巖溶地區臨近地鐵超大深基坑支護設計與實踐

鄔龍剛，楊開彪

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

隨著城市地下空間的不斷開發，越來越多的基坑處于城市中心地帶，基坑周邊存在現狀道路、管線、建構筑物以及地鐵等等，導致基坑工程已成為一個系統工程，不僅需要考慮基坑本身的安全，同時需考慮對周邊環境的影響以及社會問題[1]。基于上述原因，單一支護方式已難以滿足受周邊建設條件制約的基坑設計，復雜基坑的設計應因地制宜，針對不同的地質情況、周邊建構筑的結構形式及重要性進行精細化設計，同時兼顧經濟性原則[2]。國內學者就基坑工程對鄰近地鐵隧道影響機理、地鐵變形的發展規律等進行了一系列分析與研究[3-10]。本文以某一深大基坑工程設計為例，在基坑處于地質條件復雜、周邊存在現狀運營地鐵及建筑等制約條件較多的情況下，詳細分析了復雜條件下基坑設計，并以項目實踐加以驗證，為類似工程提供了參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 項目簡介

本項目為大型地下空間聯合基坑，基坑內含30幅地塊以及地塊之間的公共空間（公共空間包括地下商業、市政隧道）組成。地下環路為單層結構，地塊內為-2～-4 層地下室。聯合基坑長約460 m、寬約370 m，周長約1769 m，臨近基坑各地塊深度約10.5～14.5 m，面積約17 萬m2。

基坑南北兩側亦為現狀城市道路。基坑西側為建設中的城市主干道，基坑東側為現狀城市道路，且其下為運營中的地鐵2 號線（明挖現澆，天然基礎），東北角為現狀地鐵站，地鐵區間距基坑約14.1～20.3 m，地鐵站距基坑約10 m，地鐵站和區間隧道埋深約11 m。此外，基坑西北角為保留的現狀8 層商業樓，距支護結構最近距離約9.7 m，設一層地下室，采用CM 樁復合地基。基坑周邊情況見圖1。

圖1 基坑周邊情況示意圖

從項目簡介可知，該深基坑周邊環境非常復雜，對基坑變形控制要求比較高，尤其要考慮基坑開挖對運營地鐵及現狀商業樓的影響。

1.2 工程地質與水文地質概況

擬建場地地層按地質成因及力學性質依次分為：由人工填土（Qml）、沖積- 洪積層（Qal+pl）、殘積層（Qel）及下覆基巖二疊系（P）的泥巖、炭質灰巖。其中沖積-洪積層主要由淤泥質土、可塑（硬塑）狀粉質黏土、粉砂層、中粗砂層組成。場地100 個鉆孔中揭露炭質灰巖的鉆孔80 個孔，揭露溶洞的鉆孔有54 個，見洞率約為67.5%，線巖溶率為43.02%，為巖溶強烈發育場地。溶洞以無充填及半充填為主，充填物主要為軟塑狀粉質黏土、砂土及風化巖屑為主。

擬建場地位于沖洪積平原上，鉆探期間測得鉆孔的初見水位埋深介于0～5.3 m，水位高程位于10.14～15.11 m；穩定水位埋深介于0.20～5.50 m之間，地下水埋藏整體不深，并隨著季節變化而水位發生變化，地下水位變化幅度約為2～5 m。地下水類型主要為填土層的上層滯水、砂層孔隙水、巖層中的裂隙水、巖溶水。典型地質剖面見圖2。

圖2 基坑典型地質斷面圖

2 基坑設計方案

2.1 基坑支護的特點和難點

通過工程概況及地質水文條件介紹可知，本工程的特點及設計難點如下：（1）基坑東北側為現狀地鐵站，地鐵車站距基坑支護結構最近約10 m，基坑東側與地鐵2 號線區間基本平行（區間長度約350 m），距基坑支護結構約14.1～20.3 m，地鐵站和區間埋深約11 m，采用天然地基基礎。基坑施工過程中不能中斷或影響地鐵運營，對變形要求比較高。（2）基坑西北角9.7 m 處為現狀8 層商業樓，設一層地下室并采用復合地基處理，對沉降較為敏感，且該處基坑恰位于大陽角處，如何確保該處基坑安全是本工程的重難點。（3）本工程基坑位于巖溶發育地區，尤其是基坑南北兩側為巖溶強烈發育場地。灰巖在地下水的作用下形成巖溶、土洞現象，易造成地面塌陷或塌坍，嚴重威脅本工程及周邊建（構）筑物的安全。（4）聯合基坑尺寸大，內含多個地塊，各地塊出讓及建設時序各不相同，工期長，如何保證復雜情況下基坑安全是本工程的重點難點。

2.2 基坑選型分析

鑒于本工程聯合基坑范圍大、深度較深，基坑臨近建構筑物、地鐵、市政道路等，周邊環境復雜。綜合本基坑特點、地質條件、周邊環境、基坑及周圍構建物安全及造價等多方面因素考慮，經過對比分析，將本基坑分為A～H 共計8 個分區（見圖3）。

圖3 基坑支護分區平面圖

（1）基坑四個角部具備內支撐條件，且臨近現狀建筑物、地鐵車站或區間隧道、道路及地下管線等，為保證基坑安全，采用80 cm 地連墻+ 鋼筋混凝土桁架支撐支護（基坑B、D、F、H 區），見圖4。基坑陽角處采用40 cm 鋼筋混凝土板進行加強，在西北角靠近8 層現狀商業樓處，因避讓商業樓形成大陽角，基坑支護結構受力非常不利，且該處支撐長度較大，為此，大陽角轉折處采用了格柵狀地連墻，因該處基坑內側緊貼地下環路，無法采用留土反壓，設計沿地連墻兩個方向向基坑內側各延伸兩幅地連墻以抵抗沿地連墻的水平分力，待陽角兩側地塊建筑地下室完成后再拆除基坑內側地連墻施工地下環路。

圖4 東北角基坑支護典型斷面圖

（2）基坑東側中部臨近地鐵區間隧道（基坑G 區），不具備內支撐或錨索條件，且基坑僅開挖至聯合基坑基底、地塊不需要繼續下挖的范圍，采用格柵式地下連續墻支護，格柵內尺寸3.0 m×2.4 m，地連墻厚80 cm，為保持成槽過程中槽壁的穩定，格柵內部采用Φ500 水泥攪拌樁進行加固。格柵式連續墻中部接頭采用剛性十字鋼板接頭進行連接，以提高支護結構的整體剛度及抗側向變形能力（見圖5、圖6）。

圖5 東側中部基坑支護典型斷面圖

圖6 格柵式地連墻大樣圖

（3）其余臨近市政道路的基坑采用80 cm 地連墻+ 二至四道預應力錨索支護（基坑A、C、E 區），見圖7。

圖7 南北側及西側中部基坑支護典型斷面圖

2.3 基坑施工注意事項

鑒于本工程的復雜性，設計針對本項目的工程特點和難點提出了針對性的施工注意措施如下。

（1）場地巖溶區域的地連墻每3～6 m 長度范圍施作一個超前鉆孔，支護結構范圍內發現的溶（土）洞區域在基坑支護施工前采用雙液漿預處理，以確保施工安全及截斷基坑內外水力連通。

（2）施工過程中不允許采用沖孔、擠土工藝以及爆破工藝；地鐵側地連墻施工建議采用雙輪銑成槽機；連續墻、基礎樁基、立柱樁基等須采用泥漿護壁施工，并采取有針對性措施防止塌孔。

（3）地鐵保護80 m 范圍各地塊樁基應從原地面施工，地塊內溶洞均于開挖前處理完畢。

（4）合理控制各地塊開挖工序，分區分塊開挖，減小基坑暴露的空間尺寸及時間，地塊未開發時不得開挖。

（5）為避免基坑施工排水對地鐵造成不利影響，嚴格控制地下水位，嚴禁采取深層降水措施，并在地鐵側布置水位回灌井，確保地下水位下降幅度控制在1.0 m 以內；施工期間加強地下水位（包括巖溶水）的監測。

（6）施工期間對運營地鐵進行實時監控，地鐵監測及保護要求按軌道交通相關規范及主管部門要求執行。

（7）基坑開挖前應在地鐵側圍護結構外預埋注漿孔，如地鐵隧道或出入口發生險情，則采取跟蹤補償注漿等措施加固；施工單位施工前應根據本工程特點編制針對性的保護應急預案。

（8）基坑F 區、G 區部分路段地連墻范圍存在早期基坑遺留的錨桿（索），施工前施工單位應摸查清楚其分布范圍，施工前制定安全可行的施工專項方案，施工中應加強監測。

3 基坑支護計算及結果分析

本文采用理正深基坑軟件對基坑支護進行計算，土體參數取值見表1。限于篇幅，本節僅選取臨近地鐵東北側基坑計算結果進行分析。

表1 土體計算參數

東北側基坑支護理正計算結果包絡圖見圖8。基坑最大位移為10 mm，位移主要發生于開挖第二道支撐至基坑底面土方的工況。

圖8 理正基坑軟件單元模型計算結果包絡圖（東北角）

采用理正整體分析對東北角支護進行整體分析，位移結果見圖9，其中連續墻墻體最大側移為17.22 mm，最大位移位于第二道支撐至基坑底面范圍，支撐中部最大側向變形為21.71 mm。

圖9 理正基坑軟件整體模型位移（東北角）

由上述計算結果可知，理正整體模型比單元模型計算結果偏大，從后期施工過程中監測的情況來看（見圖10 中CX38 測斜數據），對于此類大尺寸深基坑，整體模型較單元模型更真實地反映了基坑支護體系對變形的影響。

4 基坑實施及效果

目前，聯合基坑北半幅各地塊地下室基本已施工至±0.00 標高并完成回填，根據基坑、地鐵區間、車站的監測數據表明，西北側基坑連續墻最大側移發生在CX22，為24 mm，該處現狀商業建筑沉降最大點為CJ8，最大沉降值為11 mm；東北側基坑連續墻最大側移發生在CX38，約22.7 mm，地鐵車站出入口最大沉降點為DM2，最大沉降值約14 mm，其中7 mm 發生在地連墻成槽施工期間，各項監測指標均在容許范圍之內（見圖10～圖12）。

圖10 基坑西北角CX22、東北角CX38 測斜孔監測數據

圖11 基坑西北角商業樓位移監測數據

圖12 基坑東北角地鐵車站沉降監測數據

5 結論

（1）本文通過一深大基坑工程實例，因地制宜，針對不同的地質情況、周邊地鐵及建構筑的實際情況對基坑采取分區設計，其設計思路可為類似工程借鑒。

（2）臨近地鐵的超大深基坑如采用超長支撐+地下連續墻結構，應重視地連墻成槽施工對地鐵結構的不利影響，注意泥漿比重等施工參數。此外，溫差對超長支撐的受力與位移影響不能忽視。

（3）應對基坑陽角（尤其是大陽角）處針對性分析與設計以確保基坑及周邊建構筑物安全。

（4）巖溶地區的基坑應重視基坑內外溶洞的連通性，在基坑直接結構前，應對其支護結構一定寬度及深度范圍內的溶洞進行預處理后方可開挖。

（5）緊鄰地鐵的超大深基坑施工時，應采用分區分片開挖，避免基坑暴露時間；臨近地鐵基坑施工過程中不允許采用沖孔、擠土工藝以及爆破工藝；在基坑開挖前應提前做好基坑的回灌、注漿措施及應急預案。