鄰近地鐵車站的深大基坑開挖方案比選分析*

上海建工集團(tuán)股份有限公司總承包部 上海 200080

1 工程概況

1.1 工程簡介

本基坑工程位于上海市浦東新區(qū)世博園區(qū)內(nèi)，屬濱海平原地貌類型。擬建場地原為世博園區(qū)國家自建館（臨時(shí)場館）。該工程緊鄰已建成的軌交13號線世博園站（埋深16.6 m），與地鐵車站最近距離為10.87 m，與區(qū)間隧道的最近距離為13.27 m。

基坑?xùn)|西方向長143 m，南北方向長149.5 m，地下3 層，占地面積20 260 m2，開挖深度為15.45 m，靠近地鐵側(cè)采用厚1 000 mm地下連續(xù)墻，墻深為36 m，地下連續(xù)墻插入⑤3層中3.35 m，插入比約為1∶1.3；其他三側(cè)地下連續(xù)墻厚800 mm，墻深為34 m，地下連續(xù)墻插入⑤2層中約9.05 m，插入比約為1∶1.2。

由于本工程西側(cè)緊臨軌交13號線世博園站及其區(qū)間隧道，基坑開挖期間可能引起車站側(cè)向變形，危及結(jié)構(gòu)安全；同時(shí)本站結(jié)構(gòu)主體及區(qū)間接頭剛度差異較大，在土體變形作用下可能導(dǎo)致局部開裂。為將基坑開挖對地鐵車站的擾動(dòng)降至最小，基坑內(nèi)有分隔墻將基坑分為地鐵保護(hù)區(qū)Ⅰ、Ⅱ和非地鐵保護(hù)區(qū)Ⅲ，分隔墻采用厚800 mm的地下連續(xù)墻，墻深為34 m，插入比為1∶1.2。其中地鐵保護(hù)區(qū)采用4 道鋼筋混凝土支撐，非地鐵保護(hù)區(qū)采用3 道鋼筋混凝土支撐。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘查資料，在深90.33 m范圍內(nèi)的地基土屬于第四系晚更新世至全新世沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土及砂土組成，一般具有成層分布特點(diǎn)。根據(jù)土的成因、結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)差異可劃分為6 個(gè)主要層次（⑥、⑦、⑧層缺失）。場地的地下水，主要有淺部土層的潛水、中部土層中的微承壓水和深部粉性土、砂土層中的承壓水。地下水靜止水位埋深一般在0.40～1.50 m之間。

2 基坑開挖施工方案分析[1-4]

2.1 土方開挖原則

基坑開挖、支撐及墊層施工應(yīng)遵循分層、分塊、對稱、限時(shí)的原則。

2.1.1 留土護(hù)壁、限時(shí)開挖

開挖時(shí)先開挖中間土方，再限時(shí)開挖邊坡土及施工支撐。每塊挖土分區(qū)從土方開挖、支撐及先后施工的支撐對接形成總時(shí)間控制在72 h內(nèi)。

2.1.2 強(qiáng)度、降水達(dá)標(biāo)

第1道支撐混凝土強(qiáng)度達(dá)到80％，第2～4道支撐混凝土強(qiáng)度達(dá)到70％以上；疏干井降水深度達(dá)到開挖面以下1 m后方可進(jìn)行開挖支撐以下的土層。

2.1.3 采取其他措施

（a）集中勞動(dòng)力及機(jī)械設(shè)施，24 h不間斷輪班作業(yè)。

（b）組織搭接施工，在確保施工安全的前提下，安排多工種同時(shí)施工。

（c）配備超長臂挖機(jī)，棧橋兩側(cè)同時(shí)取土。

（d）量化施工指標(biāo)，細(xì)化的邊坡土限時(shí)開挖完。

（e）支撐底模采用油毛氈隔離，加快施工進(jìn)度（在下道支撐開挖過程中確保墊層已全部脫離）。

（f）鋼筋采用成型鋼筋，可考慮根據(jù)每層挖土分塊情況，各塊內(nèi)支撐的鋼筋直接在鋼筋加工廠綁扎成型，至現(xiàn)場直接吊運(yùn)入坑，與周邊已施工支撐的預(yù)留鋼筋對接，加快施工進(jìn)度。鋼筋連接由電焊連接改為作業(yè)時(shí)間比較短的直螺紋及冷扎接頭等措施，利用時(shí)空效應(yīng)原理，盡量減少基坑無支撐的暴露時(shí)間，嚴(yán)格控制基坑變形。相鄰層的土方按1∶1.5分層放坡以防土體塌方。

2.2 基坑施工方案比選

在本基坑前期策劃中，項(xiàng)目部要綜合考慮周邊基坑的開挖時(shí)間、周邊環(huán)境和各家業(yè)主對工期的要求，對基坑的施工方案進(jìn)行了研究，確定出以下3 種施工方案。

方案1：基坑分為地鐵保護(hù)區(qū)（C2區(qū)）和非地鐵保護(hù)區(qū)（C1區(qū)），C1區(qū)和C2區(qū)全部順作法施工，C2區(qū)待C1區(qū)基坑土±0.00 m施工完成后進(jìn)行土方開挖，如圖1所示。

圖1 方案1： C1、C2區(qū)順作

方案2：地鐵保護(hù)區(qū)C2區(qū)不變，C1區(qū)與C2區(qū)交接處設(shè)置寬20 m中間壩體C3區(qū)，C1、C2區(qū)域同步施工，C3區(qū)待C1、C2區(qū)域施工上部結(jié)構(gòu)時(shí)，進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)施工，中間壩體寬度根據(jù)建筑物之間的距離和設(shè)計(jì)計(jì)算確定，暫定為20 m，如圖2所示。

方案3：基坑劃分同方案1，地鐵保護(hù)區(qū)采用逆作法施工，非保護(hù)區(qū)采用順作法施工，C1區(qū)和C2區(qū)同步施工，如圖3所示。

項(xiàng)目部從工期和經(jīng)濟(jì)的角度對各方案進(jìn)行詳細(xì)比選，最終從上述3 種施工方案中選出方案1作為最終的施工方案。比選方案如表1所示。

圖2 方案2： C1、C2區(qū)之間有C3區(qū)20 m壩體

圖3 方案3： C1區(qū)順作、C2區(qū)逆作

表1 不同土方開挖方案概況

2.3 基坑施工工序比選

地鐵保護(hù)區(qū)和非地鐵保護(hù)區(qū)表皮土開挖、第1道支撐施工同期進(jìn)行，此后地鐵保護(hù)區(qū)停止施工，待非地鐵保護(hù)區(qū)出±0.00 m后再繼續(xù)往下開挖；為了滿足工期的需求，擬將地鐵保護(hù)區(qū)提前施工，待非地鐵保護(hù)區(qū)地下2層頂板施工完就繼續(xù)往下開挖。

為了研究在提前施工條件下，基坑開挖對周邊地鐵車站的影響、基坑之間的影響，運(yùn)用平面有限元分析計(jì)算的方法，模擬比較2 種施工工序（正常工序、提前工序），對這2 種施工工序?qū)χ苓叚h(huán)境的影響和基坑相互之間的影響進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖4、圖5所示。

上述2 種工序計(jì)算結(jié)果對比如表2所示。由上述圖表可以看出，無論是正常工序，還是提前工序，基坑開挖的相互影響及其對地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響很小，在設(shè)計(jì)允許變形范圍內(nèi)；且兩種工序?qū)囌窘Y(jié)構(gòu)的影響差別不大，從數(shù)值模擬分析得出項(xiàng)目部采取提前工序進(jìn)行施工是可行的。

3 施工監(jiān)測[5-8]

本工程在基坑施工過程中，對以下內(nèi)容進(jìn)行了監(jiān)測：支撐的軸力，地下連續(xù)墻的變形，周邊管線、共同溝的位移，立柱沉降，水位變化，地表沉降。這里主要選取地下連續(xù)墻墻體的變形監(jiān)測情況對最終確定的開挖選型進(jìn)行驗(yàn)證。

圖4 正常施工工序計(jì)算結(jié)果

圖5 提前施工工序計(jì)算結(jié)果

表2 不同工序結(jié)果比較

本文選取分隔墻上的13#、15#測點(diǎn)作為研究對象，圖6是C1區(qū)從第1道支撐施工開始至地下2層頂板施工完成的實(shí)測墻體最大水平位移，其中縱坐標(biāo)是圍護(hù)體的最大水平位移，而橫坐標(biāo)是表示從第1道支撐施工時(shí)算起的累計(jì)時(shí)間。

從圖中可以看出，開挖初期，由于只是將基坑面表皮土挖去，此時(shí)墻體最大位移不超過2 mm，總體圍護(hù)結(jié)構(gòu)并無明顯變形，當(dāng)基坑開始第2道支撐開挖后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形開始明顯增大，一直持續(xù)到底板施工結(jié)束，此時(shí)墻體最大位移為42 mm，但仍在設(shè)計(jì)允許的變形范圍之中。

本文選取地鐵側(cè)地下連續(xù)墻上的5#、6#、7#、8#測點(diǎn)作為研究對象，圖7是C2區(qū)從第2道支撐施工開始至底板施工完成的實(shí)測墻體最大水平位移，其中縱坐標(biāo)是圍護(hù)體的最大水平位移，而橫坐標(biāo)是表示從第2道支撐施工時(shí)算起的累計(jì)時(shí)間。

從圖中可以看出，開挖初期，由于只是將基坑面表皮土挖去，此時(shí)墻體最大位移不超過3 mm，總體圍護(hù)結(jié)構(gòu)并無明顯變形，當(dāng)基坑開始第3道支撐開挖后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形開始明顯增大，一直持續(xù)到底板施工結(jié)束，此時(shí)墻體最大位移為44.75 mm，在設(shè)計(jì)允許的變形范圍之中。

圖6和圖7中各測點(diǎn)水平位移都在設(shè)計(jì)允許的變形范圍內(nèi)，說明基坑開挖提前工序是合理的，在可控范圍內(nèi)。

圖6 分隔墻最大水平位移-時(shí)間變化

圖7 地鐵側(cè)地下連續(xù)墻最大水平位移-時(shí)間變化

4 結(jié)語

本文通過對鄰近軌交13號線深大基坑開挖選型進(jìn)行研究，并對不同開挖工序下對鄰近地鐵車站的影響以及基坑之間的相互影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出了以下結(jié)論：

（a）通過設(shè)置分隔墻將一個(gè)面積很大的基坑分為幾個(gè)小的基坑分別進(jìn)行開挖，這樣可以減小一次卸載的面積，開挖快，形成支撐快，可以很好地控制周邊環(huán)境及基坑自身的變形。

（b）相鄰基坑開挖時(shí)，后開挖基坑無需等到先開挖基坑施工完成后再開挖，待先開挖基坑地下2層頂板施工完成后便可開始開挖，兩者對周邊環(huán)境的影響相差不大。