軟土地區緊鄰軌道交通設施的深大基坑設計與施工

王 瀾，胡帥峰，成怡沖，施良峰，葉 維

（1.寧波東部新城開發投資集團有限公司，浙江 寧波 315042；2.浙江華展工程研究設計院有限公司，浙江 寧波 315012）

0 引言

截至 2020 年 12 月，寧波軌道交通已有 4 條線路投入使用、6 段線路在建，共 103 個車站與換乘點，線路長達 154.31 km。隨著城市軌道交通網絡的完善，城市中的工程建設項目極有可能進入軌道交通保護區范圍［1］。地鐵隧道對變形控制極其嚴格，隧道管片的絕對位移不得超過 20 mm，變形曲率半徑最小達到 15 000 m，且相對彎曲必須控制在 1/2 500 以內［2］。盡管如此，鄰近地鐵隧道的基坑開挖導致前者管片發生裂縫、滲漏、錯臺、接縫張開量、道床脫開等一系列結構病害的事件常有發生［3-5］。可見，緊鄰軌道交通設施的基坑工程不僅要考慮基坑本身，還必須充分關注已有軌道交通隧道（車站）的安全問題，這也是臨近軌道交通設施基坑工程實踐中的重難點。本文結合緊鄰寧波軌道交通 1 號線的寧波中央公園項目，探討軟土地區軌道交通控制保護區范圍內深大基坑設計、施工與管理，為軟土地區類似基坑工程提供參考。

1 工程概況

1.1 項目基本情況

本項目位于寧波市城東新城核心區，依托已經通車的軌道交通，旨在打造立體交通樞紐，通過該工程地下空間建設，貫通了寧波東部新城主軸和周邊地下空間，提升了交通與土地利用的互動循環，緩解地面交通壓力，為周邊物業地下開發預留充分市政條件。

項目位置自然地坪標高為黃海高程 3.000 m，地下建設采用明挖法，基坑形狀整體呈梯形，北側長約 70 m、南側長約 163 m、南北側距離約 440 m；占地總面積為 74 457 m2，總建筑面積為 141 559.75 m2。整體設有 2～3 層地下室，3 層地下室區域規劃為地下停車場，開挖深度最深為 15.9 m，2 層地下室區域作為下沉空間連接軌道交通設施與公交汽車站，開挖深度為 10.4～11.4 m。項目三維全景圖如圖 1 所示。場地所在位置土層信息如表 1 所示。

表1 工程地質參數表

圖1 寧波中央公園項目三維全景圖

1.2 周邊環境情況

本項目周邊環境情況復雜，需要考慮的主要保護設施相對位置如圖 2 所示。

圖2 基坑與周邊設施相對位置關系圖

基坑東側距離用地紅線最近 3.5 m，外側為規劃道路，再以東為正在進行上部結構施工的寧波中心項目一期工程；東南側為正在進行施工的寧波中心項目二期工程基坑，開挖深度為 25 m，采用 1 100 mm 地下連續墻 +4 道支撐的圍護形式，與本項目基坑最近距離 28 m，存在交叉施工工況；南側緊貼紅線，外側為現狀寧穿路，下方設有軌道交通 1 號線海晏北路站與 5 號線換乘通道，兩者保護要求極高，是本工程重點保護對象；西側距離用地紅線約 9.0 m，外側為規劃承源路；北側距離用地紅線約 5.0 m，外側為現狀寧東路，屬城市交通主干道。基坑外南、北側布設有多條雨（污）水及燃氣管等市政管線，最近距離約 4 m。

圖 3 為本項目 2 層地下室基坑與軌道交通設施的位置關系。由圖可見，基坑與已施工完成的連通道僅有一墻之隔，連通道寬度為 11～12 m，基坑最南側距離軌道交通 1 號線海晏北路車站僅為 11.7 m。

圖3 基坑與軌道交通設施位置關系圖（單位：mm）

2 基坑技術與管理措施

基坑開挖期間軌道交通 1 號線處于運行狀態，對基坑變形控制要求較高，具體如下。

1）距離軌道交通車站 50 m 以外，3 層地下室區域變形控制為 55 mm。

2）距離軌道交通 50 m 以內，3 層地下室區域變形控制為 31 mm，2 層地下室區域變形控制為 21 mm。

3）根據軌道交通相關部門的要求，軌道交通車站及隧道的控制變形要求在 10 mm 以內。

綜合考慮本項目安全性與經濟性，本工程主要采用的技術與管理措施如下。

2.1 支護結構加強

基坑內設置有 2～3 層地下室，整體采用地下連續墻結合 2 或 3 道鋼筋混凝土水平支撐的支護結構形式，墻厚 800～1 000 mm。

軌道交通及附屬設施保護考慮的加強措施如下。

1）地連墻增厚。對于基坑南側緊鄰連通道部分地下連續墻由 800 mm 增厚至 1 000 mm。

2）地連墻加長。為減小開挖卸荷對車站及連通道的影響，增加基坑南側部分地連墻嵌固深度。

3）被動區加固。緊鄰軌道交通設施區域整體采用高壓旋噴樁或三軸攪拌樁進行柵格式加固。

2.2 分區分塊開挖

本工程屬于超大超深基坑，且周圍環境較為復雜（鄰近道路與軌道交通設施）。為控制周邊環境變形，采用“化整為零，分區實施”的思想將基坑劃分為 A、B和 C 三個大區。

A 區（3 層地下室）最近處離軌道交通設施約100 m，由于開挖面積大，使用鉆孔灌注樁分成 2 個區域（A1、A2）。B 區（3 層地下室）最近處距離軌道交通設施約 30 m，對車站影響較為直接，使用地下連續墻分成 3 個小區域（B1、B2、B3）。C 區（2 層地下室）緊鄰軌道交通設施且與連通道相連，對軌道交通設施的影響最為直接，使用地下連續墻分成 3 個區域（C1、C2、C3）。

嚴格按照“分區跳倉”開挖原則進行施工，避免基坑一次性大范圍開挖卸荷對軌道交通隧道及其附屬設施產生較大影響。圖 4 所示為“分區跳倉”開挖施工的具體流程，陰影部分表示工況正在施工或前一部分區塊頂板施工完成。

圖4 分區跳倉開挖示意圖

前期施工完成的連通道的地墻能對車站變形起到“隔離作用”，對軌道交通車站進行一定程度上的變形保護。

2.3 合理標段設置

項目基坑南北向跨度較大，地質條件存在差異，根據基坑與軌道交通之間的位置關系，整體劃分為兩個標段。其中，A 區屬于第Ⅰ標段，B、C 區屬于第Ⅱ標段。為縮減整體施工工期，兩個標段基坑基于上節介紹的“分區跳倉”施工原則同時進行作業，整體做到各有側重但相互協調。

根據項目標段劃分及分坑情況，對基坑場平布置進行優化，具體布置情況如下。

A 區 2 個分區開挖面積大，A1、A2 在對撐西側及角撐交匯處設置有 3 個出土口與施工平臺，并在對撐中部設置施工斜棧橋。

B1 區由南向北分 4 個臺階退挖至坑底，每次開挖坡度 1∶3，B2 區自東向西、B3 區自西向東同時開挖。在設置施工平臺時 B1 區兩側及北側各設置 1 個出土口，B2 區域在西側設置 2 個出土口，B3 區域東側設置 2 個出土口。

C1、C2 區域向西側出土，C3 區域向東側出土，故在 C1、C2 區域西側，C3 區域東側各設置 1 個施工平臺。為減少重車對軌道交通隧道及附屬設施的影響，先在 C2 區西側鋪設寬約 8 m 的車道板，并使用塘渣鋪設寬約 5 m 的運土道路。

2.4 交叉施工控制

本項目基坑開挖時與東南側寧波中心二期項目地下室存在交叉施工的情況，考慮相鄰基坑施工的相互影響。主要采取以下措施。

1）基坑東南側進行被動區加固。A 區使用三軸攪拌樁進行柵格式加固，增強靠近寧波中心基坑一側圍護結構的抗變形能力。

2）遵循“先撐后挖、限時支撐、分層開挖、嚴禁超挖”的施工原則［6］，調整挖土與設撐的先后順序。角部位置先行開挖，及時形成有效的支撐體系，充分利用時空效應盡量減少坑內土體無支撐的暴露時間，減小基坑變形。另外，基坑東南側適當增加墊層厚度與配筋，使墊層在一定程度上充當臨時支撐，起到控制基坑變形的作用。

3）除 B3 區域和 C3 區域場地條件不允許外，施工平臺與出土方向一律設置在基坑西側，相鄰基坑間道路嚴格限制施工荷載。

4）實行信息化施工管理。加強相鄰基坑監測單位間的聯系與信息互通，及時發現施工中產生的異常因素，反饋指導施工，避免不利情況發展，為工程搶險提供時間。

3 有限元模擬

為驗證上述設計與施工舉措對軌道交通設施的保護價值，利用 Midas GTX 建立有限元模型進行計算分析，計算模型如圖 5 所示。

圖5 有限元計算模型

3.1 模型建立

據目前已有經驗以及相關的研究成果，基坑分析范圍邊線距離基坑邊的距離為 3～5H，其中H為基坑開挖深度［7］，以此確定三維數值模型東西向長度 362 m、南北向長度 636 m 的區域，標高范圍 3.000～-97.000 m（黃海高程）。模型底邊界約束水平和豎直方向位移，左右側邊約束水平位移，頂部邊界自由。

模型中支護樁、地下連續墻與襯砌均采用板單元進行等效替代，支撐采用梁單元。

模型計算工況遵循“分區分塊”開挖原則，數據自第 1 次土體開挖始計入結果。

3.2 模擬結果

根據有限元模型計算結果，提取幾個關關鍵時間節點：A2、B1 開挖至坑底（工況 1），B2、B3 開挖至坑底（工況 2），A1、C1 開挖至坑底（工況 3），C2、C3 開挖至坑底（工況 4）工況下軌道交通結構及圍護墻的變形情況。

由表 2 可知，計算結果隧道變形量在 5 mm 以內，滿足 DB33/T 1096-2014《浙江省建筑基坑工程技術規程》中對軌道交通隧道安全保護要求；車站及連通道變形均在 10 mm 以內，滿足規范［8］中對明挖法地下空間結構保護要求。

表2 模型計算結果表

此外，C 區南側利用連通道原有地連墻在基坑整體開挖完成時（工況 4）變形量為 11.6 mm，滿足規范中支護結構變形控制值 0.2 %H。

由上可知，“分區分塊”開挖和加強臨近軌道交通設施側的基坑支護結構等措施有效控制了基坑土體開挖產生的支護結構變形，從而減弱了周邊土體變形情況，有利于對地鐵車站結構、區間隧道和連通道的保護。

4 結語

本文結合寧波軌道交通 1 號線海晏北路站北側寧波中央公園項目對深大基坑及軌道交通設施的變形控制技術與管理措施進行探討，得出以下主要結論。

1）深大基坑工程可根據與軌道交通設施的距離合理設置標段，區分設計、施工與管理，優化場平布置；各標段間各有側重又可實現相互協調。

2）通過建立有限元模型對上述設計與施工舉措進行驗證，計算結果表明緊鄰軌道交通的深大基坑工程采用分區分塊開挖、支護結構加強等措施可有效控制鄰近軌道交通設施變形，保護效果達到預期。

3）為控制相鄰基坑交叉施工影響，對應區段可采用適當加固、嚴格施工、減少超載和信息化施工等綜合措施進行控制。Q