地鐵旁側深大基坑的支護及變形控制技術

虞革新，金 琳

（1.杭州錢江綠星樂居建設管理有限公司，浙江 杭州 311215；2.浙江省建工集團有限責任公司，浙江 杭州 330106）

0 引 言

截至2020年底，我國40余座城市有已運營或在建的地鐵設施，其中上海、北京等城市的地鐵總里程更是位居世界前列。同時，城市中地鐵沿線區域，往往也是城市建設項目分布密集的區域。因此，在已運營或在建的地鐵設施周邊進行工程建設時，如何采取措施對地鐵設施進行保護，日漸成為一項重要課題。

基坑工程因涉及支護結構施工、土方開挖等地下工程，對地鐵設施影響相對較大[1,2]，通常也是各地地鐵設施保護管理的關注重點。魏綱等[3]和朱正鋒等[4]通過實測分析上跨基坑對運營地鐵隧道的影響，地鐵隧道變形主要為豎向位移，對水平位移影響不大。況龍川[5]也通過實測數據分析了旁側基坑對地鐵隧道的影響，主要表現為隧道的水平位移，且對土方開挖、支撐拆除時的震動敏感。高廣運等[6]通過數值分析對不同施工方案下旁側基坑對地鐵隧道的影響進行對比分析。上述研究中所采取的變形控制措施主要為針對性的地基加固、分塊開挖和注漿糾偏等，研究表明，這些措施均為有效措施，但控制效果受到地質條件、工程特點等實際情況的顯著影響。

基坑工程因涉及支護結構施工、土方開挖等地下工程，對地鐵設施影響相對較大，通常也是各地地鐵設施保護管理的關注重點。本文通過對某地鐵周邊深大基坑項目的工程概況、圍護設計方案及針對地鐵保護的變形控制措施、項目實施過程中基坑監測和地鐵監測的成果等進行介紹，希望能為相關課題的進一步研究和類似工程的設計施工提供有益的參考。

1 工程概況與地質條件

該項目總用地面積為34 453 m2，總建筑面積為279 449 m2，整體設有3層連通的地下室。

該工程±0.000為絕對標高6.550 m。場地周邊自然地坪相對標高為?0.850 m（下文中標高除注明外，均為相對標高）。地下室周邊地梁均上翻，具體結構標高情況見表1。

表1 地下室結構標高概況Table 1 Structural elevation of basement

綜合考慮承臺、地梁的平面尺寸和間距，以及電梯井坑中坑的分布情況等，設計計算中取基坑底標高分別為?16.900～?22.200 m，故設計基坑開挖深度為16.05～21.15 m，基坑設計等級為一級。

根據該項目巖土工程勘察報告，場地地貌屬于平原區，地勢較為平坦。基坑開挖深度影響范圍內各土層主要物理力學性質指標見表2所示。典型地質剖面如圖1所示。

圖1 典型地質剖面圖Fig.1 Typical geological profile

表2 各土層物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of each soil layer

場地地下水主要為孔隙型潛水。地下水主要賦存于上部粉土、粉砂層中，其它均為弱透水層，地下水位受大氣降水和人工排水控制明顯，隨季節變化而升降。勘察期間實測穩定水位埋深為 1.10～2.10 m。年變化幅度1.00 m左右。該層地下水對混凝土及混凝土制品具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋有中等腐蝕性，對鋼結構具中等腐蝕性。

2 周邊環境條件

基坑東側與用地紅線最小距離為2.20 m（與基坑上坎線距離，下同），用地紅線以東為空地。

基坑南側與用地紅線最小距離為8.70 m，用地紅線以南為已建市政道路，道路下有已投入運營的地鐵隧道及車站主體結構。地鐵車站為鋼筋混凝土框架結構，頂面標高為絕對標高 3.370 m，板底標高為絕對標高?9.390～?11.370 m。車站施工期間曾采用鉆孔咬合樁圍護（墻底絕對標高為?21.390～?25.370 m），咬合樁與本基坑地下連續墻間的凈距約為28.12 m。地鐵A出入口底板大部分絕對標高為?2.880 m，與本基坑地下連續墻間的凈距約為15.10～28.50 m。1號風亭底板絕對標高為?4.030 m，與本基坑地下連續墻間的凈距約為16.20 m。地鐵隧道中心點絕對標高?6.200 m，直徑6.2 m，壁厚350 mm，軌頂絕對標高?8.060 m，隧道與本基坑地下連續墻間的凈距約為 15.53 m。市政道路下還埋有通信管、污水管、燃氣管、通訊管、雨水管等市政管線，距基坑的距離約在 10.9～15.20 m之間。

基坑西側與用地紅線的距離約為4.10 m，用地紅線以西為已建市政道路。道路下有通信管、燃氣管、給水管、雨水管、污水管和電力管等市政管線，到基坑邊的距離約在5.20～19.20 m之間。

基坑北側距用地紅線4.00～8.10 m，用地紅線以北為空地。

項目周邊的環境條件如圖2所示。

圖2 基坑周邊環境示意圖Fig.2 Schematic diagram of surrounding environment of foundation pit

3 工程特點

綜合基坑開挖深度、地質條件、水文條件和周圍環境條件等，該基坑工程具有如下特點：

（1）基坑開挖深度大：大面積開挖深度達16.05～21.15 m。

（2）基坑開挖面積大：基坑落地面積約近28 000 m2，東西向最大長度約為240 m，南北向寬度約130 m。

（3）場地地基土質情況較好：基坑開挖影響深度范圍內主要為填土、粉土及粉砂。

（4）地下水位埋深淺，基坑淺部土層滲透系數大，因此地下水位控制是該基坑工程實施過程中的關鍵之一。

（5）周圍環境條件比較復雜：基坑周邊有地鐵車站、隧道、市政道路及地下管線等需保護，對基坑的穩定和變形要求較高，尤其是基坑南側的地鐵隧道對變形控制要求非常嚴格，地鐵隧道變形控制值為豎向位移10 mm，水平位移5 mm；地鐵車站及其附屬設施變形控制值豎向位移和水平位移均為15 mm。

4 圍護設計及變形控制措施

該基坑開挖深度和開挖面積大，且鄰近地鐵隧道，周邊環境條件較為復雜，本可以考慮采用“逆作法”進行施工。采用“逆作法”利用樓板作為支撐體系，可節約臨時支撐費用。但采用“逆作法”也存在以下不足：（1）需在地下連續墻中植入預埋件，預埋件定位困難，致使施工難度增大；（2）由于“逆作法”需先施工絕大部分樓板，僅留下少量空當作為出土口，導致土方開挖困難，施工作業環境惡劣，施工工期長，無法滿足業主對工期的要求；（3）基坑全部采用地下連續墻支護，圍護成本較高。

根據項目實際情況，該基坑未采用“逆作法”施工。根據當地城市軌道交通保護相關管理規定及類似項目的成功經驗，該基坑采用“分倉挖土”的圍護措施，充分利用基坑的“時空效應”，先開挖遠離地鐵隧道側的大地下室，待大地下室完成地下室結構施工后，再對鄰近地鐵隧道側的地下室部分進行分倉開挖施工，由于分倉施工后基坑體量變小，有利于控制圍護結構的位移，以實現保護地鐵隧道的目的。

由于該基坑開挖深度大且鄰近地鐵，因此不適宜采用拉錨式等圍護結構型式，而只能考慮內撐式圍護結構。內撐式圍護結構具有受力合理、變形易控制、可靠性高、對周圍環境影響小等優點，在變形控制要求較高的基坑工程中被普遍采用。

在擋土結構的選擇上，基坑南側因鄰近地鐵車站及隧道，周圍環境條件比較惡劣，對環境保護要求較高，采用地下連續墻圍護結構。利用地下連續墻作為圍護結構時可以考慮采用“二墻合一”的施工工藝，即地下連續墻除了作為圍護結構外兼作為地下室外墻，可節約地下室外墻的施工費用。但“二墻合一”施工工藝也相應存在總體費用高、施工難度大等不足，在該項目中沒有必要采用。該項目除南側外，其他區域環境條件相對較好，考慮整體經濟性，采用鉆孔灌注樁排樁墻圍護結構即可。在兩種圍護結構型式的交界處應采用高壓旋噴樁進行封閉，以確保止水帷幕的連續性。

基坑圍護平面布置及分倉情況如圖3所示，整個基坑分成一、二期分期實施。其中遠離地鐵隧道的一期（A區）大基坑先行實施，在一期基坑開挖的過程中，第二道支撐以下的土方要求按 A1→A2→A3的順序進行分段開挖，在先行開挖段的地下室底板澆筑完畢后再進行鄰近區段的土方開挖。在一期地下室頂板施工完畢后，再進行二期（D區）基坑的開挖，二期基坑共分為5個區塊，分2個批次進行開挖施工，先施工編號為D1的區塊，后施工編號為D2的區塊。

圖3 圍護平面布置示意圖Fig.3 Layout plan of enclosure structure

在豎向支撐層數的選擇上，根據基坑開挖深度，一期基坑可考慮采用二層或三層支撐的圍護方案。由于該項目南側有地鐵軌道及車站需保護，因此考慮采用三層鋼筋混凝土支撐的圍護方案，以更好地控制基坑圍護結構變形，提高圍護體系可靠性。二期基坑距離地鐵更近，則增加至四層支撐，其中第一層支撐采用鋼筋混凝土支撐，其余三層采用帶有應力伺服系統的鋼管支撐。圍護結構典型剖面做法如圖4所示，采用800 mm厚地下連續墻支護。根據設計規范方法計算結果，該側圍護墻最大水平位移13.4 mm，發生于坑底附近。根據三維有限元分析結果，隧道上行線沉降1.23 mm，水平位移4.86 mm，隧道下行線沉降1.07 mm，水平位移3.10 mm，車站及附屬設施沉降1.08 mm，水平位移2.98 mm。

圖4 圍護結構典型剖面圖Fig.4 Typical section of enclosure structure

針對地鐵設施的保護，除上述分期、分區塊施工、加密支撐豎向間距、采用鋼支撐軸力補償系統等措施外，該基坑設計方案中還采取了如下措施：

（1）加大鄰地鐵側圍護墻插入深度，墻底均穿透⑥淤泥質粉質黏土層，進入物理力學性質較好的土層。

（2）取消地鐵設施保護區范圍內的基坑外降水井，防止坑外降水引起周邊地下水滲流，造成地鐵設施變形。

（3）在該場地土質條件下，地鐵盾構隧道對管涌和滲流異常敏感，不允許止水帷幕有缺陷。為保證該側止水帷幕的質量，確保其連續性，設置雙重止水帷幕，除地下連續墻外，其外側增設三軸水泥攪拌樁兼作槽壁加固和止水帷幕。

（4）因一期基坑平面范圍大，施工時間長，空間和時效效應差。故二期基坑四周均采用封閉的地下連續墻作為圍護結構，并在坑內設置被動區加固措施。如此，一期基坑施工時，二期圍護結構作為大剛度隔離體，可有效減小一期大基坑施工時圍護結構的側向位移。

（5）要求嚴格控制基坑南側的施工荷載，嚴禁挖土、運輸機械等動荷載在南側行駛。限制基坑南側10 m范圍內施工靜荷載不得超過10 kN/m2，10 m范圍以外施工靜荷載不得超過5 kN/m2。

5 基坑及地鐵設施監測

基坑開挖過程監測是保證基坑安全的一個重要措施，通過監測可以及時了解圍護結構體系的實際受力狀況，也可以對設計參數進行反分析，必要時可調整施工參數，指導后續施工，如呈現異常情況則可及時采取措施。

該項目基坑監測內容和報警值如下：

（1）深層土體水平位移監測：累計位移報警值鄰地鐵側為18 mm，其余三側分別為40 mm和50 mm；或位移發展速率連續3 d超過3 mm/d。

（2）墻體水平位移監測：累計位移 20 mm；或位移發展速率連續3 d超過3 mm/d。

（3）鋼筋混凝土支撐軸力監測：第一道支撐報警值為6 000 kN，其余各道支撐報警值為9 000 kN。

（4）基坑周邊地下水位觀測：報警值為地下水位穩定后變化幅度超過500 mm/d。

（5）基坑周邊地表沉降觀測：累計沉降20 mm，或變化速率連續3 d超過3 mm/d。

該工程已完成地下室施工，基坑已回填。根據基坑監測成果，鄰地鐵側各監測孔的深層土體水平位移最大累計值為7.24～14.99 mm，最大位移主要分布在 7～17 m 深度范圍內；地表沉降最大值為17.25 mm；其余各項監測數據的變化速率及累計值也均未超過監測報警值。在整個基坑工程施工過程中，基坑圍護結構本體及周邊環境變形較為穩定，未發現有危及基坑安全的情況。

根據地鐵監測成果，在該基坑一期土方開挖至底板施工期間，隧道呈現明顯的下沉、向基坑側偏移且有收斂增大的趨勢，車站也呈現明顯的下沉、向基坑側偏移的趨勢；二期基坑土方開挖期間，隧道仍有一定量的下沉、收斂增大的趨勢；二期底板完成至頂板施工期間，地鐵設施位移變化量較小。

地鐵主要監測項目最大變化量如表3所示，豎向位移負值為沉降，水平位移正值為向基坑偏移。

表3 地鐵監測項目最大變化量Table 3 The maximum variation of metro monitoring items

對比地鐵變形控制標準、設計計算結果和實際監測成果表明：整個基坑施工過程中，地鐵隧道保護區范圍內除隧道下行線變形略大于控制值外，其余各測點位移均滿足變形控制值，日變形量均未出現明顯的突變現象。圍護結構變形監測成果與計算結果基本吻合。而地鐵設施變形均略大于計算結果，根據現場實際施工情況，在土方開挖過程中發生過大量地下有害氣體釋放，對周邊環境變形發展有明顯影響，這是在設計分析過程中未曾考慮到的情況。工后監測數據反映地鐵設施變形已趨于穩定。

6 結 論

該工程的基坑監測及地鐵監測結果表明，基坑工程中空間和時效效應對圍護結構變形和周邊環境變形影響顯著。將基坑鄰近地鐵的區域進行分倉，嚴格控制單倉面積，并采取跳倉施工等措施，可有效減小圍護結構變形及其對周邊環境的影響，有利于保障鄰近地鐵設施的安全和正常運行。

而該基坑一期區域因平面范圍大，空間和時效效應較差，雖然距離地鐵設施相對較遠，施工過程中仍對地鐵設施的變形發展有明顯影響。

雖然圍護結構的變形主要表現為水平變形，但該基坑施工引起的地鐵隧道豎向位移要遠大于水平位移。考慮到鄰地鐵一側并未進行基坑外降水，較遠處的大范圍基坑外降水是否仍對地鐵設施變形有不可忽略的影響，值得進一步調查研究。