軟土地區(qū)臨近隧道的深大基坑變形控制措施

楊德志 ，李雋毅 （上海申元巖土工程有限公司，上海 200011）

0 前言

近年來，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，為了滿足居民的出行方便，在一、二線城市陸續(xù)有設(shè)計(jì)地鐵，地鐵沿線有較多的商業(yè)建筑建設(shè)，為滿足商業(yè)、停車等用途，設(shè)置了多層地下室，相應(yīng)的基坑開挖較深。這些深基坑的開挖卸載，勢必引起周邊土體的位移，同時(shí)導(dǎo)致地鐵隧道的變形，對于軟土地區(qū)而言，相應(yīng)的變形影響更為明顯[1]，因此，對軟土地區(qū)臨近隧道的深基坑開挖造成的隧道變形影響進(jìn)行研究，在深基坑設(shè)計(jì)階段采取有效的保護(hù)措施，具有重要的工程實(shí)際意義。

對于上述問題，國內(nèi)外學(xué)者采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測等手段開展了大量研究。其中，Dolezalova[2]等采用有限元分析了基坑開挖對臨近隧道的影響；李平[3]等采用數(shù)值計(jì)算手段分析了不同位置關(guān)系工況下基坑開挖對隧道變形及受力的影響；姜兆華[4]系統(tǒng)的分析了基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響。肖同剛等[5-6]對鄰近運(yùn)營地鐵隧道的深基坑設(shè)計(jì)施工技術(shù)進(jìn)行了分析，并結(jié)合工程實(shí)例，提出了臨近地鐵隧道的基坑設(shè)計(jì)施工和監(jiān)護(hù)要點(diǎn)

本文以實(shí)際工程為背景，從基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，通過基坑整體分區(qū)籌劃，基坑圍護(hù)選型，承壓水控制等技術(shù)措施，來控制基坑施工引起的變形和對臨近隧道的影響。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

上海市閔行區(qū)虹橋鎮(zhèn)龍柏社區(qū)S110201、S110202單元15-01地塊商業(yè)綜合體項(xiàng)目（簡稱吳中路項(xiàng)目）位于閔行區(qū)吳中路以北、先鋒路以南、虹井路以東、金匯路以西，占地面積約為6.7萬m2。本項(xiàng)目為拆除重建項(xiàng)目，原場地爛尾樓工程，地上5層、地下一層已建建筑物，新規(guī)劃設(shè)計(jì)方案為商業(yè)樓地上8層，地下室規(guī)劃設(shè)計(jì)為西側(cè)近地鐵的已建地下一層保留并進(jìn)行改造，面積為0.9萬m2。新規(guī)劃的地下室為地下二層及地下三層，其中地下三層區(qū)域基坑面積約32949m2，開挖深度14.3m，地下二層區(qū)域基坑面積約13355m2，開挖深度 10.6m，基坑總面積約 46304m2，基坑外邊線總長度約921m。

1.2 周邊環(huán)境概況

本工程周邊環(huán)境復(fù)雜，西側(cè)虹井路下方下伏軌道交通10號線，并在地塊西北角位置龍柏新村站3號口留有地鐵連通口，另外先鋒路、虹井路下方下伏管線，重點(diǎn)保護(hù)對象為運(yùn)營中地鐵隧道及地鐵車站。基坑周邊環(huán)境圖（詳見圖1）。

東側(cè)地下室外墻距離用地紅線最近處3.0m，紅線外為已建5層家具城；南側(cè)地下室外墻距離用地紅線約為5.0m，紅線外為綠化用地，紅線外85.1m遠(yuǎn)處為吳中路；北側(cè)地下室外墻距離用地紅線5.0m，紅線外為先鋒路，下方下伏電力、信息、煤氣等管線；西側(cè)改造的地下一層地下室外墻距離用地紅線約為24.9m，紅線外為虹井路；虹井路下伏運(yùn)營地下軌道交通10號線，新建地下三層外墻距離隧道外邊線最近處約為66.3m；場地西北角為龍柏新村站3號口，本項(xiàng)目地下室外輪廓線距離龍柏新村站地下室外墻最近處2.4m。地下二層地下室有連通口接入龍柏新村站3號口。

圖1 基坑周邊環(huán)境圖

土層的物理力學(xué)指標(biāo) 表1

1.3 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，各土層的的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

地下水：淺部土層分布有潛水，主要補(bǔ)給來源為大氣降水并受相鄰地表涇流、地下管網(wǎng)影響，勘察期間量測的地下水穩(wěn)定水位埋深0.70～1.10m，設(shè)計(jì)計(jì)算按上海市常年平均地下水位0.5m考慮。

承壓水：根據(jù)地勘查報(bào)告，場地內(nèi)分布有第⑤2-1層微承壓水含水層及第⑦層承壓含水層；且第⑥層土缺失，第⑤2-1層微承壓水與第⑦層承壓含水層存在水力聯(lián)系；第8層土層缺失，第⑦層承壓水與第⑨層承壓含水層亦存在水力聯(lián)系。且根據(jù)抽水試驗(yàn)報(bào)告，“第⑤2、⑤3組合層與第⑦層、第⑨層含水層之間有一定的水力聯(lián)系，且相互之間的水力聯(lián)系較明顯”。

抽水試驗(yàn)的成果表 表2

2 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)

本工程西側(cè)虹井路下方下伏軌道交通十號線，并在地塊西北角位置龍柏新村站3號口留有地鐵連通口，根據(jù)《上海市軌道交通安全保護(hù)區(qū)暫行管理規(guī)定》，地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量及水平位移量≤20mm。（包括各種加載和卸載的最終位移量），基坑施工期間運(yùn)營地鐵結(jié)構(gòu)的允許變形量為10mm。

故本基坑鄰近的地鐵隧道的變形保護(hù)要求高，一旦變形過大，將對城市軌道交通運(yùn)營系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響，因此如何控制基坑施工引起的周邊環(huán)境影響，保證周邊保護(hù)對象的變形在安全范圍之內(nèi)，是制約本工程基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素。

本工程基坑面積較大，基坑總面積4.6萬m2，且有地下二層及地下三層，開挖深度不一致，應(yīng)考慮分期分區(qū)開挖實(shí)施，減少單坑面積，以降低基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。

另外，本工程場地存在承壓水突涌問題，基坑開挖期間需要抽降承壓水，且第⑤2、⑤3組合層與第⑦層、第⑨層承壓水含水層之間有一定的水力聯(lián)系，難以隔斷承壓水，故如何減小基坑降壓對周邊環(huán)境的影響，也是本工程基坑設(shè)計(jì)和施工需要重點(diǎn)考慮的問題。

2.2 基坑整體分區(qū)籌劃

按上海市工程建設(shè)規(guī)范《基坑工程技術(shù)規(guī)范》，本基坑工程地下二層區(qū)域安全等級應(yīng)為二級，地下三層區(qū)域安全等級應(yīng)為一級，西側(cè)臨近地鐵側(cè)環(huán)境保護(hù)等級為一級，其余側(cè)環(huán)境保護(hù)等級為二級。

本項(xiàng)目西側(cè)鄰近已建的軌道交通10號線隧道區(qū)間段，變形保護(hù)要求高。臨近地鐵的深大基坑要求分坑施工；臨近地鐵區(qū)域應(yīng)采用“大坑劃小坑”的原則進(jìn)行分區(qū)施工，根據(jù)上述原則，為了減小基坑圍護(hù)施工對軌道交通10號線隧道區(qū)間段和周邊環(huán)境的影響，本次設(shè)計(jì)對整個(gè)基坑采取分區(qū)開挖的方法。

根據(jù)上述原則，本項(xiàng)目基坑在原地下一層保留區(qū)外，整體劃為7個(gè)分區(qū)，各分區(qū)信息如下所示：

圖2 基坑分區(qū)示意圖

基坑分區(qū)情況表 表3

該基坑分區(qū)主要考慮了對10號線隧道及地鐵車站的保護(hù)，并考慮了項(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)度，其中地下二層區(qū)域分為了 1-1、1-2、5、6 區(qū)，北側(cè) 1-1、1-2 區(qū)內(nèi)包含了商業(yè)1-3#主樓，為項(xiàng)目首先開發(fā)租售的重點(diǎn)，故單獨(dú)分區(qū)并可以先行施工，5、6小分區(qū)的單獨(dú)劃分為保護(hù)地鐵車站，在開挖1-1、1-2區(qū)的過程中起到了隔離作用。地下三層區(qū)域分為了3、4、5區(qū)，主要考慮整體開挖地下三層基坑面積較大，不利于對10號線隧道的保護(hù)，故根據(jù)主樓的輪廓分為了三個(gè)分區(qū)，避免了分區(qū)施工分隔主樓的問題，整體的分區(qū)施工順序?yàn)樗淼赖奈恢藐P(guān)系由遠(yuǎn)到近施工，具體施工順序如下：

①首先施工1-1區(qū)基坑，以確保北側(cè)1區(qū)三棟主樓盡早施工完成；同時(shí)西側(cè)A區(qū)地下一層進(jìn)行改造；

②1-1區(qū)地下二層完成后，開始施工1-2區(qū)；

③待1-1區(qū)地下二層完成、A區(qū)地下室完成后，開始施工2區(qū)；

④待2區(qū)地下二層完成后，開始施工3區(qū)；

⑤待3區(qū)地下二層完成后，開始同步施工4、5區(qū)；

⑥待5區(qū)地下二層完成后，開始施工6區(qū)。

圖3 基坑施工順序圖

2.3 圍護(hù)樁設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目臨近地鐵隧道，臨近地鐵隧道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式一般采用整體剛度大，變形控制效果好的地下連續(xù)墻形式。地下連續(xù)墻有“兩墻合一”、“兩墻分離”及“復(fù)合式地墻”等三種型式。但采用兩墻合一地墻形式的結(jié)構(gòu)體長期使用工程中會(huì)止水效果不佳，且兩墻合一達(dá)不到地鐵管理部門所要求的一級防水等級，故臨近地鐵區(qū)域基坑一般不采用兩墻合一的圍護(hù)形式。

故5、6區(qū)鄰近地鐵側(cè)采用“復(fù)合式地墻”，800mm厚的地墻，結(jié)合Φ850三軸攪拌樁槽壁加固。

3、4區(qū)東側(cè)地鐵處于地鐵50m以外，可采用“兩墻合一”，省去了地下室外墻費(fèi)用，一定程度上節(jié)約了造價(jià)，結(jié)合Φ850三軸攪拌樁槽壁加固。

遠(yuǎn)離地鐵區(qū)域地下三層基坑開挖14.3m，可考慮采用大直徑鉆孔灌注樁，其施工比地下連續(xù)墻速度快，對于本項(xiàng)目目前的開挖深度、及灌注樁圍護(hù)所處區(qū)域而言亦能確保安全性，故采用鉆孔灌注排樁+Φ850三軸止水帷幕；遠(yuǎn)離地鐵區(qū)域的地下二層基坑開挖10.6m，亦可采用鉆孔灌注排樁+Φ850三軸止水帷幕。圍護(hù)樁設(shè)計(jì)選型見圖4。

2.4 支撐設(shè)計(jì)

地下三層區(qū)域開挖14.30m，可采用3道混凝土支撐，地下二層區(qū)域開挖10.6m，可采用2道混凝土支撐。鄰近地鐵的5、6區(qū)地下二層為考慮對10號線隧道的保護(hù)，采用3道支撐，第1道采用混凝土支撐，第2道及第3道采用具有油壓泵自動(dòng)伺服系統(tǒng)的鋼支撐。該鋼支撐可根據(jù)基坑變形情況，自動(dòng)施加預(yù)應(yīng)力減少基坑的變形，從而進(jìn)一步控制基坑變形對地鐵車站的影響。

圖4 圍護(hù)樁選型示意圖

2.4 坑底加固設(shè)計(jì)

通過對基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固，可以增加坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體抗力，有效控制基坑開挖時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。常用的坑內(nèi)加固措施主要有壓密注漿、雙軸水泥土攪拌樁、三軸水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁、MJS工法、RJP工法等。

本次設(shè)計(jì)在西側(cè)臨近地鐵隧道區(qū)域，設(shè)置了三軸水泥土攪拌樁裙邊加固，加固高度從第一道支撐底至坑底以下5m，水泥摻量20%；在其他區(qū)域，設(shè)置了三軸水泥土攪拌樁墩式加固，加固高度從第一道支撐底至坑底以下4m，水泥摻量10%～20%。通過加固坑內(nèi)土體，增加坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體抗力，有效控制基坑開挖時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。

2.5 承壓水控制

本工程臨近地鐵隧道，對承壓水控制要求較高，考慮到第⑤2、⑤3組合層與第⑦層、第⑨層承壓水含水層之間有一定的水力聯(lián)系，難以隔斷承壓水，故采用加長止水帷幕并采取降壓井降低承壓水水頭措施。適當(dāng)加長止水帷幕可增加地下水滲流路徑，降低坑底地下水補(bǔ)給速率，但基坑臨近地鐵區(qū)間，降承壓水可能會(huì)引起地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的沉降并對線路正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。故鄰地鐵側(cè)宜設(shè)置回灌井，并應(yīng)監(jiān)測降壓施工引起的周邊環(huán)境變化，并設(shè)置減壓觀測井，根據(jù)減壓觀測井的承壓水位，確定開啟的減壓井?dāng)?shù)量、抽水速率，合理控制承壓水水位。

3 基坑實(shí)施情況

本項(xiàng)目從2015年9月開始圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，至2017年6月地下室頂板全部完成，歷時(shí)21個(gè)月。

在基坑施工過程中，第三方監(jiān)測單位對基坑和周邊環(huán)境進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，以指導(dǎo)現(xiàn)場信息化施工?；颖O(jiān)測項(xiàng)目主要包括：圍護(hù)墻墻頂位移、圍護(hù)墻墻身測斜、深層土體位移、坑內(nèi)外水位、支撐軸力、立柱沉降、周邊建筑及管線位移及地鐵隧道位移等。地鐵維保部門也對隧道等進(jìn)行了監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：本基坑工程實(shí)施過程中，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和周邊隧道、市政管線、房屋的變形均在安全可控的范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語

本文以上海市吳中路項(xiàng)目基坑工程為例，針對緊鄰地鐵隧道的軟土地區(qū)深大基坑工程環(huán)境保護(hù)要求高的特點(diǎn)，采取了整體分區(qū)籌劃，由遠(yuǎn)及近施工、地下連續(xù)墻、多道鋼筋混凝土水平支撐、自動(dòng)伺服系統(tǒng)鋼支撐、坑邊裙邊加固、承壓水控制等技術(shù)措施，來控制基坑施工引起的變形和對地鐵區(qū)間隧道及地鐵車站的影響。根據(jù)基坑實(shí)施情況，本工程設(shè)計(jì)施工采取的技術(shù)措施能有效控制基坑施工引起的周邊環(huán)境影響，確保了地鐵區(qū)間隧道及地鐵車站的安全正常運(yùn)營。通過本工程的成功實(shí)施.可以為軟土地區(qū)臨近隧道的深大基坑變形控制.提供一定的參考依據(jù)。

[1]劉建航.侯學(xué)淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[2]Dolezalova M.Tunnel Complex Unloaded by a Deep Excavation[J].Computers and Geotechnics，2001，28(6-7):469-493.

[3]李平，劉漢龍，陳育民.基坑開挖中既有下穿地鐵隧道隆起變形分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，12(5):480-485.

[4]姜兆華.基坑開挖時(shí)臨近既有隧道的力學(xué)相應(yīng)規(guī)律研究[D].重慶：重慶大學(xué)博士學(xué)位論文，2013.

[5]肖同剛.基坑開挖施工監(jiān)控對臨近地鐵隧道影響分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7(5)：1013-1017.

[6]閆靜雅.鄰近運(yùn)營地鐵隧道的深基坑設(shè)計(jì)施工淺談[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(增刊 1)：234-237.