近接地鐵條件下深基坑施工控制與分析

周丁恒，張志勇，賈世濤，曹力橋，荊鴻飛

(1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600； 2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

隨著大城市地鐵線網(wǎng)的加密，臨近地鐵工程建設(shè)活動也日益增多，其中基坑工程近接地鐵是其中的一種。目前，數(shù)值分析方法在基坑近接施工研究中應(yīng)用廣泛，主要方式是通過計算模擬分析基坑施工引起的臨近地鐵結(jié)構(gòu)變形及受力特征[1]，但數(shù)值分析受制于參數(shù)選取、本構(gòu)模型等諸多主觀因素的限制，模擬結(jié)果準確性存在失真可能。相對數(shù)值分析手段，現(xiàn)場實測可直接反映基坑施工對臨近地鐵結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律和程度：魏綱等[2]對近地鐵加固側(cè)與遠離地鐵非加固側(cè)的深層土體位移、地表沉降、支撐軸力及壓頂梁的監(jiān)測結(jié)果進行了對比分析；徐中華等[3]針對臨近地鐵隧道的超深基坑，提出了分坑順作、兩墻合一地下連續(xù)墻、被動區(qū)加固、鋼支撐補償體系等措施，并對基坑變形和地鐵隧道變形進行了現(xiàn)場監(jiān)測；殷一弘[4]也展開了和徐中華等[3]類似的研究，依托基坑采取了分區(qū)順做、板式支護、多道支撐的支護結(jié)構(gòu)；丁智等[5]根據(jù)已有的臨近地鐵的基坑實測數(shù)據(jù)，研究了施工全過程中深層土體側(cè)向位移與地鐵隧道變形之間的規(guī)律，分析了基坑開挖的危險施工節(jié)點與重點影響區(qū)域；魏綱等[6]對臨近基坑的隧道的水平位移、豎向位移及水平收斂進行了監(jiān)測，分析了影響規(guī)律及加固效果；張立明等[7]就軟土地區(qū)深基坑對臨近地鐵結(jié)構(gòu)影響進行了實測分析。現(xiàn)場實測可作為數(shù)值分析的比較手段，驗證數(shù)值計算的合理性[8-10]。

通過對國內(nèi)基坑近接地鐵實測研究查閱、分析，現(xiàn)場實測案例主要集中在基坑臨近地鐵隧道，同時近接車站和隧道的實測案例很少。本文以現(xiàn)場監(jiān)測為手段，分析同時臨近地鐵車站和隧道的軟土深基坑施工中深層土體位移、地面沉降、地下水位變化及支撐受力情況，并對盾構(gòu)裂縫尺寸及分布進行統(tǒng)計分析，力求豐富臨近深基坑近接地鐵的研究。

1 工程背景

1.1 工程概況

依托項目為綜合體，包含3層地下室，各樓板面標高分別為-6.0，-9.6，-14.8 m，采用鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)。基坑在平面上近似矩形，尺寸約為265 m×130 m，開挖深度15.8～16.3 m，電梯井處更深，屬超大超深基坑。基坑北側(cè)臨近1，4號線換乘車站及1號線區(qū)間，基坑及其與地鐵的關(guān)系如圖1所示。基坑范圍的盾構(gòu)線長約為210 m，地下室外墻距離地鐵結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)線外邊沿最小距離約15.4～17.7 m，基坑北側(cè)臨近地鐵1號線部位開挖深度15.8～16.3 m。基坑深度、長度以及基坑與地鐵的距離因素，決定了基坑對地鐵影響較大，尤其是對距離最近的1號線區(qū)間右線的影響十分明顯。

圖1 基坑與地鐵結(jié)構(gòu)平面位置關(guān)系

1.2 圍護方案及施工順序

基坑劃分為Ⅰ基坑和Ⅱ基坑(Ⅱ-1基坑和Ⅱ-2基坑)，各分基坑之間設(shè)置分隔墻。地鐵側(cè)基坑圍護結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，墻外側(cè)設(shè)置隔離樁，坑外主動區(qū)和坑內(nèi)被動區(qū)均進行了加固。基坑其他側(cè)圍護結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁。土方開挖遵循“分層、分段、分塊、限時開挖”和“先撐后挖、限時支撐、嚴禁超挖”的原則進行。先進行Ⅰ基坑開挖，待Ⅰ基坑地下室結(jié)構(gòu)施工完成后，Ⅱ-1基坑先施工，待Ⅱ-1基坑施工至底下1層樓板后，開始Ⅱ-2區(qū)塊的土方開挖，最后施工Ⅱ基坑地下室結(jié)構(gòu)。

Ⅰ基坑設(shè)3道混凝土支撐，Ⅱ基坑第1，2道設(shè)置混凝土支撐，第3，4道采用可調(diào)節(jié)內(nèi)力鋼支撐。部分位置位于淤泥質(zhì)土層，坑內(nèi)被動區(qū)采用三軸攪拌樁加固。

為控制基坑開挖對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，施工中采取墊層加強、增設(shè)型鋼支撐、支撐拆除與換撐控制、隔離樁保護、控制止水帷幕質(zhì)量、減少基坑暴露時間、增加監(jiān)測頻率及北側(cè)地鐵周邊的施工荷載控制等措施。

2 地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

項目所在區(qū)域地表以下68 m深度內(nèi)可劃分為8個工程地質(zhì)層，細分為 13個工程地質(zhì)亞層，自上而下分別是：①雜填土、②黏質(zhì)粉土、③砂質(zhì)粉土、⑤砂質(zhì)粉土夾粉砂、⑥-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥-2淤泥質(zhì)黏土、⑧ 黏土、⑨-1粉質(zhì)黏土夾粉砂、⑨-2圓礫、⑨-1粉質(zhì)黏土夾粉砂、⑩-a全風化泥質(zhì)粉砂巖、⑩-b強風化泥質(zhì)粉砂巖、⑩-c中等風化泥質(zhì)粉砂巖。坑底以下為淤泥質(zhì)土，影響整體穩(wěn)定和變形控制。基坑范圍內(nèi)上面9層土體參數(shù)列于表1中。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 水文地質(zhì)條件

孔隙潛水主要賦存于填土及黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土層中。地下水位一般埋深于地表下1.2～2.9 m左右，水位年變幅在1.0～2.0 m左右。該潛水水位升降主要受大氣降水、周邊河道等影響，并隨季節(jié)性變化。

孔隙承壓水主要貯存在圓礫層中，承壓水埋深-37.98 m左右(絕對標高)，承壓水位標高-2.80 m(絕對標高)，水頭35.18 m。承壓水隨季節(jié)變化，水位年變幅在1.0～2.0 m左右。

基坑開挖范圍內(nèi)存在大厚度的粉土層，滲透系數(shù)大，地下水對基坑開挖影響較大，臨地鐵側(cè)做好止水措施，且不允許地鐵側(cè)進行降水施工。

3 基坑現(xiàn)場監(jiān)測與分析

3.1 監(jiān)測布置

基坑監(jiān)測內(nèi)容包括深層土體位移、坑內(nèi)外地下水位、支撐軸力及地面沉降，具體監(jiān)測數(shù)量列于表2中，其中，深層土體位移為土體的水平位移。現(xiàn)場布置如圖2所示。

表2 基坑監(jiān)測項目

圖2 基坑監(jiān)測平面布置

3.2 基坑監(jiān)測結(jié)果分析

3.2.1 深層土體位移

分別在基坑?xùn)|南西北4個方向上各選取1個測點進行分析，分別是CX20，CX30，CX35，CX39，其中CX20為近地鐵側(cè)的測點。不同施工階段深層土體位移曲線如圖3所示，Ⅱ基坑施工對距其較遠的CX30，CX35，CX39測點影響較小，未繼續(xù)對3個測點深層土體位移進行監(jiān)測。

圖3 不同施工階段深層土體位移分布曲線

CX20，CX30，CX35，CX39測點最大監(jiān)測值分別為27.70，29.99，22.71，25.78 mm，由于土體的流變效應(yīng)，CX30，CX35，CX39測點深層土體位移在Ⅱ基坑施工期間和施工后將繼續(xù)發(fā)展，CX20測點后期深層土體位移變化量約10 mm，可大致判斷其他3個測點未監(jiān)測的后期深層土體位移變化量超過10 mm。比較CX20測點與其他3個測點，說明分區(qū)開挖方法能較好地控制基坑周邊土體變形。CX20測點最大監(jiān)測值所處深度始終在3 m左右，而其他3個測點最大監(jiān)測值所處深度隨著基坑向下開挖逐漸下移，Ⅰ基坑地下室結(jié)構(gòu)施工后，最大監(jiān)測值所處深度為6～7 m。以CX30，CX35，CX39測點為基礎(chǔ)，綜合其他與Ⅱ基坑較遠的測點深層土體位移監(jiān)測結(jié)果，Ⅰ基坑地下結(jié)構(gòu)施工階段，各測點的深層土體位移變化較大，該階段是土體變形控制的重要階段。

3.2.2 地面沉降

在44個點的深層土體位移監(jiān)測中，CJ9—CJ23測點布置在Ⅰ基坑側(cè)，CJ1—CJ8、CJ24測點布置在Ⅱ基坑側(cè)，選擇CJ9—CJ23測點監(jiān)測結(jié)果進行分析，不同施工階段地面沉降監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：

1) Ⅰ基坑2層開挖后，地面沉降最大為6.53 mm，15個測點地面沉降平均為2.68 mm；

2) Ⅰ基坑3層開挖后，相對于Ⅰ基坑2層開挖，地面沉降有一定幅度的增大，增大幅度在3.94～7.28 mm。Ⅰ基坑3層開挖后地面沉降最大值和平均值分別為11.17和8.21 mm；

3) 相對于Ⅰ基坑3層開挖，Ⅰ基坑地下室結(jié)構(gòu)施工地面沉降變化非常明顯，增大幅度在26.41～34.62 mm，地面沉降最大值和平均值分別為44.55和39.82 mm。

3.2.3 地下水位變化

在25個點的地下水位監(jiān)測中，SW5—SW16測點布置在Ⅰ基坑外側(cè)，SW1—SW4，SW17測點布置在Ⅱ基坑外側(cè)，SW18，SW19布置在Ⅱ基坑內(nèi)，SW20—SW25布置在Ⅰ基坑內(nèi)。Ⅰ基坑外側(cè)測點不同施工階段地下水位監(jiān)測結(jié)果如圖5(a)所示(Ⅱ基坑施工及以后未進行監(jiān)測)，Ⅱ基坑外側(cè)測點不同施工階段地下水位監(jiān)測結(jié)果如圖5(b)所示，地下水位用正值表示，含義為距地表的距離。

圖5 不同施工階段地下水位監(jiān)測結(jié)果

Ⅰ基坑外側(cè)坑外降水點初始水位普遍低于Ⅱ基坑外側(cè)坑外降水點初始水位。由圖5(a)可知：

1) Ⅰ基坑外側(cè)12個測點中有10個測點地下水位隨基坑開挖下降，在下降過程中，以Ⅰ基坑2層開挖階段變化最為顯著；

2) SW10，SW12測點地下水位均經(jīng)過了“先降低，再上升”的過程，SW10測點最終水位與初始水位基本一致。SW12測點初始地下水位6.06 m，Ⅰ基坑開挖后變?yōu)?.63 m，水位變化量為1.43 m；

3) Ⅰ基坑外側(cè)12個坑外測點最大水位變化量為1.824 m，大多數(shù)測點水位變化均大于Ⅱ基坑外側(cè)測點水位變化，說明分區(qū)分塊開挖，對地下水位變化的控制效果明顯。

由圖5(b)可知：Ⅱ基坑外側(cè)4個測點地下水位隨基坑開挖逐漸下降，Ⅰ基坑地下室結(jié)構(gòu)施工階段地下水位變化明顯，施工完成后一段時間，地下水位也有一定變化，整個施工過程中地下水位最大變化量為0.79 m。

3.2.4 支撐軸力

Ⅰ基坑3道支撐、Ⅱ基坑4道支撐均進行了軸力監(jiān)測。Ⅰ，Ⅱ基坑1道、2道、3道支撐累計變化量控制指標分別為±8 000，±10 000，±12 000 kN，Ⅱ基坑第4道支撐累計變化量控制指標為±14 000 kN。部分支撐軸力最終監(jiān)測結(jié)果列于表3中，通過對68組支撐軸力情況進行分析可知：Ⅰ，Ⅱ基坑量測的支撐軸力滿足控制標準，且有一定的安全余量；Ⅰ基坑3道支撐軸力大于2道支撐軸力，1道支撐軸力小于2，3道支撐軸力；Ⅱ基坑支撐軸力大于Ⅰ基坑同道支撐軸力。

表3 部分支撐軸力最終監(jiān)測結(jié)果 kN

4 1號線上行線監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 位移監(jiān)測結(jié)果

1號線上行線距離基坑最近，受基坑施工影響最明顯。自車站端部開始，從右至左在1號線上行線內(nèi)部布設(shè)了44個監(jiān)測斷面。本文以1號線上行線為對象，分析了不同施工階段豎向位移、差異沉降、水平位移及收斂變化情況，結(jié)果如圖7所示。

圖7 Ⅱ基坑施工后盾構(gòu)隧道新增裂縫典型情況

由圖6(a)可知：①Ⅰ基坑2層開挖后，除1號測點-0.8 mm和8號測點0.2 mm外，其他測點豎向位移均在0.7～1.7 mm；②Ⅰ基坑3層開挖對各測點豎向位移影響不大，其中左側(cè)測點變化幅度稍大于右側(cè)測點；③Ⅰ基坑地下室結(jié)構(gòu)施工階段，右側(cè)部分測點豎向位移變化十分明顯，其原因是在Ⅱ基坑施工前右側(cè)基坑邊界與1號線的距離小于左側(cè)；④Ⅱ基坑施工階段各測點的豎向位移變化較小，表明分區(qū)施工對控制隧道豎向位移作用明顯；⑤基坑施工完成后，各測點豎向位移繼續(xù)增大，但變化幅度不大。

由圖6(b)可知：各測點差異沉降在基坑橫向上分布呈“波浪”特征，且隨著施工進展變化無明顯規(guī)律，在-1.5～2.5 mm變化。

由圖6(c)可知：①Ⅰ基坑2層開挖后，各測點水平位移相差不大，均在-0.8～1.1 mm范圍內(nèi)；②Ⅰ基坑3層開挖階段，16—24號測點水平位移增大，兩側(cè)測點稍有增大或減小；③Ⅰ基坑地下室結(jié)構(gòu)施工階段，16—24號測點水平位移繼續(xù)大幅度增大，兩側(cè)測點變化稍有增大或減小；④Ⅱ基坑施工對各測點的水平位移影響不大。

由圖6(d)可知道：①收斂值在基坑橫向上呈現(xiàn)“中間大，兩邊小”的特征，其中以20號測點收斂最大；②Ⅰ基坑2層開挖后，大部分測點收斂值均在1.0～1.8 mm范圍內(nèi)；③Ⅰ基坑3層開挖后，各測點收斂均有小幅度增大；④Ⅰ基坑地下室結(jié)構(gòu)施工階段，4—36號測點收斂值有明顯變化，其中以20號測點變化幅度最大，增大了13.7 mm；⑤Ⅱ基坑施工對收斂影響很小，但Ⅱ基坑施工完成后，由于土體流變效應(yīng)，各測點收斂繼續(xù)增大。

4.2 隧道變形控制效果分析

《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202—2013)對地鐵隧道安全控制指標值做了規(guī)定，其中水平位移、豎向位移及徑向收斂均要求小于20 mm，差異沉降要求小于4 mm。由圖6可知，最大豎向位移為-6.6 mm，最大差異沉降為2.4 mm，最大水平位移為4.0 mm，最大收斂為20.9 mm(20號斷面)，其中豎向位移、差異沉降、水平位移均滿足控制要求，但20號斷面的收斂超過了控制要求。

5 盾構(gòu)隧道裂縫情況

5.1 裂縫數(shù)量及空間分布特征

在Ⅰ基坑和Ⅱ基坑地下室結(jié)構(gòu)施工完成后，對距離基坑最近的1號線上行線隧道內(nèi)進行了現(xiàn)場巡查，對2個階段盾構(gòu)隧道的新增裂縫情況進行了詳細記錄，Ⅱ基坑地下室結(jié)構(gòu)施工完成后盾構(gòu)隧道新增裂縫典型情況如圖7所示。

不同施工階段新增裂縫情況如圖8所示，新增裂縫全部在盾構(gòu)隧道上半部分。Ⅰ基坑地下室結(jié)構(gòu)施工后盾構(gòu)隧道新增了74條，主要分布在12點鐘位置，該位置裂縫條數(shù)占比63.5%，9點鐘、10—11點鐘位置分布有6條和5條裂縫，其他位置裂縫在1～4條。Ⅱ基坑地下室結(jié)構(gòu)施工后，新增裂縫51條，12點鐘位置裂縫數(shù)量占全部數(shù)量的41.2%，相對于Ⅰ基坑地下室結(jié)構(gòu)施工后有所減少，11點鐘、11—12點鐘位置裂縫數(shù)量增加，占比分別為23.5%，13.7%，表明Ⅱ基坑施工階段盾構(gòu)隧道裂縫頂部集中效應(yīng)減弱。

圖8 Ⅱ基坑施工后裂縫位置分布

5.2 裂縫尺寸特征

以Ⅱ基坑施工后1號線上行線盾構(gòu)隧道新增裂縫為研究點，寬度分布及收斂值分布如圖9、圖10所示。由圖9可知：①Ⅱ基坑施工后新增裂縫寬度主要在0.6 mm以下，約占總數(shù)的92.6%。0.6～0.8 mm寬度范圍內(nèi)無裂縫。0.8 mm以上裂縫寬度相對較少，約占總數(shù)的7.4%；②整體上，裂縫數(shù)量與寬度成反比關(guān)系，寬度越大的裂縫出現(xiàn)的概率越小。由圖10可知：新增裂縫收斂值基本都大于3 mm，大部分在6 mm以上，其中6 mm以上占比約為78.4%，3～6 mm收斂值范圍占比約為19.6%，收斂值在3 mm以下僅有1條。

圖9 Ⅱ基坑施工后裂縫寬度分布

圖10 Ⅱ基坑施工后裂縫收斂值分布

Ⅱ基坑施工后巡查到的51條新增裂縫中，長度在0.5 m及以下有15條，長度在0.5～1.0 m(包括1.0 m)有5條，長度在1.0～1.5 m(包括1.5 m)有3條，貫通的有28條，多數(shù)新增裂縫長度已呈貫通特征，貫通條數(shù)占總條數(shù)超過55%。

6 結(jié)論

1) Ⅱ基坑側(cè)深層土體位移及地下水位變化小于Ⅰ基坑側(cè)，分區(qū)開挖效果明顯。支撐軸力均小于控制標準，且有一定的安全余量，支撐處于安全狀態(tài)。

2) Ⅰ基坑地下室結(jié)構(gòu)施工階段位移和1號線上行線監(jiān)測結(jié)果明顯，1號線上行線豎向位移、差異沉降、水平位移滿足控制要求，但部分收斂值接近或超過控制標準。上述結(jié)果與該階段施工中斷有關(guān)，因此，需控制結(jié)構(gòu)施工周期，以減小土體流變效應(yīng)對基坑和鄰近隧道的影響。

3) 基坑施工引起了臨近盾構(gòu)管片裂縫，裂縫分布在盾構(gòu)上半部分，主要在12點鐘位置。寬度多數(shù)小于0.6 mm，收斂值多大于6 mm。部分裂縫已貫通，需進行管片損傷檢測。