復雜周邊環境下地鐵深基坑變形控制技術應用研究

李鴻浩

騰達建設集團股份有限公司 上海 201204

城市中深基坑開挖工程越來越多，且位置多處于城市繁華區域。基坑開挖過程會對周邊建筑、地下結構及管線等保護對象造成影響，一旦造成損壞，后果將十分嚴重[1]。國內外許多學者對類似問題進行研究：張杰[2]通過對現場監測數據的分析，合理設置挖土順序及底板澆筑流程，調整深坑的支撐體系，減少挖土及底板施工時間，以此確保基坑的安全。廖錦坤[3]認為在深基坑施工中，必須根據監測數據及時調整施工方法和施工順序，嚴格控制支撐時間，才能更好地控制基坑變形。江巖明[4]認為深基坑施工中鋼支撐軸力伺服系統能夠有效彌補鋼支撐軸力易損傷的缺點，將鋼支撐的軸力由被動受壓和松弛的變形轉變為主動加壓調控變形，能有效控制基坑變形，進而控制周邊建筑物沉降。吳紹升[5]以地鐵工程為依托，開展了深層承壓水抽灌一體化試驗，發現回灌井運行后地面沉降速率有減小趨勢，是一種控制地面沉降，保護周邊環境的措施。本文結合上海軌道交通18號線（簡稱軌交18號線）蓮溪路站工程實際和監測數據，分析了深基坑變形控制多項技術的具體聯合應用，為類似工程深基坑變形控制和周邊環境保護提供借鑒。

1 工程概況

上海軌交18號線蓮溪路站位于浦東新區北蔡鎮，沿蓮溪路南北向布置，與運營中的軌交13號線蓮溪路站換乘。車站總長143.9 m，標準寬度25.0 m，為地下3層雙柱3跨14.0 m的島式站臺車站，覆土深度4.66 m。基坑開挖深度25.4～27.2 m，屬于超深狹長形基坑（圖1）。

圖1 總平面示意

車站圍護結構采用厚1.2 m、深55 m的地下連續墻，為十字鋼板柔性接頭，地下連續墻槽壁加固采用深12 m的φ650 mm@450 mm三軸攪拌樁。車站底板以下3 m采用抽條旋噴加固。基坑采用7道水平支撐，第1、5道為混凝土支撐，第2、3、4、7道為φ609 mm、壁厚16 mm的鋼支撐，第6道為φ800 mm、壁厚20 mm的鋼支撐。

由于基坑長度較長，開挖深度較深，現場采用厚1.2 m、深55 m的地下連續墻將主體基坑分隔為北區基坑和南區基坑這2個較小的基坑進行開挖。開挖順序為先開挖北坑，待北坑主體結構封頂后再開挖南坑，均采用明挖順作法施工。

車站基坑西南側為正德醫院，地面4、5層，地下2層，與車站基坑最近距離6.9 m。西側為絲屆商業樓4、5層，與車站基坑最近距離25.8 m。西北側為上海汽車空調配件有限公司2層辦公樓，與車站主體基坑最近距離38.8 m。東北側為中電綠色科技園水泵站，與車站基坑最近距離7.8 m。東側為中電綠色科技園1層配電室，與車站主體基坑最近距離11.8m，東側3層辦公樓與車站基坑最近距離10.3 m，東南側5層辦公樓與車站基坑最近距離13.2 m。

基坑兩側為臨排市政管線，詳見圖2。東側與基坑最近的管線為臨排污水管，距離基坑約2.8 m，西側與基坑最近的管線為臨排信息管，距離基坑約7.1 m。

圖2 結構與周邊管線相對關系

根據基坑深度及環境條件，車站主體基坑安全保護等級為一級，環境保護等級為一級，基坑開挖期間，圍護結構最大水平位移≤0.14%H（H為基坑開挖深度）。

2 工程水文地質

經勘察揭露，本車站地基土在80.0 m深度范圍內均為第四紀松散沉積物，屬第四系濱海平原地基土沉積層，主要由飽和黏性土、粉土和粉砂組成。本工程地層受古河道侵切影響，缺失堅硬的⑥層土場地。

對本工程有影響的含水層為淺層的潛水層和深部的承壓含水層。潛水主要賦存于淺層土中，在驗算時考慮取地下高水位埋深0.50 m計算。

根據本次勘察，揭露的第⑤1t、⑤2-2、⑤32b層為微承壓水含水層，第⑦2層為承壓含水層，第⑤32b層和第⑦2層存在水力聯系。根據上海市工程實踐，（微）承壓水水位埋深年呈周期變化，第⑤1t、⑤2-2層微承壓水一般埋深變化范圍為3.0～11.0 m，第⑤32b、⑦2層承壓水一般埋深變化范圍為3.0～12.0 m。

3 工程重、難點

1）周邊建筑物及管線距離基坑邊線過近，周邊環境保護難度較大，對基坑變形控制要求較高。

2）本工程基坑開挖深度較深，開挖及支護工序較多，開挖時間較長，造成基坑無支護暴露時間過長，易造成基坑及周邊環境變形累計值超過警戒值。

3）傳統鋼支撐支護形式中，鋼支撐軸力因易受溫差、預應力損失等因素影響而出現較大損失。

4）本工程項目地層受古河道侵切影響，缺失堅硬的⑥層土。

5）本工程周邊建筑物受到軌交18號線蓮溪路站基坑分坑多次開挖及（微）承壓水降水影響，保護難度較大。

4 基坑變形控制技術

4.1 土方開挖施工技術

以北坑為例，如圖3所示，對基坑每層土方進行分段（倉）劃分，對每段進行分塊劃分，對塊進行編號，先挖中間通道土，再挖兩側護壁土。根據上海軟土施工經驗，規定每層每段土方開挖及支撐工作時間，減少無支撐暴露時間。

圖3 基坑開挖分塊

1）根據上海工程經驗，上海③、④層軟土流變的時間一般為24 h，根據本工程所處地層情況、施工效率、土體流變性質以及土層地應力大小，對無支撐暴露時間的基坑變形進行分級控制，具體如下：

① 對于第1、2層土，在每個工作時段內開挖1倉（3根支撐），務必在24 h內架設完畢。

② 對于第3、4層土，在每個工作時段內開挖1倉（2根支撐），務必在18 h內架設完畢。

③ 對于第5、6層土，在每個工作時段內開挖1倉（2根支撐），務必在16 h內架設完畢。

2）為保證基坑開挖安全、有序、高效，對基坑土方進行分層、分倉開挖。考慮土方車運輸方向，基坑由北向南開挖。

3）每一倉進行開挖時，先開挖中間通道，利用兩側盆邊留土提供的被動土壓力提供一定時間的變形抑制作用，然后迅速開挖兩側盆邊土。根據坑外挖機作業半徑，一般留土寬度為5～6 m，根據朗肯被動土壓力計算，在支撐架設前，盆邊土提供1 600～2 700 kN的土壓力，有利于一定的基坑變形控制。

4.2 基坑降水與回灌

坑內布置21口疏干井，成孔直徑均為600 mm，管徑273 mm。采用真空深井對基坑進行降水疏干，基坑開挖前降水，降水后水位應達到開挖面以下1.0 m后進行開挖。

坑內設置14口降壓井，井深50 m，觀測井及備用降壓井2口，井深50 m。坑外設置10口回灌井兼觀測井，井深54 m。經抗突涌驗算，基坑開挖深度超過19.69 m時開始啟動降壓井。井位布置如圖4所示。

圖4 基坑降水井平面布置示意

由于基坑轉角處地下連續墻為“Z”字幅，地下連續墻厚1.2 m、深55 m，單幅鋼筋籠近90 t，整幅無法加工，現場拆分為2幅鋼筋籠分別吊入。轉角“Z”字幅成槽，

地下連續墻槽壁不易穩定，地下連續墻澆筑時易夾泥。此外，由于場地分段交地原因，現場南坑地下連續墻亦分多次施工，地下連續墻施工間隔較長，新老接縫較多，存在滲漏隱患。因此在基坑開挖前，認真對待抽水試驗，其中在南坑進行了3次抽水試驗，南坑抽水試驗結果如圖5～圖7所示。

圖5 坑內降壓時坑外觀測井水位埋深-時間曲線（第1次抽水試驗）

圖6 坑內Y2、Y3抽水運行時坑外觀測井水位埋深-時間曲線（第2次抽水試驗）

圖7 坑內Y2、Y3抽水運行時坑外觀測井水位埋深-時間曲線（第3次抽水試驗）

根據表1，歷次抽水試驗分析與處理情況如下：

表1 南坑觀測井歷次抽水試驗統計對比

1）由于第1次抽水試驗東側坑外觀測井水位下降較大，對轉角幅地下連續墻接縫處施打φ2 200 mm的與地下連續墻同深MJS加固樁體，經過加固后進行第2次抽水試驗，坑內觀測井水位迅速下降，從5口井抽水運行減少到啟動2口井即可，抽水時間縮短到1 h即可滿足坑內降壓的要求。

2）發現各承壓觀測井水位下降差異較大，對新老地下連續墻接縫處經過再次施打φ2 200 mm的與地下連續墻同深MJS加固樁體后，第3次抽水試驗坑內觀測井水位下降與第2次相比仍然呈繼續下降趨勢，抽水不到1 h即可滿足坑內降壓要求。

3）經第3次抽水試驗觀測，各承壓觀測井水位差異縮小不明顯，經專家判斷為地層原因。需在坑外貼近建筑物處設置2～3口回灌井，為避免對坑內抽水的影響，井遠離抽水中心設置。單井回灌量4.5 t/h，回灌量∶出水量＝1∶3。

4.3 鋼支撐選型

鋼支撐原設計為φ609 mm、壁厚16 mm的鋼管，根據同類工程加載經驗，最大承載軸力為1 800 kN。對于本工程最深達27 m的超深基坑，要達到一級變形控制要求，力有不逮。

經查詢，φ800 mm、壁厚12 mm的鋼管，單位長度質量與φ609 mm、壁厚16 mm的鋼管相同，經比較分析，兩者剛度有差異，根據壓桿穩定性公式對軸向承載力進行簡算可知：現場采用φ800 mm、壁厚12 mm的鋼管替代φ609 mm、壁厚16 mm的鋼管，更具承載優勢。

4.4 鋼支撐自動伺服技術應用

考慮到基坑開挖深度較深、基坑較長，當采用傳統鋼支撐支護形式時，不利于周邊環境風險控制，基坑易發生變形。因此，現場采用鋼支撐軸力自動補償系統。

現場采用φ800 mm的鋼管，因此，鋼支撐承載力值需重新調整。根據現場鋼支撐加載試驗及基坑監測變形數據進行調整，每層鋼支撐實際加載值如表2所示。

表2 伺服鋼支撐軸力加載值

采用鋼支撐軸力自動補償系統時，應做好鋼支撐預拼工作。坑內采用激光測距，提供精確長度以選取鋼支撐預拼，從而取消支撐活絡頭、簡化支撐，形成一端伺服千斤頂，一端法蘭盤與預埋鋼板貼合的形式，減少了因活絡頭變形而造成的軸力損失。

5 監測數據分析

本工程在基坑圍護結構及周邊布置了地下連續墻圍護測斜點、沉降監測點等。在地下連續墻圍護結構中共布置35孔測斜孔，編號P01—P35；在周邊建筑物角點及伸縮縫等處布置76個房屋沉降觀測點，編號F01—F76；基坑周邊管線每15 m間距設置1個監測點，共設置200個。

開挖時基坑及周邊建筑物監測數據如圖8～圖11所示，具體分析如下。

圖8 北坑地下連續墻測斜

圖9 南坑地下連續墻測斜

圖10 北坑開挖階段周邊建筑物沉降曲線

圖11 南坑開挖階段周邊建筑物沉降曲線

基坑分為2個基坑分別開挖，北坑于2018年3月27日開始開挖，于2018年7月15日基坑底板澆筑封底。此階段地下連續墻最大水平位移累計值為34.94 mm，發生在地下30 m深度處。周邊建筑物最大下沉值位于東北側，最大沉降值為－59.57 mm；南坑于2018年11月24日開始開挖，于2019年5月15日基坑底板澆筑封底。此階段地下連續墻最大水平位移累計值為38.98 mm，發生在地下28.50 m深度處。周邊建筑物最大下沉值位于東南側，最大沉降值為－63.80 mm。

基坑開挖期間，北坑及南坑圍護結構最大水平位移均滿足≤0.14%H（H為基坑開挖深度）。由于鋼支撐自動伺服系統技術、鋼支撐選型及基坑開挖技術等的應用，在第1道支撐至第5道支撐開挖深度范圍內，圍護結構側向變形值為較小的負值，在第5道支撐深度以下范圍內，由于土壓力的增大而增長為較小的正值，基坑變形控制達到要求。同時，雖然圍護結構側向變形較小，但是由于本工程地層缺失堅硬的⑥層土下臥層，周邊建筑物仍然產生了一定的沉降。根據實測結果可知，得益于基坑降水與回灌等技術的應用，周邊建筑物差異性沉降小，并逐漸趨于穩定，周邊環境安全尚在風險控制范圍內。

6 結語

1）基坑開挖應事先根據基坑及周邊實際工況制定相應的開挖方法，嚴禁隨意開挖。

2）基坑每層土應先開挖中間，一定寬度的盆邊留土具有一定的抑制變形作用。

3）重視深基坑抽水試驗，通過試驗結果判斷圍護隱患點，一旦發現風險征兆，則立即封堵加固，避免基坑突涌風險。

4）回灌井應貼近建（構）筑物設置，并遠離降水中心。降水及回灌過程中應注重回灌量與降水量的比值變化及觀測井內水位的穩定情況，動態調整回灌量。

5）φ800 mm、壁厚12 mm的鋼管與φ609 mm的鋼管單位長度質量相同，但受力性能存在較大差距，施工中鋼支撐應優先選用φ800 mm、壁厚12 mm的大直徑鋼管。

6）當采用鋼支撐自動伺服系統時，千斤頂加載軸力應根據監測變形數據進行調整優化，在鋼支撐承載范圍內提供最優的主動軸力加載值。