道撐，1，4道為混凝土支撐，2，3，5，6道為鋼支撐，端頭井基坑設(shè)置7道撐，1，4道為混凝土支撐，2，3，5，6，7道為鋼支撐。

該車站主體基坑安全等級為一級，環(huán)境等級一級，要求地面最大沉降量不大于0.1%開挖深度，圍護(hù)最大水平位移不大于0.14%開挖深度。周邊老舊居民區(qū)及管線多且距離基坑近，基坑施工對周邊保護(hù)要求高；另外，車站底板位于⑤1t黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、⑤2a層砂質(zhì)粉土，進(jìn)入⑤2a層2 m～8 m。因此，丹陽路站車站主體基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)較高。

2 基坑開挖階段風(fēng)險(xiǎn)因素分析

根據(jù)本工程所處的場地地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等情況分析，主要的風(fēng)險(xiǎn)有以下幾點(diǎn)：

1)臨近既有建筑物的保護(hù)。車站主體基坑，東側(cè)福寧路以北為五金江浦大樓(距離約9.4 m)、凱達(dá)苑居民區(qū)(距離約8.4 m)，西側(cè)為翻交江浦路、4號出入口管廊及上水工房(距離約17.9 m)，南側(cè)為楊樹浦路及漁人碼頭(距地下室邊線最近30.5 m)，周邊建筑物的位置如圖1所示。除五金江浦大樓為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)形式外，其余建筑物皆為磚混結(jié)構(gòu)、條形基礎(chǔ)形式。以上建筑物皆在2倍基坑開挖深度影響范圍內(nèi)，施工難度大，保護(hù)要求高。

2)周邊管線的保護(hù)。丹陽路站周邊管線復(fù)雜，車站主體基坑施工階段，楊樹浦路上沿東西向有電力電纜、上水管、雨水管、污水管、燃?xì)夤?、信息管等，最近一組電力電纜(埋深1.30 m)最近距離7 m；江浦路(翻交道路)主要為原江浦路改遷翻排的管線，主體東側(cè)主要為電力排管、電信信息架空、上水埋管、煤氣及雨污水管線，最近管線為雨污水管(埋深1.7 m)距離基坑1 m；西側(cè)為電力架空、煤氣、上水管、電信信息、雨污水管線, 最近管線為雨污水管(埋深1.7 m)距離基坑2 m～4 m。周邊管線位置如圖2所示。

3)軟土地區(qū)地質(zhì)條件下施工。上海是典型的軟土地區(qū)，在地面下普遍分布有厚層軟黏性土，其具有含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、壓縮性高、靈敏度高、觸變性等不良工程地質(zhì)特性，受擾動(dòng)易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，進(jìn)而誘發(fā)地表變形；而且軟土還有低滲透性、流變性等特點(diǎn)，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，產(chǎn)生流變，對基坑開挖穩(wěn)定性影響較大。加上圍護(hù)周邊動(dòng)載的影響，變形控制難度加大。

4)基坑降水難度大、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多。擬建場地沿線淺部第③j層灰色砂質(zhì)粉土與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土互層及局部第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層地段粉性較重，在水動(dòng)力作用下，易產(chǎn)生流砂、管涌、坍塌等現(xiàn)象；局部基坑坑底落在第⑤2a層砂質(zhì)粉土層中，該層土含沙量較大，屬微承壓水層，在水動(dòng)力作用下易發(fā)生流變現(xiàn)象；另外，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地墻深度為52 m，未隔斷第⑦層承壓水，承壓水位按照5.40 m計(jì)算，基坑坑底存在突涌風(fēng)險(xiǎn)；最后，本工程主體車站基坑面積較大，需要降低地下水位的幅度較大，降低承壓水位勢必會(huì)對臨近建筑物及地下管線等造成一定程度的影響，因此，降水必須做到按需降水。

3 安全施工技術(shù)措施的優(yōu)化

3.1 事前控制

項(xiàng)目部根據(jù)致命性風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)施周期及風(fēng)險(xiǎn)特征，綜合考慮基坑開挖工況、降水工況，2019年春節(jié)前Ⅰ期南側(cè)基坑開挖至第四道混凝土支撐位置。后跨越2019年春節(jié)后繼續(xù)向下開挖?？紤]設(shè)計(jì)支撐間距(縱向)、周邊環(huán)境敏感性、基坑暴露時(shí)間及基坑總體變形量指標(biāo)控制，遂決定采用第二、三道鋼支撐由普通609鋼支撐調(diào)整增加應(yīng)力伺服系統(tǒng)，以進(jìn)一步控制基坑變形。

3.2 事中控制

1)Ⅰ期南側(cè)基坑在開挖第一層土方時(shí)，考慮到該基坑設(shè)計(jì)第1道～第2道撐間距大，達(dá)到5.5 m，另外考慮到開挖安裝支撐需求，開挖深度需達(dá)到6.0 m，對支撐形成前的基坑變形量有較大影響。經(jīng)研究，開挖該層土方時(shí)，以分2層進(jìn)行開挖，即第一倉～第二倉第1層開挖3.5 m，后進(jìn)行第一倉第2層開挖至支撐安裝位置，后進(jìn)行支撐安裝加載，同時(shí)配合支撐應(yīng)力伺服系統(tǒng)使用達(dá)到基坑暴露時(shí)間縮短及基坑變形量小的效果。

2)另外，Ⅰ期南側(cè)基坑在開挖第4層土方時(shí)，考慮到第4道混凝土支撐形成支撐力時(shí)間長，第4道混凝土支撐形成階段自土方挖至標(biāo)高后采取增加臨時(shí)鋼支撐的措施控制變形，總體效果明顯。

根據(jù)過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，第1層土方分2層開挖的方法使得基坑實(shí)際分層變形指標(biāo)明顯優(yōu)于設(shè)計(jì)的分層控制指標(biāo)(普遍為設(shè)計(jì)變形值的30%～50%)，同時(shí)配合第4道混凝土支撐施工階段增加1道臨時(shí)鋼支撐減小基坑變形量，基坑后續(xù)開挖及底板施工時(shí)圍護(hù)變形情況穩(wěn)定。

3)該車站主體Ⅰ期南側(cè)基坑實(shí)際減壓降水自第五道撐底開挖第六道撐時(shí)開始，初期運(yùn)行2口減壓井。考慮到基坑標(biāo)準(zhǔn)段東西兩側(cè)環(huán)境敏感性，在降至安全水位后調(diào)整為工作井位置1口降壓井設(shè)置回流裝置持續(xù)抽水并控制抽水量，標(biāo)準(zhǔn)段1口降壓井根據(jù)安全水位情況適時(shí)開啟，控制水位降深滿足基坑安全水位。經(jīng)觀測、統(tǒng)計(jì)，自降壓起至后續(xù)結(jié)構(gòu)回筑施工，周邊環(huán)境沉降總體穩(wěn)定，無明顯波動(dòng)。

4)另根據(jù)南端頭井實(shí)際開挖及降水情況，基坑收底階段坑底土體固結(jié)情況良好，并形成首段底板。收底至工作井范圍及標(biāo)準(zhǔn)段局部位置開挖進(jìn)入⑤2層，初期坑底土體固結(jié)良好，后連日降雨及開挖擾動(dòng)，坑內(nèi)明水在排除后土體液化明顯，部分下翻結(jié)構(gòu)位置開挖困難，經(jīng)輕型井點(diǎn)抽水后，土體固結(jié)效果明顯。

3.3 事后總結(jié)

1)結(jié)合Ⅰ期南側(cè)基坑鋼支撐應(yīng)力伺服系統(tǒng)運(yùn)行與變形的規(guī)律，優(yōu)化Ⅱ期北側(cè)基坑應(yīng)力伺服系統(tǒng)運(yùn)行。

根據(jù)Ⅰ期南側(cè)基坑第2道、3道鋼支撐應(yīng)力伺服系統(tǒng)運(yùn)行及基坑開挖過程中每道支撐軸力變化情況，采集部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比分析，發(fā)現(xiàn)Ⅰ期南側(cè)基坑開挖過程中，第2道，第3道支撐軸力先增大后減小后趨于穩(wěn)定；第5道支撐軸力變化相對穩(wěn)定，開挖至底板后第6道支撐所受壓力最大。

根據(jù)上述規(guī)律，北端頭井基坑以第4道混凝土支撐為基準(zhǔn)，該道混凝土支撐以上鋼支撐根據(jù)施工變形隨時(shí)調(diào)整軸力，調(diào)整范圍為設(shè)計(jì)軸力100%～120%；該道混凝土支撐以下鋼支撐軸力按最大值設(shè)定，硬件條件安全情況下盡量增加壓力。

2)結(jié)合Ⅰ期南側(cè)基坑⑤2層及⑦層承壓水降壓與環(huán)境影響情況，對Ⅱ期北側(cè)基坑施工方法及降水井布置進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)Ⅰ期南側(cè)基坑實(shí)際開挖及降水情況，基坑收底階段坑底土體固結(jié)情況良好，并形成首段底板。收底至工作井范圍及標(biāo)準(zhǔn)段局部位置開挖進(jìn)入⑤2層，初期坑底土體固結(jié)良好，后連日降雨及開挖擾動(dòng)，坑內(nèi)明水在排除后土體液化明顯，部分下翻結(jié)構(gòu)開挖困難，經(jīng)輕型井點(diǎn)抽水后，土體固結(jié)效果明顯。結(jié)合Ⅱ期北側(cè)基坑底⑤2層土層特性及環(huán)境敏感程度，在Ⅱ期北側(cè)基坑工作井局部增加坑底加固，同時(shí)設(shè)置墻縫止水措施改善基坑滲漏水及降低明水對收底工作的影響。另根據(jù)南側(cè)基坑實(shí)際開挖降水運(yùn)行情況，結(jié)合北側(cè)基坑坑底進(jìn)入⑤2層土8 m～10 m的情況，優(yōu)化Ⅱ期北側(cè)基坑降壓井的布置，在滿足⑦層降壓的情況下，調(diào)整2口⑦ 層降壓井為⑤2層坑內(nèi)減壓兼觀測井，以應(yīng)對⑤2層降水需求。

4 結(jié)語

通過上海軌道交通18號線工程土建工程13標(biāo)丹陽路站Ⅰ期南側(cè)基坑開挖過程中安全施工技術(shù)措施的應(yīng)用與改進(jìn)，以及Ⅱ期北側(cè)基坑開挖時(shí)對Ⅰ期南側(cè)基坑相關(guān)措施的進(jìn)一步優(yōu)化，可以得到以下結(jié)論：

1)基坑開挖過程中若層高較高，可采用“層中分層”的方式，同時(shí)做好鋼支撐安裝工序的及時(shí)銜接，對減少基坑暴露時(shí)間、控制圍護(hù)變形有積極作用；

2)在進(jìn)行基坑中下部混凝土支撐位置處的土層開挖時(shí)，受混凝土支撐形成軸向力時(shí)間較長的影響，可增加臨時(shí)鋼支撐以減小過程中的圍護(hù)變形量；

3)根據(jù)基坑坑底土體特性及周邊環(huán)境敏感程度，可選擇性的對基坑底進(jìn)行加固處理，同時(shí)設(shè)置墻縫止水措施，以改善基坑滲漏水及降低明水對收底工作的影響；

4)根據(jù)土層特性及周邊環(huán)境情況，適時(shí)調(diào)整疏干井及減壓井，必要時(shí)增加觀測井及回灌井，控制出水量及安全水位，以確?；娱_挖施工及周邊環(huán)境的安全。