軟土地區(qū)鄰近軌道交通設(shè)施的基坑支護(hù)技術(shù)應(yīng)用與分析

楊 嵐

上海城建置業(yè)發(fā)展有限公司 上海 200030

0 引言

作為一種新興交通方式，以地鐵、輕軌為代表的城市軌道交通系統(tǒng)由于其快捷舒適、客運(yùn)量大、能耗小、污染少、安全性能高等突出優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)大中城市的建設(shè)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。軌道交通網(wǎng)絡(luò)的高度可達(dá)性，使得它能夠吸引各種生活、商務(wù)、商業(yè)、文化、娛樂(lè)等設(shè)施向軌交站點(diǎn)周圍集中，刺激站點(diǎn)周圍土地的高密度開發(fā)，繁榮軌道交通沿線的經(jīng)濟(jì)[2]。軌交的建設(shè)在改變著公眾出行和生活方式的同時(shí)，也帶動(dòng)了軌交沿線土地的商業(yè)價(jià)值的提升，因此，近年來(lái)出現(xiàn)了大量緊鄰軌交的工程項(xiàng)目[3]。

與此同時(shí)，軌交作為城市交通系統(tǒng)的生命線，其重要作用不言而喻，在軌交旁進(jìn)行基坑工程建設(shè)不僅要保證基坑本身的安全，更需要嚴(yán)格控制基坑變形以減小基坑開挖對(duì)軌交的影響[4]。以上海為代表的軟土地區(qū)，淺部常分布有深厚的暗浜土及淤泥質(zhì)黏土等不良地質(zhì)條件，該地層條件下的軌交區(qū)間軌道受周邊基坑開挖過(guò)程的影響更為顯著[5]。以上兩點(diǎn)原因使得軟土地區(qū)鄰近軌交的基坑工程設(shè)計(jì)和施工難度大大增加。

上海市徐匯區(qū)漕河涇社區(qū)196地塊基坑工程項(xiàng)目緊鄰上海軌交3號(hào)線高架段與地面段過(guò)渡區(qū)間，該區(qū)間地面段軌道基礎(chǔ)形式較差，且基礎(chǔ)底部分布有深厚的暗浜土，軌道變形對(duì)鄰近工程施工極為敏感。為保證基坑實(shí)施期間軌交3號(hào)線的運(yùn)營(yíng)安全，本工程采用了“分區(qū)順作”的總體實(shí)施方案，在此基礎(chǔ)上綜合采用復(fù)合式地下連續(xù)墻、大剛度的“十字對(duì)撐”混凝土支撐體系、坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)裙邊加固，以及結(jié)合“時(shí)空效應(yīng)”的土方開挖方式等技術(shù)手段，嚴(yán)格控制基坑開挖中鄰近軌交的變形。最后采用數(shù)值分析的方法進(jìn)一步模擬分析了基坑開挖對(duì)軌交軌道的影響。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

上海市徐匯區(qū)漕河涇社區(qū)196e-06，196f-08地塊項(xiàng)目位于上海市徐匯區(qū)石龍路以北，武宣路以西（圖1），項(xiàng)目整體分為南北2個(gè)地塊，均設(shè)2層地下室。其中北地塊基坑面積約為11 400 m2，開挖深度約10.1 m；南地塊基坑面積約為5 500 m2，開挖深度約10.2 m。

圖1 基坑環(huán)境平面

本工程場(chǎng)地周邊環(huán)境較為復(fù)雜：北地塊西北側(cè)鄰近某在建高層住宅小區(qū)，東南側(cè)鄰近石龍支路；南地塊西側(cè)鄰近220 kV變電站，東側(cè)和南側(cè)分別鄰近武宣路和石龍路。上海軌交3號(hào)區(qū)間軌道從本工程的2個(gè)地塊之間穿過(guò)，是本基坑工程最為重要的保護(hù)對(duì)象。

1.2 工程地質(zhì)概況

場(chǎng)地處于長(zhǎng)江三角洲濱海平原。基坑挖深范圍內(nèi)土層主要為軟塑-流塑狀態(tài)的黏性土，土層從上至下依次為：①雜填土、②1粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1粉質(zhì)黏土、⑤1-2粉質(zhì)黏土夾粉性土。淺部普遍分布有厚3～5 m的雜填土，土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)松散?；娱_挖深度范圍內(nèi)均勻分布有③、④層土，具有孔隙比大、含水量高、靈敏度高、強(qiáng)度低、壓縮性高等不良特性，同時(shí)具有蠕變性和流變性特點(diǎn)。

場(chǎng)地地下水由潛水和承壓水組成，地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和地表徑流。淺部地下水屬潛水類型，水位埋深一般在0.3～1.5 m。地內(nèi)⑦層分布有微承壓水，承壓水水位埋深3.0～12.0 m。⑦層面埋深最淺36.5 m，本工程基坑挖深約10.20 m，計(jì)算其抗突涌穩(wěn)定性系數(shù)為1.4 ＞1.05，滿足相關(guān)規(guī)范要求。該層微承壓水頭不會(huì)對(duì)基坑底板造成突涌影響。

2 軌交線路概況

2.1 基坑與軌交位置關(guān)系

本工程場(chǎng)地位于軌交3號(hào)線高架和地面段的過(guò)渡位置，東北側(cè)為高架，高架基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，西南側(cè)為地面段軌道，地面段基礎(chǔ)形式為碎石道床基礎(chǔ)。北地塊基坑與高架段軌道距離約43 m，與地面軌道最近距離為42.3 m，南地塊基坑與地面軌道最近距離為27.7 m。

2.2 軌交3號(hào)線軌道沉降及整修情況

軌交3號(hào)線于2000年12月投入運(yùn)營(yíng)。鄰近本工程段地面軌道最初采用混凝土整體道床基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底部分布有暗浜，雖然施工期間對(duì)其基礎(chǔ)進(jìn)行了地基加固，但由于加固深度僅為10 m（樁底基本位于④層土中），在施工結(jié)束時(shí)，地面段整體道床已發(fā)生沉降，最大沉降超過(guò)6 cm，當(dāng)時(shí)采取“墊高鐵墊板和采用特殊加長(zhǎng)加粗的螺栓”的方式來(lái)解決沉降問(wèn)題，但整個(gè)扣件系統(tǒng)是非常規(guī)的。

從2003年該段輕軌軌道的沉降曲線（圖2）[6]可以看出，沉降從石龍路車站端部開始加劇，地面段最大沉降已經(jīng)達(dá)到128 mm，至高架段沉降迅速減小，軌道沉降已十分微小。2004年，針對(duì)該段軌道沉降過(guò)大的情況，地鐵管理單位采用碎石道床方案對(duì)該區(qū)間軌道進(jìn)行整修。碎石道床法將整體道床鑿除，改用道砟作道床。該方法雖然可以在一定程度上調(diào)節(jié)軌道沉降變形，但由于軌道基底以下存在暗浜土，軌道變形仍舊十分敏感。

圖2 3號(hào)線輕軌軌道沉降曲線

3 針對(duì)軌交保護(hù)的基坑支護(hù)技術(shù)

軌交3號(hào)線地面軌道基礎(chǔ)形式差，對(duì)基坑變形敏感。同時(shí)3號(hào)線作為上海中心城區(qū)主要的交通線路，每天承擔(dān)著巨大的運(yùn)營(yíng)壓力。因此保證軌交3號(hào)線的運(yùn)營(yíng)安全是本基坑工程設(shè)計(jì)施工的首要目標(biāo)。

3.1 基坑總體實(shí)施方案

基坑開挖是一個(gè)同周圍土體密切相關(guān)的空間問(wèn)題，基坑的形狀和大小對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境的影響十分顯著[7]。本工程北地塊與軌交共邊長(zhǎng)度達(dá)210 m，且基坑面積較大，如果整坑實(shí)施，大面積同時(shí)開挖卸荷勢(shì)必會(huì)引起軌交3號(hào)線軌道產(chǎn)生較大的變形，為減小基坑開挖對(duì)鄰近的軌交3號(hào)線地面軌道影響，北地塊采用“分區(qū)順作”方案，南地塊由于基坑面積相對(duì)較小，采用“整坑順作”的實(shí)施方案（圖3）。北地塊結(jié)合上部建筑的布置分為東北側(cè)鄰近軌交3號(hào)線高架段的A區(qū)基坑和西南側(cè)鄰近地面段的B區(qū)基坑。圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后，北地塊A區(qū)基坑由于和南地塊平面上基本錯(cuò)開，因此二者具備同時(shí)開挖施工的可能性，待北地塊A區(qū)地下室結(jié)構(gòu)施工完成后再實(shí)施北地塊B區(qū)基坑。北地塊“分區(qū)順作”可最大限度減小基坑大面積暴露開挖引起的輕軌軌道變形，在保證基坑周邊建構(gòu)筑安全的基礎(chǔ)上2個(gè)地塊具備同步施工的可能性，能有效縮短工期。

圖3 基坑實(shí)施分區(qū)平面示意

3.2 復(fù)合式地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)

基坑開挖過(guò)程中如果圍護(hù)墻出現(xiàn)滲流，會(huì)造成墻后水土的流失，使坑外土體發(fā)生固結(jié)沉降[8]。以往的工程實(shí)踐表明，因圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏引起的基坑周邊建（構(gòu)）筑物沉降量一般難以預(yù)估，且往往大于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量。因此本工程鄰近地面段軌道區(qū)域均采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。地下連續(xù)墻兩側(cè)采用三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行槽壁加固，在保證地下連續(xù)墻成墻質(zhì)量的同時(shí)，兼作止水帷幕，保證基坑實(shí)施期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水的可靠性（圖4）。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面

在此基礎(chǔ)上，為保證永久使用階段地下室外墻同樣不會(huì)出現(xiàn)滲漏水，地下室采用了貼壁式外墻設(shè)計(jì)。外圍地下連續(xù)墻緊貼結(jié)構(gòu)墻布置，地下連續(xù)墻與結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻間設(shè)置柔性防水材料，地下連續(xù)墻抗?jié)B等級(jí)不小于P6（圖5）。

3.3 水平支撐體系

圖5 貼壁式外墻示意

現(xiàn)澆混凝土支撐由于其剛度大，整體性好，可以采取靈活的布置方式適應(yīng)于不同形狀的基坑，而且不會(huì)因節(jié)點(diǎn)松動(dòng)而引起基坑的位移，施工質(zhì)量相對(duì)容易得到保證。本工程2個(gè)基坑豎向均設(shè)置2道鋼筋混凝土水平支撐系統(tǒng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置壓頂圈梁兼作第1道支撐的圍檁。水平支撐體系均采用傳力明確且支撐剛度較大的十字對(duì)撐的布置形式，且垂直于軌交3號(hào)線方向支撐水平間距不大于9 m，第1道支撐可以兼作施工棧橋使用（圖6、圖7）。

圖6 北地塊支撐體系平面布置

圖7 南地塊支撐體系平面布置

3.4 坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)加固

研究表明，基坑內(nèi)部土體，尤其是基底以下土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的約束作用對(duì)控制基坑變形影響顯著[9]。但本工程基底位于④層中，基坑開挖深度范圍內(nèi)主要為軟塑-流塑狀態(tài)的黏性土，具有孔隙比大、含水量高、靈敏度高、強(qiáng)度低、壓縮性高等不良特性，因此該土層條件對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向約束作用十分微弱。為了控制基坑變形，減小對(duì)軌交3號(hào)線軌道的影響，本工程2個(gè)基坑鄰近軌交3號(hào)線軌道區(qū)域均采用φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁對(duì)基坑被動(dòng)區(qū)進(jìn)行土體加固。加固體采用裙邊加固的形式，北地塊基坑加固體寬度約8.05 m，南地塊基坑加固體寬度約9.85 m。加固深度為第1道支撐底至基底以下5 m，加固體在第2道支撐底標(biāo)高以上水泥摻量為10%，第2道支撐底標(biāo)高以下水泥摻量為20%。

3.5 結(jié)合時(shí)空效應(yīng)的土方開挖方式

基坑變形受基坑開挖過(guò)程的“時(shí)空效應(yīng)”影響顯著。對(duì)于上海地區(qū)的軟土地層，在基坑工程實(shí)施過(guò)程中，由于土體的應(yīng)力松弛會(huì)引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)主動(dòng)區(qū)的土壓力隨時(shí)間不斷增加。同時(shí)軟土的蠕變性和流變性使得基坑周邊土體在一定的應(yīng)力水平下，應(yīng)變會(huì)隨著時(shí)間而不斷增長(zhǎng)[10]?；娱_挖過(guò)程中采取分層分塊的開挖方式，減少每步開挖過(guò)程中的無(wú)支撐暴露時(shí)間，可以顯著降低基坑應(yīng)力水平、控制流變位移，從而減小基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。以本工程南地塊為例，南地塊第2層土方開挖，分別按照?qǐng)D中①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧的順序依次進(jìn)行（圖8），首先開挖遠(yuǎn)離軌交3號(hào)線的①區(qū)并及時(shí)形成支撐，然后依次開挖②～⑧分區(qū)并保證在24 h內(nèi)完成各小分區(qū)內(nèi)的土方開挖和支撐澆筑。

圖8 南地塊第2層土方開挖分塊示意

4 基坑開挖對(duì)輕軌影響的數(shù)值分析

為分析本基坑工程對(duì)于鄰近軌交3號(hào)線軌道的影響，本文采用Plaxis2D有限元分析軟件對(duì)基坑開挖全過(guò)程進(jìn)行模擬分析（圖9）。計(jì)算模型包括了土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、水平支撐、軌交3號(hào)線軌道。模型側(cè)邊約束水平位移，底部同時(shí)約束水平和豎向位移。土體采用6節(jié)點(diǎn)三角形實(shí)體單元模擬，地下連續(xù)墻、軌道及基礎(chǔ)采用板單元模擬，水平支撐、樓板結(jié)構(gòu)采用錨定桿單元模擬。土體采用土體硬化本構(gòu)模型（H-S模型）進(jìn)行模擬，該本構(gòu)模型既可適用于軟土也適用于較硬土層，可以同時(shí)考慮剪切硬化和壓縮硬化，并采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。以往研究表明，H-S模型應(yīng)用于基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境分析時(shí)具有較好的精度[11]。

圖9 計(jì)算模型示意

水平及豎向位移計(jì)算結(jié)果（圖10、圖11）顯示，基坑開挖至基底時(shí)，南地塊基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為15.8 mm，北地塊基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移19.9 mm，輕軌軌道最大水平位移1.1 mm，最大沉降3.1 mm。本基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)能滿足對(duì)軌交3號(hào)線的保護(hù)要求。

圖10 基坑開挖至基底時(shí)土體水平位移云圖

圖11 基坑開挖至基底時(shí)土體豎向位移云圖

5 結(jié)論

在軌交旁進(jìn)行基坑工程建設(shè)不僅要保證基坑本身的安全，更需要嚴(yán)格控制基坑變形以減小基坑開挖對(duì)軌交的影響。本文結(jié)合鄰近上海軌交3號(hào)線的上海市徐匯區(qū)漕河涇社區(qū)196地塊基坑工程，分析梳理了軟土地區(qū)緊鄰軌道交通設(shè)施的基坑支護(hù)技術(shù)手段。主要結(jié)論如下：

1）基坑的形狀和大小對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境的影響十分顯著。當(dāng)基坑面積較大時(shí)可結(jié)合基坑形狀及主體結(jié)構(gòu)情況，采用“分區(qū)順作”實(shí)施方案，最大限度減小基坑大面積暴露開挖引起的鄰近軌道設(shè)施的變形。

2）基坑開挖過(guò)程中如果圍護(hù)墻出現(xiàn)滲漏，會(huì)造成墻后水土的流失，使坑外土體發(fā)生固結(jié)沉降。應(yīng)嚴(yán)格控制基坑實(shí)施期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水的可靠性以及永久使用階段地下室外墻的防水性能。建議鄰近變形敏感的軌道交通設(shè)施區(qū)域采用貼壁式外墻設(shè)計(jì)。

3）現(xiàn)澆混凝土支撐剛度大，整體性好，而且不會(huì)因節(jié)點(diǎn)松動(dòng)而引起基坑的位移，施工質(zhì)量相對(duì)容易保證。而對(duì)于鄰近軌道交通設(shè)施基坑支撐的布置，建議采用傳力明確且支撐剛度較大的十字對(duì)撐形式。

4）基底以下土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的約束作用對(duì)控制基坑變形影響顯著。當(dāng)基底存在孔隙比大、含水量高、靈敏度高、強(qiáng)度低的軟黏土?xí)r，采用水泥土攪拌樁對(duì)基底被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固可更為有效地控制基坑變形。

5）基坑變形受開挖過(guò)程的“時(shí)空效應(yīng)”影響顯著。軟土地區(qū)，軟土的蠕變性和流變性使得基坑周邊土體在一定的應(yīng)力水平下，應(yīng)變會(huì)隨著時(shí)間而不斷增長(zhǎng)。采取分層分塊的土方開挖方式，減少每步開挖過(guò)程中的無(wú)支撐暴露時(shí)間，可以顯著降低基坑應(yīng)力水平、控制流變位移，從而減小基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。