鄰近地鐵邊深基坑工程設(shè)計(jì)與施工實(shí)踐

趙永洪,鮑志杰,姬耀斌

(1.浙江中材工程勘測設(shè)計(jì)有限公司,浙江 杭州 310022；2.浙江省工程物探勘察院 ,浙江 杭州 310005)

隨著城市地下空間的開發(fā),各建構(gòu)筑物之間,距離越來越近,因此相互之間的影響不容忽視。為確保安全,深基坑工程對(duì)鄰近地鐵隧道的影響成為需研究的重點(diǎn)問題。

工程界和學(xué)術(shù)界也進(jìn)行了很多專題討論和學(xué)術(shù)交流。比如：李云安等[1]討論了土體參數(shù)對(duì)基坑變形計(jì)算的影響；王照宇[2]介紹了軟土地區(qū)深基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境引起的影響和危害, 并提出了相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)原則和方法；劉艷等[3]討論了土體的粘彈性特性,采用了等效土體水平基床系數(shù)來反映基坑變形隨時(shí)間的變化情況；周兆平等[4]從施工角度討論了如何減小地鐵側(cè)基坑變形的技術(shù)措施；呂超等[5]利用模糊綜合評(píng)判法,建立超大超深基坑風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模型,對(duì)施工階段風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別和評(píng)估,提高了對(duì)超大超深基坑工程的風(fēng)險(xiǎn)控制能力；丁智等[6]研究了浙江地區(qū)軟弱土深基坑側(cè)向變形特點(diǎn)；薛彥琪等[7]分析了上部開挖卸荷對(duì)地鐵變形的影響；黃茂松等[8]對(duì)國內(nèi)外軟土地下工程研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)概括和評(píng)述,討論了軟土地下工程施工的環(huán)境土工效應(yīng)問題。在這些研究成果與實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)之下,相關(guān)地區(qū)[9]陸續(xù)出臺(tái)了一些地鐵保護(hù)原則性規(guī)定和程序性文件,對(duì)地鐵隧道周邊施工,特別是深基坑工程從設(shè)計(jì)到施工方面都提出了嚴(yán)格要求。對(duì)控制基坑變形,采用分坑施工、設(shè)置地中壁等利用時(shí)空效應(yīng)和加強(qiáng)圍護(hù)剛度均有良好效果[10-11],而對(duì)減小周邊地鐵變形可采用微擾動(dòng)注漿等方式進(jìn)行主動(dòng)控制[12-14]。

本文以位于杭州市地鐵1號(hào)線邊的國芳基坑工程設(shè)計(jì)施工為例,較系統(tǒng)地介紹了該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)施工全過程,特別是對(duì)施工中出現(xiàn)的問題，采取的措施和取得的效果進(jìn)行了介紹和總結(jié),這對(duì)類似深基坑工程對(duì)鄰近地鐵隧道的保護(hù)和實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)施工信息化，具有重要參考意義。

1 工程概況

工程場地位于杭州市區(qū),周邊緊鄰城市道路。按平面可分A/B兩個(gè)區(qū)塊,其中A區(qū)塊鄰近地鐵1號(hào)線,A區(qū)基坑工程周長約為388 m,基坑開挖面積8 258.5 m2,基坑開挖深度14.550 m。B區(qū)基坑工程周長約為579 m,基坑開挖面積約為20 152 m2,基坑開挖深度19.15 m。基坑總平面布置見圖1。

A區(qū)基坑為臨近地鐵隧道基坑,其北側(cè)地下室邊線距地鐵軌道線17.80～19.20 m,軌道直徑為6.20 m,軌道頂埋深18.245～21.527 m,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制該側(cè)圍護(hù)體的位移量,確保地鐵軌道的安全性。B區(qū)基坑在A區(qū)基坑?xùn)|側(cè),距地鐵軌道線較遠(yuǎn),本文主要討論靠地鐵較近的A區(qū)基坑。

圖1 基坑平面圖

本工程地下室開挖范圍內(nèi)土層為①1素填土、②1黏質(zhì)粉土、②2砂質(zhì)粉土、②3粉砂、③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。從地層上看,本基坑的特點(diǎn)是,基坑上部為粉砂土,下部分布有深厚軟土 ,地鐵隧道位于軟硬交接的部位,受力情況復(fù)雜(圖2)。加上隧道上地面堆有棄土,導(dǎo)致其既有變形較大。場地西側(cè)地下室開挖邊線在軌道交通規(guī)劃控制區(qū)邊線范圍內(nèi),距離軌道交通特別保護(hù)區(qū)邊線最近約15.0 m。由于基坑規(guī)模較大,距離地鐵較近,為更好地控制變形,設(shè)計(jì)考慮采用分坑支護(hù)分坑開挖方式,嚴(yán)格控制地鐵隧道變形。

設(shè)計(jì)采用分坑方式將大坑劃分為四個(gè)小坑,按B1—B2—A1—A2順序先后施工,坑邊圍護(hù)采用地連墻(排樁)+混凝土內(nèi)支撐方式。鄰近地鐵邊采用隔離樁+地連墻+混凝土內(nèi)支撐方式,其剖面見圖2。

圖2 臨近地鐵隧道剖面圖

具體做法是,先施工一排混凝土灌注樁,樁底進(jìn)入粉砂層,作為地鐵隧道隔離樁,然后采用厚度1 000 mm 的混凝土地下連續(xù)墻作為坑壁支護(hù)體,采用三道混凝土現(xiàn)澆支撐作為內(nèi)支撐。并在第二、第三道主撐上設(shè)置板帶,以增強(qiáng)支撐剛度。

對(duì)坑壁土體進(jìn)行改良,先采用三軸水泥攪拌樁對(duì)坑壁進(jìn)行加固,加固范圍為隔離樁與地連墻之間區(qū)域,增加門式體圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度；第二是設(shè)置被動(dòng)區(qū)加固,加固區(qū)域?yàn)榈诙乐沃量拥滓韵?.00 m,加固寬度約6.00 m,并對(duì)地連墻兩側(cè)用攪拌樁做導(dǎo)墻,減小地連墻施工期坑壁變形。

經(jīng)三維有限元計(jì)算,基坑開挖對(duì)地鐵隧道變形的影響(最大值)見圖3。

注：圖中X方向?yàn)檠厮淼垒S向,Y方向?yàn)榇怪庇谒淼垒S向,Z方向?yàn)樨Q直方向,各方向位移取最大值。

圖3中各工況對(duì)應(yīng)狀態(tài)如下。工況1為初始狀態(tài)：地鐵隧道已經(jīng)施工完畢,土體應(yīng)力初始化,位移歸零；工況2為地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工,添加施工荷載；工況3為A-1開挖第1層土方,施工壓頂梁、第1道支撐；工況4為A-1開挖第2層土方,施工第2道支撐；工況5為A-1開挖第3層土方,施工第3道支撐；工況6為A-1開挖第4層土方至坑底；工況7為A-2開挖第1層土方,施工第1道支撐；工況8為A-2開挖第2層土方,施工第2道支撐；工況9為A-2開挖第3層土方,施工第3道支撐；工況10為A-2開挖第4層土方至坑底。

采用有限元分析表明,在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工期地鐵的變形主要是沉降為主,引起變形的因素主要是施工超載。地下室開挖階段,變形主要體現(xiàn)在側(cè)向位移上,隨著挖深的增加,側(cè)向變形逐漸加大,當(dāng)A-1區(qū)塊開挖到底后,側(cè)向變形趨于穩(wěn)定。在開挖A-2區(qū)段時(shí)對(duì)最大變形值的影響較小。計(jì)算的困難表現(xiàn)在此階段難以考慮施工引起的土層損失和結(jié)構(gòu)性擾動(dòng)對(duì)變形的影響,土體參數(shù)取值有一定經(jīng)驗(yàn)成分,所以實(shí)際的變形如何需要在實(shí)施過程中監(jiān)測,并采取應(yīng)對(duì)調(diào)整措施。

2 項(xiàng)目實(shí)施過程及變形情況

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中變形情況

A區(qū)于2017年5月27日開始圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工,至2017年8月3日時(shí)地鐵隧道出現(xiàn)了變形報(bào)警,此時(shí)三軸水泥攪拌樁已經(jīng)施工完成,地連墻施工完成約50%,地鐵隧道變形情況見表1。

表1 地鐵隧道監(jiān)測變形情況(2017-08-03)

變形過大的主要原因是城市臨時(shí)施工管控造成部分墻體開孔到底后等待澆筑時(shí)間過長,有些甚至超過了12 h,導(dǎo)致軟土地層變形加大,甚至孔內(nèi)部分區(qū)域可能坍塌,土層流失導(dǎo)致變形加大。另外上部地層主要為砂質(zhì)粉土和粉砂,黏粒含量低,護(hù)壁泥漿的質(zhì)量不理想,護(hù)壁效果較差。為了減小后期可能的變形,除調(diào)配更好質(zhì)量的泥漿,保證及時(shí)澆筑混凝土外,在設(shè)計(jì)上采取了如下措施對(duì)圍護(hù)體進(jìn)行了加強(qiáng)(圖4)：

1)增設(shè)支撐板帶,加強(qiáng)支撐體系剛度。

2)將一期、二期分隔的圍護(hù)樁臨近隧道的部分,調(diào)整為連續(xù)墻,增加一二期分隔圍護(hù)體的剛度,進(jìn)一步控制A 區(qū)基坑中部的圍護(hù)體變形。

3)在A 區(qū)一期、二期靠近盾構(gòu)隧道一側(cè)均勻設(shè)置總計(jì)6片地中壁連續(xù)墻,采用素混凝土連續(xù)墻(或根據(jù)施工需要設(shè)置少量構(gòu)造鋼筋)底標(biāo)高為坑底以下15 m,頂標(biāo)高至地面,隨挖土同步進(jìn)行地中壁的破除。施工過程注意控制施工分層厚度和地中壁兩側(cè)的土方高差,確保地中壁兩側(cè)的土壓力平衡,避免出現(xiàn)局部坍塌情況。

4)結(jié)構(gòu)調(diào)整為連續(xù)墻、地下室外墻兩墻合一,避免出現(xiàn)肥槽,加大換撐時(shí)的結(jié)構(gòu)剛度。

5)增加被動(dòng)區(qū)數(shù)量,設(shè)置條帶狀被動(dòng)區(qū),形成坑底加固帶,增加被動(dòng)區(qū)土體m值,進(jìn)一步控制圍護(hù)體的變形。

圖4 基坑被動(dòng)區(qū)調(diào)整平面

2.2 地下室開挖施工期隧道變形情況

至2018 年4 月1 日止,A 區(qū)圍護(hù)連續(xù)墻、三軸水泥攪拌樁、被動(dòng)區(qū)加固、地中壁加固、壓頂梁及第一道內(nèi)支撐均已施工完畢；A 區(qū)塊一期開挖至第一道支撐。此時(shí)隧道變形第二次報(bào)警。上行線(鄰近基坑側(cè))出現(xiàn)顯著的沉降變形,最大沉降量約7.2 mm,超過預(yù)警值(圖5)。

根據(jù)變形發(fā)生的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與施工工況的對(duì)比及歷次會(huì)議的專家分析,報(bào)警的主要原因?yàn)椋?/p>

1)連續(xù)墻成槽施工使槽周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)由原來的K0狀態(tài)改變至液壓平衡狀變形。由于槽壁中各深度的泥漿壓力小于原始土體側(cè)壓力,槽壁土體因此產(chǎn)生變形。

2)隧道埋深主要影響區(qū)域的土體為淤泥質(zhì)土層,地連墻成槽施工擾動(dòng)該層土,使其強(qiáng)度降低,變形增加,從而使盾構(gòu)隧道產(chǎn)生附加變形,且由于軟土的流變效應(yīng),該變形不易收斂,盾構(gòu)隧道的附加變形較大。因此土層特性和連續(xù)墻施工過程的綜合因素為變形超標(biāo)的主要因素。

3)A區(qū)施工過程中,隧道上方及附近存在重型車輛通行的情況(場地原堆土外運(yùn)和施工荷載),也是造成隧道變形的另一重要因素。

圖5 隧道最大變形時(shí)程曲線

3 控制變形的措施及效果

根據(jù)變形情況,決定采取微擾動(dòng)注漿加固方式控制隧道變形,加固區(qū)域沿隧道方向位于A區(qū)基坑中部,長度約60 m范圍,加固剖面見圖6,2018 年5 月開始注漿,直至A -1區(qū)塊底板施工完成,第三道內(nèi)支撐拆除。

圖6 注漿剖面圖

注漿過程為：

1)2018年5—6 月上旬,進(jìn)行微擾動(dòng)注漿加固(6 次)；

2)2018年7月下旬,進(jìn)行微擾動(dòng)注漿加固(4 次)；

3)2018年10月1日至12月2日,微擾動(dòng)注漿施工點(diǎn)增多,累計(jì)完成143 孔。

圖7 注漿前后水平位移曲線對(duì)比

圖8 注漿前后沉降曲線對(duì)比

注漿前后隧道的位移曲線(圖7、圖8)更為直觀地反應(yīng)了隧道變形的變化情況,根據(jù)注漿前后曲線的對(duì)比分析,可以發(fā)現(xiàn)：

1)臨近隧道的變形隨著基坑的開挖,在5—10 月有顯著增加,該時(shí)間段,注漿加固量較少且間斷進(jìn)行,效果不明顯,基坑變形主要受土方開挖影響。

2)2018 年10 月之后,注漿連續(xù)進(jìn)行,效果顯著。該工況下,基坑開挖第二道支撐以下土方,并施工底板,同步進(jìn)行微擾動(dòng)注漿。該階段,圍護(hù)體挖土對(duì)隧道的影響較大,但同步進(jìn)行的微擾動(dòng)注漿對(duì)隧道變形起到了良好的控制作用,總體隧道的位移、沉降、收斂值均在好轉(zhuǎn)。

3)2018 年12 月,一期地下室底板已經(jīng)施工完成,且已經(jīng)拆除第三道支撐,一期最不利工況結(jié)束,對(duì)應(yīng)區(qū)域隧道變形趨于穩(wěn)定。

4)微擾動(dòng)注漿對(duì)于隧道的各項(xiàng)變形數(shù)值均有顯著作用,并對(duì)隧道周邊土體起到了一定的加固作用,注漿取得一定效果。根據(jù)注漿過程監(jiān)測報(bào)告,注漿效果如下：

水平位移改善2.4～6.5 mm；

沉降變形改善值-3.3～3 mm(+值為隆起,-值為沉降)；

收斂變形改善-0.1～5 mm(+值為徑向減小,-值為徑向增大)。

5) 目前A區(qū)一、二期地下室已施工完成,根據(jù)監(jiān)測情況隧道豎向位移最大值為 -10.2 mm,水平位移最大值為 -11.9 mm,相對(duì)收斂最大值為- 8.7 mm?；娱_挖過程中水平位移、豎向位移、 相對(duì)收斂均在后續(xù)控制值以內(nèi),微擾動(dòng)注漿基本達(dá)到整治目標(biāo)。

4 結(jié) 語

1)本基坑鄰近運(yùn)營地鐵隧道,對(duì)變形控制特別嚴(yán)格,在基坑設(shè)計(jì)過程中采用分坑方式劃大為小,并在鄰近地鐵側(cè)采用隔離樁和地連墻方式進(jìn)行變形控制,是合理可行的。

2)基坑在地連墻施工期間,出現(xiàn)了未開挖但鄰近地鐵變形已經(jīng)預(yù)警的情況,說明地連墻施工在軟土地區(qū)其施工擾動(dòng)造成的土體變形較大,但這部分變形在設(shè)計(jì)中難以計(jì)算,需要根據(jù)實(shí)際情況做好設(shè)計(jì)和施工控制措施。為減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工期變形,可以設(shè)置隔離樁，采用較小地連墻斷面和分幅，設(shè)置導(dǎo)墻加固(攪拌樁導(dǎo)墻宜穿透軟土層)，采用優(yōu)質(zhì)泥漿、優(yōu)化施工組織減小成孔后澆筑等待時(shí)間等方式控制。

3)采用設(shè)置地中壁,用攪拌樁加固地連墻被動(dòng)區(qū),加強(qiáng)支撐剛度等措施，可以減小開挖時(shí)地連墻的變形,設(shè)置兩墻合一可以避免因換撐不當(dāng)造成的變形增加。但均屬于被動(dòng)控制措施,不一定能滿足控制變形的要求。若要嚴(yán)格控制鄰近地鐵的變形還可以考慮主動(dòng)控制措施。

4)設(shè)置微擾動(dòng)注漿可以對(duì)施工期微變形進(jìn)行主動(dòng)調(diào)整,對(duì)過大變形進(jìn)行一定程度的恢復(fù),對(duì)周邊變形要求嚴(yán)格的工程能起到主動(dòng)控制作用；但微擾動(dòng)注漿需要嚴(yán)格控制好注漿壓力和由此產(chǎn)生的注漿變形,需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,對(duì)施工控制要求較高。微擾動(dòng)注漿后位移有一定量的回彈損失量,為取得較好效果,對(duì)過大變形需要分區(qū)、分段、分層多次多點(diǎn)進(jìn)行。