老城區復雜環境下地鐵車站基坑開挖安全控制

尹 永 明

(上海市基礎工程集團有限公司，上海 200002)

0 引言

地鐵車站深基坑工程往往位于城市中心區域，周邊環境較為復雜，深基坑開挖過程中若管控不當，將對基坑、周邊管線、道路及建(構)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險管控要求越來越嚴格。目前，有許多學者、工程技術人員對基坑變形控制、風險管控措施等進行研究分析，如林廷松[1]針對軟土地區地鐵深基坑的致命性風險，提出了深入細化設計方案及施工工序、加強施工期各責任主體風險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，以各個施工階段為劃分，從施工、技術、安全等角度出發，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境的安全，通過有限元軟件建立模型進行計算得到的數據與實際監測數據進行對比分析，既驗證了變形預測結果的可靠性，又得到可以預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現問題及隱患，及時采取有效措施確保基坑安全。本文詳細介紹了上海軟土地區老城區復雜環境條件下某地鐵車站深基坑開挖施工的風險因素、過程中采取或改進的安全施工技術措施，最后對過程中的施工經驗作出了相應的總結。

1 工程概況

上海軌道交通18號線工程土建工程13標丹陽路站位于楊樹浦路、江浦路路口北側，南至楊樹浦路、北至丹陽路，沿江浦路南北向設置，為地下3層雙柱三跨車站，車站主體規模為174 m×21.6 m(內凈)，端頭井結構總寬度為25 m(內凈)。圍護形式為地下連續墻(十字鋼板接頭)，深度52 m，厚度1.2 m。中間設封堵墻分為南北2個基坑。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，標準段部分長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，標準段部分長69.428 m、寬22.8 m、開挖深度25.37 m。車站標準段基坑設置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，圍護最大水平位移不大于0.14%開挖深度。周邊老舊居民區及管線多且距離基坑近，基坑施工對周邊保護要求高；另外，車站底板位于⑤1t黏質粉土夾粉質黏土、⑤2a層砂質粉土，進入⑤2a層2 m～8 m。因此，丹陽路站車站主體基坑開挖風險較高。

2 基坑開挖階段風險因素分析

根據本工程所處的場地地質條件、周邊環境等情況分析，主要的風險有以下幾點：

1)臨近既有建筑物的保護。車站主體基坑，東側福寧路以北為五金江浦大樓(距離約9.4 m)、凱達苑居民區(距離約8.4 m)，西側為翻交江浦路、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構、樁基礎形式外，其余建筑物皆為磚混結構、條形基礎形式。以上建筑物皆在2倍基坑開挖深度影響范圍內，施工難度大，保護要求高。

2)周邊管線的保護。丹陽路站周邊管線復雜，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、燃氣管、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)軟土地區地質條件下施工。上海是典型的軟土地區，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、強度低、壓縮性高、靈敏度高、觸變性等不良工程地質特性，受擾動易發生結構破壞，導致強度降低，進而誘發地表變形；而且軟土還有低滲透性、流變性等特點，應力狀態發生改變時，產生流變，對基坑開挖穩定性影響較大。加上圍護周邊動載的影響，變形控制難度加大。

4)基坑降水難度大、風險點多。擬建場地沿線淺部第③j層灰色砂質粉土與淤泥質粉質黏土互層及局部第③層灰色淤泥質粉質黏土層地段粉性較重，在水動力作用下，易產生流砂、管涌、坍塌等現象；局部基坑坑底落在第⑤2a層砂質粉土層中，該層土含沙量較大，屬微承壓水層，在水動力作用下易發生流變現象；另外，基坑圍護結構地墻深度為52 m，未隔斷第⑦層承壓水，承壓水位按照5.40 m計算，基坑坑底存在突涌風險；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 安全施工技術措施的優化

3.1 事前控制

項目部根據致命性風險的實施周期及風險特征，綜合考慮基坑開挖工況、降水工況，2019年春節前Ⅰ期南側基坑開挖至第四道混凝土支撐位置。后跨越2019年春節后繼續向下開挖。考慮設計支撐間距(縱向)、周邊環境敏感性、基坑暴露時間及基坑總體變形量指標控制，遂決定采用第二、三道鋼支撐由普通609鋼支撐調整增加應力伺服系統，以進一步控制基坑變形。

3.2 事中控制

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

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

根據過程中監測數據的統計分析，第1層土方分2層開挖的方法使得基坑實際分層變形指標明顯優于設計的分層控制指標(普遍為設計變形值的30%～50%)，同時配合第4道混凝土支撐施工階段增加1道臨時鋼支撐減小基坑變形量，基坑后續開挖及底板施工時圍護變形情況穩定。

3)該車站主體Ⅰ期南側基坑實際減壓降水自第五道撐底開挖第六道撐時開始，初期運行2口減壓井。考慮到基坑標準段東西兩側環境敏感性，在降至安全水位后調整為工作井位置1口降壓井設置回流裝置持續抽水并控制抽水量，標準段1口降壓井根據安全水位情況適時開啟，控制水位降深滿足基坑安全水位。經觀測、統計，自降壓起至后續結構回筑施工，周邊環境沉降總體穩定，無明顯波動。

4)另根據南端頭井實際開挖及降水情況，基坑收底階段坑底土體固結情況良好，并形成首段底板。收底至工作井范圍及標準段局部位置開挖進入⑤2層，初期坑底土體固結良好，后連日降雨及開挖擾動，坑內明水在排除后土體液化明顯，部分下翻結構位置開挖困難，經輕型井點抽水后，土體固結效果明顯。

3.3 事后總結

1)結合Ⅰ期南側基坑鋼支撐應力伺服系統運行與變形的規律，優化Ⅱ期北側基坑應力伺服系統運行。

根據Ⅰ期南側基坑第2道、3道鋼支撐應力伺服系統運行及基坑開挖過程中每道支撐軸力變化情況，采集部分數據進行統計對比分析，發現Ⅰ期南側基坑開挖過程中，第2道，第3道支撐軸力先增大后減小后趨于穩定；第5道支撐軸力變化相對穩定，開挖至底板后第6道支撐所受壓力最大。

根據上述規律，北端頭井基坑以第4道混凝土支撐為基準，該道混凝土支撐以上鋼支撐根據施工變形隨時調整軸力，調整范圍為設計軸力100%～120%；該道混凝土支撐以下鋼支撐軸力按最大值設定，硬件條件安全情況下盡量增加壓力。

2)結合Ⅰ期南側基坑⑤2層及⑦層承壓水降壓與環境影響情況，對Ⅱ期北側基坑施工方法及降水井布置進行優化。

根據Ⅰ期南側基坑實際開挖及降水情況，基坑收底階段坑底土體固結情況良好，并形成首段底板。收底至工作井范圍及標準段局部位置開挖進入⑤2層，初期坑底土體固結良好，后連日降雨及開挖擾動，坑內明水在排除后土體液化明顯，部分下翻結構開挖困難，經輕型井點抽水后，土體固結效果明顯。結合Ⅱ期北側基坑底⑤2層土層特性及環境敏感程度，在Ⅱ期北側基坑工作井局部增加坑底加固，同時設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。另根據南側基坑實際開挖降水運行情況，結合北側基坑坑底進入⑤2層土8 m～10 m的情況，優化Ⅱ期北側基坑降壓井的布置，在滿足⑦層降壓的情況下，調整2口⑦ 層降壓井為⑤2層坑內減壓兼觀測井，以應對⑤2層降水需求。

4 結語

通過上海軌道交通18號線工程土建工程13標丹陽路站Ⅰ期南側基坑開挖過程中安全施工技術措施的應用與改進，以及Ⅱ期北側基坑開挖時對Ⅰ期南側基坑相關措施的進一步優化，可以得到以下結論：

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

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

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

4)根據土層特性及周邊環境情況，適時調整疏干井及減壓井，必要時增加觀測井及回灌井，控制出水量及安全水位，以確保基坑開挖施工及周邊環境的安全。