軟土地區鄰地鐵深基坑土方開挖及監測分析

孫仲謀，卜世龍，徐 航，常運華，呂玉寶，胡偉明

（1 中建宏達建筑有限公司，北京 100043；2 天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072）

0 引言

近些年，由于城市基礎設施的逐漸成熟，深基坑工程對周邊環境的保護要求越來越高，在鄰近地鐵等重要建筑物時的基坑開挖研究分析也逐漸得到學者和工程師的重視［1，2］。目前普遍采用的方法是分倉法，即將鄰近地鐵的一部分基坑延后開挖，開挖時采用鋼管撐減少支撐形成時間，縮短地鐵側基坑的暴露時間以控制其變形，但應用分倉法施工，地庫甚至主體塔樓、裙房不能一次完成施工，對結構成型質量以及施工進度會造成一定影響。本文以蘇州市一未采用分倉法的鄰地鐵深基坑項目為例，介紹了該工程的支護設計以及分層分塊、盆式開挖的土方開挖方案，結合監測數據對開挖過程中基坑變形情況進行了分析，得出了軟土地區深基坑變形的規律特征，并基于其規律特征提出了設計及施工建議。

1 工程概況與土方開挖

1.1 工程概況

案例項目位于江蘇省蘇州市（以下簡稱“本工程”），包含 1 棟超高層建筑，內含 53 層的酒店公寓和 35 層的自持辦公室，整體設有 4 層地下室。基坑面積約 6 900 m2，周長約 330 m。基礎底板面標高約為 -18.600，裙樓區域底板厚度為 800 mm，承臺厚 1 400 mm；塔樓區域底板厚度為 3 000 mm、3 200 mm，承臺厚 3 000 mm、3 600 mm，考慮墊層厚 200 mm，基坑挖深為 19.2～21.6 m。場地內土層情況如表1 所示，圖1 為對應的場內典型地質剖面圖。

圖1 典型地質剖面圖

表1 土層物理力學參數

基坑南側鄰近地鐵車站，地鐵車站本體結構與本工程地下室外墻的距離約 8.0 m，地鐵車站頂埋深約2.9 m，底埋深約 15.5 m，底板厚度 900 mm。地鐵車站為兩層三～四跨箱形結構，基坑西南側鄰近地鐵 1 號線車站 3 號風井，風井結構為鋼筋混凝土箱形結構，風井埋深約 8.95 m，距離本工程地下室外墻的最近距離為5.9 m。地鐵車站是本工程基坑開挖階段需重點保護的對象之一。

根據周邊環境、基坑挖深和地質情況，本工程基坑側壁安全等級為一級，設計地鐵側（西南側、南側）變形控制值為±35 mm，非地鐵測（西北側、北側、東側）變形控制值為±50 mm。設計采用地下連續墻與五道鋼筋混凝土內支撐組合支護型式，地鐵側增設三軸攪拌樁進行坑內加固，車站周邊設置的地下連續墻厚 800 mm，墻底相對標高為 -30.444，風井結構圍護采用 SMW 工法樁，SWM 工法樁采用φ850@600 三軸攪拌樁內插型鋼。本工程基坑支護包括的主要施工為：隔離樁、地下連續墻、三軸水泥攪拌樁、灌注樁、高壓旋噴樁、RJP 超高壓噴射注漿、MJS 超高壓噴射注漿及鋼筋混凝土支撐。

1.2 土方開挖方案

由于本工程自身功能要求及現場基坑情況，不具備基坑分倉施工條件，因此合適的土方開挖方案對控制基坑變形尤為重要。盆式開挖是常用的用來控制基坑變形的開挖方式，一般而言，預留土體坡肩寬度 10 m 以上將有效抑制基坑變形［3］。本工程采用分層分塊、盆式開挖，隨挖隨撐的土方開挖及支護施工方案，地鐵側地連墻暴露時間控制在 24 h 以內，其余側地連墻暴露時間控制在 48 h 以內，以最大限度地減小基坑變形。

本工程首層土方開挖深度較淺，對基坑變形影響小，采用盆式開挖、分塊開挖的方式，將基坑分為 5 個大區、9 個小區進行開挖，分區如圖2 所示，開挖順序為①→②→③→④→⑤。

圖2 首層土方開挖順序

第 2～5 層土方開挖，為確保基坑邊界地連墻暴露時間滿足要求，盡快在開挖位置形成對撐，在盆式開挖、分塊開挖的基礎上結合支撐位置，細化開挖分塊為 10 個大區，17 個小區，且每個臨近基坑邊緣的區塊留置寬度控制在 10 m 以上，如圖3 所示，開挖順序為①→②→③→ ④-1→④-2→⑤→⑥→⑦→⑧→⑨→⑩。

圖3 第 2～5 層土方開挖順序

首層土開挖及棧橋施工于 2020 年 12 月 15 日完成，棧橋養護 7 d 確保棧橋強度達到要求后進行第 2 層作業，支護采用隨挖隨支的施工方式，最后一段支撐采用高兩個標號的早強混凝土以縮短整體的養護時間。本工程土方開挖及對應基坑支護進度如表2 所示。

表2 土方開挖及支護施工進度

2 基坑變形實測分析

2.1 特征點位實測數據

基坑變形監測是確保基坑安全的重要手段，監測數據可用于分析基坑側壁穩定情況，其中變形速率及變形位移量是安全控制的重要指標。圖4、圖5 為本工程南北兩側位于中心的監測點實測數據，對應的各工況下南北兩基坑側壁南北向變形最大值實測數據如表3 所示。

圖4 基坑北側中心實測位移量

圖5 基坑南側中心實測位移量

表3 各工況下基坑側壁南北向位移最大值實測數據

2.2 實測數據分析

對比南北兩側變形最大值及變形最大值位置可以看出，隨著基坑開挖，最大水平位移出現位置逐漸下降，最終穩定在 15 m 左右（見圖6），占當前開挖深度的 76.53 %，這項數據在華東地區深基坑中普遍為59%～112 %［4］，76.53 % 在合理范圍內，但相較平均值89 % 有所偏小，這主要是因為本基坑 15 m 以下土層以黏土及粉質黏土為主，土質較好，土體本身黏聚力較大，為該位置地連墻相對穩定提供了條件。而北側變形值較南側變形值大，這一方面是由于南側地鐵結構外圍自身的圍護結構相較于自然土體更加穩定，另一方面是因為支護設計方案更偏向于地鐵側保護，在基坑南側增加了三軸攪拌樁，增強了土體穩定性。由此可以看出對土體本身進行加固，尤其是對土質較差的土層進行加固，對基坑變形控制有著重要意義。

圖6 南北監測點最大水平位移出現位置

當完成第 5 層土方開挖后，從實測數據均可以看出基坑變形已接近警戒值，考慮到后續筏板施工、地下室施工階段基坑側壁仍會持續產生位移變形，本工程基坑側壁變形突破設計要求的可能性極大。最終的實測結果也證實了這一點，南側地連墻水平位移最終達到55.49 mm，北側地連墻水平位移最終達到 64.66 mm，南北兩測基坑開挖階段產生的變形量分別占其總變形量的 61.25 % 和 66.08 %。

基坑南北兩側地連墻最終側向變形量分別為開挖深度的 0.26 % 及 0.30 %。這項數據在華東地區深基坑中普遍在 0.1 %～1 %，平均數據值為 0.42 %［5］。這說明本基坑地連墻變形值雖然突破了設計設置的警戒值，但在華東地區深基坑中仍處在一個較低的區間，這說明本工程支護設計是偏向謹慎的，分層分塊、盆式開挖的土方開挖方案能夠較好地控制基坑側壁變形。結合基坑變形速率較為穩定這一情況以及周邊環境的監測結果，可以判定基坑整體仍然處在一個比較安全的狀態，但須增加監測頻率，根據監測情況實時判斷基坑情況，并盡快完成地下室施工。

3 結論

1）隨著基坑開挖，基坑最大水平位移出現位置逐漸下降，最終穩定在 15 m 左右，占開挖深度的76.53 %。最大水平位移出現位置受開挖深度及土層土質影響，一般會出現在與開挖深度鄰近的較差土層。因此對土體本身進行加固，尤其是對土質較差的土層進行加固，對基坑變形控制進而對確保基坑安全穩定有著重要意義。

2）本工程南北兩側基坑開挖階段產生的變形量分別占其總變形量的 61.25 % 和 66.08 %。采取合理的土方開挖及支護施工方案對基坑變形控制是十分重要的。

3）在未采用分倉法控制基坑變形的情況下，本工程采用的分層分塊、盆式開挖的土方開挖方案能夠較好地控制基坑側壁變形。

4）基坑變形的連續監測是對基坑安全判斷的重要依據。本工程地連墻側向變形突破警戒值后，通過監測數據情況可以判斷基坑仍處于較為安全的狀態，但須增加監測頻率，根據監測情況實時判斷基坑情況，并盡快完成地下室施工。Q