緊鄰多條軌道交通運營線路的超大面積深基坑設計

楊紅偉

（上海市城市建設設計研究總院，上海市 200125）

0 前言

隨著我國經(jīng)濟建設的高速發(fā)展，各地發(fā)達城市興建了大量的建筑，越來越多的深基坑工程面臨著越來越復雜的邊界條件，如鄰近大量市政管線、建筑和地鐵構筑物等；基坑平面受場地限制有凹凸折線型等多種形狀。由于工程功能要求日益復雜，支護體系種類繁多，各種施工工藝聯(lián)合使用，其復雜程度對深基坑工程的理論研究、設計與施工均提出了諸多挑戰(zhàn)。如何把握基坑變形控制、保護周邊環(huán)境成為超大深基坑的設計難點。

1 工程概況

鐵路上海站素有“申城陸上大門”之稱，所在的不夜城地區(qū)又是上海市總體規(guī)劃所確定的市級商業(yè)中心。地下空間開發(fā)依托現(xiàn)有的地鐵1、3、4號線的站點，并結合站前廣場與地塊的整體改造。建成后鐵路上海站北廣場將火車站、地鐵、城市公交、長途客運、商業(yè)酒店有機連為一體，從而實現(xiàn)立體換乘。整個工程基坑平面呈不規(guī)則的多邊形，基坑內(nèi)部陽角較多，環(huán)境保護要求極高。地下空間開發(fā)占地面積約37000 m2，基坑開挖深度約為11.68 m，屬超大面積深基坑。

該工程2008年7月開工建設，根據(jù)工程的總體進度安排，北廣場綜合交通樞紐需在世博會之前改造完成投入使用。根據(jù)市領導的要求，2009年春運開始之前北廣場地面必須恢復，作為客流集散場所。

擬建場地北靠中興路，局部為拆遷后場地，北側有北廣場大酒店、中祥戴斯賓館兩幢高層，東側臨近地鐵1號線上海火車站站及區(qū)間隧道，距離基坑邊界約10 m，南側臨近軌道交通3、4號線上?；疖囌菊镜孛娑?，距離基坑邊界約10 m，既有的行包通道也需進行改造施工，西側緊鄰長途汽車客運總站?；涌偲矫鎴D見圖1。

圖1 基坑總平面圖

2 工程地質(zhì)

根據(jù)本次勘察資料，場地地基土均為第四紀松散沉積物，屬第四系濱海平原地基土沉積層，主要由飽和粘性土和粉性土、砂性土組成?；娱_挖深度范圍內(nèi)設計主要土層為①1填土、②1粘質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土、②3-1砂質(zhì)粉土、②3-2粉砂、⑤1-1粘土、⑤1-2粉質(zhì)粘土、⑥粉質(zhì)粘土、⑦1砂質(zhì)粉土、⑦2粉細砂。場地淺部分布有②1粘質(zhì)粉土，厚約1.4 m，②3-1層砂質(zhì)粉土，厚約4.1 m，②3-2層粉砂，厚約8.0 m，土體穩(wěn)定性較差，地下墻施工時易發(fā)生流砂、槽壁坍塌現(xiàn)象，應采取適當?shù)拇胧?/p>

根據(jù)本次勘察，⑦層承壓水含水層水位埋深8.95 m。根據(jù)上海市工程實踐，⑦層承壓水水位標高年呈周期變化，一般埋深變化范圍為3.0～11.0 m，層厚10 m左右，經(jīng)計算坑底地基土不滿足抗承壓水要求。該工程基坑底落在②3-2粉砂層。

3 基坑設計方案

3.1 基坑分區(qū)

基坑西側及南側臨近地鐵運營線路，基坑設計和施工時必須保證地鐵結構設施絕對沉降及水平位移量（包括各種加載和卸載最終位移量）不大于20 mm。根據(jù)周邊環(huán)境和地鐵保護要求，確定臨近地鐵基坑保護等級為一級，其他側的安全保護等級為二級。

由于該工程基坑面積大，基坑開挖深度較大，卸荷顯著，坑底土的回彈變形不能忽視。為控制基坑土體的回彈量，減弱其不利影響，將整個基坑分區(qū)域、分階段進行施工。在臨近地鐵側基坑內(nèi)設置一排臨時隔斷樁，形成兩個狹長形的基坑（Ⅱ區(qū)），該區(qū)域在Ⅰ區(qū)基坑結構完成后進行施工。由于地處場址西南角的鐵路公寓動遷進度遲緩，為滿足一期基坑圍護結構及時封閉的要求，環(huán)繞鐵路公寓增加了臨時隔斷樁，該區(qū)域基坑將最后施工（Ⅲ區(qū)）?；臃謪^(qū)平面見圖2。

圖2 基坑分區(qū)平面圖

3.2 基坑設計方案

針對工程需作為春運集散地施工周期短、基坑開挖深度大、周邊環(huán)境復雜、保護要求高等特點，不同的區(qū)域采用不同的圍護結構方案。

（1）為解決基坑平面不規(guī)則和工期緊迫問題，Ⅰ區(qū)采用地下墻+結構板全逆作設計方案。逆作方案采用地下連續(xù)墻作為圍護體，結構梁板作為水平支撐，一柱一樁作為基坑的豎向支撐體系，施工階段在地下各層結構設置出土口，同時考慮地下室頂層梁板結構作為施工場地，大量出土口的設置以及頂層結構作為施工場地，為施工上帶來極大的方便，從而縮短了工期。逆作法設計方案由于避免了大量臨時支撐（施工棧橋）的設置和拆除，節(jié)省工程投資，經(jīng)濟效益十分明顯。實施方案見圖3。

（2）靠近地鐵1號線和地鐵3、4號線側(Ⅱ區(qū))采用地下墻+鋼支撐明挖法設計方案。傳統(tǒng)明挖法，施工周期短，將基坑施工對地鐵設施的影響周期縮短。明挖方案采用地下墻作為圍護體，利用混凝土支撐結合鋼管作為水平支撐。實施方案見圖4。

圖3 Ⅰ區(qū)實施方案

圖4 Ⅱ區(qū)實施方案

（3）原鐵路公寓下設一層地下室，地下室埋深約為4.0 m，采用土釘墻作為圍護結構，基礎為柱下承臺樁基礎。Ⅲ區(qū)與地下障礙物平面關系見圖5。

圖5 Ⅲ區(qū)與地下障礙物平面關系圖

基坑圍護邊界距離地鐵3、4號線約為10.6 m。如采用地下連續(xù)墻，必須清除鐵路公寓的底板，且場地內(nèi)的砂土層在動力的作用下極易產(chǎn)生液化上涌，危及地鐵3、4號線的正常運行。為確保軌道交通的安全運營，在該區(qū)域擬采用硬切割全套管咬合樁結合清障+周邊環(huán)板逆作中心島設計方案。實施方案見圖6、圖7。

圖6 Ⅲ區(qū)實施方案（一）

圖7 Ⅲ區(qū)實施方案（二）

3.3 圍護結構內(nèi)力分析

圍護結構內(nèi)力計算沿結構縱向取單位長度按彈性地基梁計算，按基坑開挖、回筑內(nèi)部結構的施工過程和完成后的使用階段等工況進行內(nèi)力計算。

圍護結構開挖階段計算時須計入結構的先期位移值以及支撐的變形，按“先變形，后支撐”的原則進行結構分析。

3.3.1 逆作板水平支撐剛度計算

采用彈性地基梁方法計算時需先確定彈性支座的剛度，但對于該工程，支撐體系較為復雜，難以直觀地確定彈性支撐剛度，故采用簡化處理方法。首先，在水平支撐的圍檁上施加與圍檁垂直的單位分布荷載p=1 kN/m，求得圍檁上各結點的平均位移（與圍檁垂直的法向位移），則彈性支座的剛度為 Ki=p/δ。

按照該工程的實際結構尺寸建模。樓板采用shell63單元，混凝土標號為C35，彈性模量取3.0×107，泊松比0.167。梁采用beam188單元，每1 m為一個單元。計算模型見圖8，計算結果見圖9、圖10。

圖8 計算荷載模型

圖9 頂板變形圖

圖10 中板變形圖

通過平均位移得到逆作板的水平平均剛度：K頂板=p/δ頂板=1/（3.786×10-6）=2.641×105（kN/m）K中板=p/δ中板=1/（3.601×10-6）=2.777×105（kN/m）

3.3.2 計算結果

地下墻最大變形為16 mm<0.14%H=16.5 mm，滿足一級基坑的環(huán)境保護要求。見圖11～圖14。

圖11 計算簡圖（單位：mm）

圖12 彎矩包絡圖（單位：kN·m/m）

圖13 剪力包絡圖（單位：kN/m）

圖14 變形圖（單位：mm）

4 基坑開挖對軌道交通影響分析

該工程環(huán)境保護要求極高，為了較準確地預測基坑工程開挖引起周邊環(huán)境的附加變形，采用通用有限元分析軟件Plaxis進行基坑開挖過程的有限元數(shù)值模擬，對基坑開挖卸荷作用產(chǎn)生的周邊環(huán)境的附加變形進行預測分析。分析時土體采用硬化模型模擬，即Hardening Soil（HS）模型。根據(jù)勘察報告提供的不同土層剖面，考慮不同的土體分層條件和重度，計算基坑開挖前土體初始應力場分布，同時采用Goodman接觸單元考慮了土體和地下結構之間的相互作用。通過有限元軟件的“單元生死”模擬基坑工程圍護體施工、各層土體的分層開挖以及各道支撐的施工過程，根據(jù)基坑施工工況模擬基坑開挖的全過程。

4.1 基坑開挖對地鐵1號線車站影響分析

計算模型包括了土體、圍護體、地鐵車站等結構構件，考慮了10 kPa的坑邊超載，采用三角形6節(jié)點單元模擬土體，采用梁單元模擬圍護體，采用彈性支座模擬混凝土支撐。計算模型如圖15所示，計算結果見圖16、圖17及表1。

圖15 計算模型

圖16 土體水平位移云圖

圖17 土體豎向位移云圖

表1 計算結果匯總表

4.2 基坑開挖對地鐵1號線區(qū)間隧道影響分析

計算模型包括了土體、圍護體、地鐵1號線區(qū)間隧道等結構構件，同時考慮了10 kPa的坑邊超載。采用三角形6節(jié)點單元模擬土體、采用梁單元模擬圍護體，采用彈性支座模擬混凝土支撐。計算模型如圖18所示，計算結果見圖19、圖20及表2。

圖18 計算模型

圖19 土體水平位移云圖

圖20 土體豎向位移云圖

表2 計算結果匯總表

4.3 基坑開挖對地鐵3、4號線影響分析

計算模型包括了土體、圍護體，地鐵3、4號線等工程結構。該工程基坑的坑邊超載按照20 kPa考慮，采用三角形6節(jié)點單元模擬土體，采用梁單元模擬圍護體，采用彈性支座模擬混凝土支撐。計算模型如圖21所示，計算結果見圖22。

圖21 計算模型

該工程基坑開挖引起的近3、4號線側最大地面沉降11.5 mm。3、4號線采用了碎石道床，適應變形的能力強于整體道床。

4.4 基坑施工過程實測數(shù)據(jù)

基坑開挖期間對周邊地鐵進行了全方位的監(jiān)測。根據(jù)上海地鐵運營有限公司監(jiān)護分公司提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)，基坑開挖期間1號線車站最大上浮約9.39 mm，3號線最大沉降約19.17 mm，軌道交通設施運營正常。見圖23、圖24。

圖23 地鐵1號線沉降點數(shù)據(jù)

圖24 地鐵3（4）號線沉降點數(shù)據(jù)

5 結語

該工程2008年7月開工建設，2008年12月頂板結構完成，作為春運臨時集散場地，2009年12月主體結構竣工?；釉O計中采用主體基坑順逆結合、原鐵路公寓區(qū)域周邊環(huán)板逆作－中心島順作的基坑設計方案。工程實施期間，該方案妥善地解決了北廣場春運期過渡使用，運營地鐵線路和周邊建（構）筑物變形與沉降均在允許范圍內(nèi)，順利完成了“保春運”和“迎世博”兩大工程建設目標，取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

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