軟土地區(qū)鄰近地鐵深大基坑變形控制措施

閆 棟

上海廣聯(lián)環(huán)境巖土工程股份有限公司 上海 200444

根據(jù)上海市軌交監(jiān)護(hù)部門的相關(guān)規(guī)定，軌交安全保護(hù)區(qū)范圍為地下車站與隧道外邊線外側(cè)50 m內(nèi)，地面車站和高架車站以及線路軌道外邊線外側(cè)30 m內(nèi)，出入口、通風(fēng)亭、變電站等建（構(gòu)）筑物外邊線外側(cè)10 m內(nèi)。因此上海地區(qū)的基坑工程鄰近軌交線路或車站（進(jìn)入保護(hù)區(qū)范圍）的情況屢見不鮮。

加上上海地區(qū)軟土低強(qiáng)度、高壓縮性、高靈敏度等特點(diǎn)，使得基坑設(shè)計難度及施工風(fēng)險較大。在整個工程建設(shè)中，如果處置不當(dāng)，容易對軌交的正常運(yùn)營產(chǎn)生影響[1]。如何安全有效地保護(hù)軌交這條城市大動脈的安全，成為基坑圍護(hù)設(shè)計的主要問題。

基坑西側(cè)距離已運(yùn)營的軌交7號線劉行站車站主體結(jié)構(gòu)約29 m，距離車站出入口及風(fēng)井約11.5 m，距離區(qū)間隧道約30 m。具體軌交車站及隧道與基坑的相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 軌交現(xiàn)狀及其與基坑的平面位置關(guān)系

1 工程概況

背景項(xiàng)目位于上海市寶山區(qū)，設(shè)置整體3層地下室，基坑開挖深度為13.25～14.05 m?；娱_挖面積達(dá)到22 883 m2，基坑南北向長297 m（平行于軌交方向），東西向長63～94 m。

鄰近基坑的軌交7號線區(qū)間隧道及劉行站車站結(jié)構(gòu)是本工程基坑設(shè)計及施工中的重要保護(hù)對象。因此，基坑支護(hù)體系的設(shè)計、施工方案必須進(jìn)行全面充分的分析，并采取針對性措施，盡可能減小基坑開挖對西側(cè)軌交隧道及車站的影響。

基坑開挖影響范圍內(nèi)土層從上至下依次為①雜填土、②1粉質(zhì)黏土、②2粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④淤泥質(zhì)黏土、⑥粉質(zhì)黏土、⑦1砂質(zhì)粉土、⑦2黏質(zhì)粉土、⑧粉質(zhì)黏土。

2 減小軌交變形的主要措施

2.1 基坑分區(qū)施工

本工程基坑面積較大，平行于軌交車站及隧道一側(cè)的邊長近30 m，整體開挖對于基坑變形控制十分不利[2]。由于軌交結(jié)構(gòu)對于基坑變形控制要求十分嚴(yán)格，需在大面積基坑內(nèi)部增加臨時分隔墻將基坑分成數(shù)個面積較小的分區(qū)分別進(jìn)行開挖施工，以有效控制基坑變形。

1）合理分區(qū)可以大幅度減小基坑單次開挖面積，加快底板等換撐體系的施工速度，極大減少基坑坑底暴露時間，對于控制坑底隆起以及圍護(hù)樁水平位移效果顯著（時空效應(yīng)）[3-4]。

2）合理分區(qū)可以大幅度減小基坑開挖邊長，增加支撐結(jié)構(gòu)剛度，有效控制圍護(hù)樁的水平位移。

3）合理分區(qū)可以將塔樓所在的區(qū)域設(shè)置為先開挖區(qū)，減小單次開挖施工的體量，加快塔樓結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度，進(jìn)而減少工程整體的施工工期。

因此根據(jù)本基坑的形狀特征以及塔樓分布情況，將整個基坑分為7個小區(qū)分2次施工，單個分區(qū)的開挖面積控制在4 500 m2以內(nèi)，單次開挖邊長控制在56 m以內(nèi)，如圖2所示。2棟塔樓均位于首次施工的分區(qū)，這樣雖然圍護(hù)造價略有增加，但是能夠減少基坑開挖對于軌交結(jié)構(gòu)的影響，加快塔樓的施工進(jìn)度。

圖2 基坑分區(qū)平面示意

2.2 加強(qiáng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

2.2.1 圍護(hù)樁

靠近軌交一側(cè)采用厚1 000 mm的地下連續(xù)墻，受力段墻深25 m（受力段下方另有長4.2 m的構(gòu)造配筋段地下連續(xù)墻作為止水帷幕）。地下連續(xù)墻兩側(cè)設(shè)置三軸水泥土攪拌樁槽壁加固，避免地下連續(xù)墻成槽期間可能發(fā)生的坍孔對軌交設(shè)施造成影響。采用整體剛度較大的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)體，對于控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移十分有效。圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面情況如圖3所示。

2.2.2 支撐體系

基坑整體設(shè)置3道鋼筋混凝土水平支撐，垂直于軌交一側(cè)采用十字對撐形式，支撐間距不大于9 m，增加軌交側(cè)支撐整體剛度。

在各分區(qū)布置大量棧橋作為臨時材料堆場及施工道路，加快挖土及結(jié)構(gòu)澆筑速度，減小基坑暴露時間，減小坑底隆起量以及圍護(hù)樁水平位移（時空效應(yīng)）。支撐平面情況如圖4所示。

圖3 軌交側(cè)圍護(hù)剖面示意

圖4 支撐平面布置

2.2.3 坑內(nèi)加固

對基坑內(nèi)的被動區(qū)的土體進(jìn)行基加固可以增加基坑內(nèi)部土體的抗力，有效控制基坑開挖施工時圍護(hù)樁向基坑內(nèi)側(cè)的水平位移[5]。 在基坑軌交一側(cè)坑內(nèi)設(shè)置寬10.4 m的三軸水泥土攪拌樁裙邊加固，第2道支撐底至坑底以下4 m范圍水泥摻入量不少于20%。

2.2.4 剖面計算結(jié)果

采用同濟(jì)啟明星FWS9.0軟件，對圍護(hù)剖面進(jìn)行計算，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形情況見圖5所示。計算結(jié)果顯示，圍護(hù)水平位移為23.5 m，采取增加圍護(hù)墻以及支撐結(jié)構(gòu)的剛度、設(shè)置坑內(nèi)裙邊加固等措施后，可以將圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身變形控制在軌交要求的范圍以內(nèi)。

圖5 剖面計算結(jié)果

2.3 設(shè)置隔離樁

由于地下車站與隧道的抵抗位移與沉降的能力差別較大，地下車站與隧道連接處（隧道出洞口）往往因?yàn)槎叱两挡痪鶆蚨l(fā)生滲漏，需要重點(diǎn)保護(hù)[6]。因此在減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身變形的同時，也需要減小圍護(hù)體變形對于外側(cè)軌交結(jié)構(gòu)的影響。在基坑與隧道出洞口之間以及車站附屬結(jié)構(gòu)處設(shè)置φ700 mm鉆孔灌注樁（呈拱形布置[7]）作為隔離樁，如圖6所示。拱形隔離樁可以有效地降低軌交結(jié)構(gòu)對于基坑變形的敏感度，進(jìn)一步減小基坑開挖對軌交結(jié)構(gòu)的影響。

圖6 拱形隔離樁平面布置示意

2.4 分塊開挖

基坑分為7 個小區(qū)，單個分區(qū)的開挖面積在2 200～4 500 m2之間。根據(jù)“時空效應(yīng)”理論，“分層、分塊、對稱、平衡、限時”開挖支撐對于圍護(hù)變形控制十分有利，每個分區(qū)開挖時，均應(yīng)先挖除基坑?xùn)|側(cè)（遠(yuǎn)離軌交一側(cè)）部位的土體，使對撐體系及時受力，然后挖除基坑西側(cè)（靠近軌交一側(cè)）的土體，以有效減少軌交側(cè)的圍護(hù)變形[8]。每一小塊土體的挖土和支撐（底板）施工的總時間控制在10 d內(nèi)。

3 有限元模擬

采用平面有限元程序?qū)拥氖┕み^程進(jìn)行了模擬分析，對基坑開挖所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，對軌交結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行預(yù)測。

為了反映初始應(yīng)力狀態(tài)及基坑開挖的施工過程，計算工況見下：

階段一：對開挖前的初始狀態(tài)進(jìn)行平衡。第1步建立基坑與周邊建（構(gòu)）筑物整體模型，即劃分基坑影響范圍內(nèi)的土層、建立圍護(hù)墻、支撐桿件、土體圍護(hù)接觸面及邊界條件等；第2步輸入土層、圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊建（構(gòu)）筑物等參數(shù)屬性；第3步進(jìn)行網(wǎng)格劃分；第4步計算基坑開挖前的水土的初始平衡狀態(tài)；第5步將自重應(yīng)力場形成時產(chǎn)生的位移歸零。

階段二：激活圍護(hù)墻單元。

階段三：開挖至第1道支撐底標(biāo)高，然后激活第1道支撐桿件單元。

階段四：開挖至第2道支撐底標(biāo)高，然后激活第2道支撐桿件單元。

階段五：開挖至第3道支撐底標(biāo)高，然后激活第3道支撐桿件單元。

階段六：開挖至地下室底板墊層底標(biāo)高，激活底板換撐單元，取消第3支撐單元。

階段七：激活地下2層樓板換撐，取消第2支撐單元。

階段八：激活地下1層樓板換撐，取消第1支撐單元。

3.1 基坑開挖對軌交區(qū)間隧道的影響分析

基坑開挖對軌交區(qū)間隧道的影響的有限元計算模型如圖7所示。分析結(jié)果顯示，圍護(hù)墻的最大變形為22.3 mm，軌交隧道水平位移為1.19 mm、豎向位移為0.91 mm。

圖7 基坑開挖對軌交區(qū)間隧道影響計算模型

3.2 基坑開挖對軌交出入口的影響分析

基坑開挖對軌交出入口的影響的有限元計算模型如圖8所示，計算結(jié)果如圖9所示。分析結(jié)果顯示，圍護(hù)墻最大變形為22.2 mm，軌交隧道水平位移為2.9 mm、豎向位移為4.5 mm。

圖8 基坑開挖對軌交出入口影響計算模型

圖9 基坑開挖對軌交出入口影響位移云圖

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比分析

圖10為圍護(hù)樁水平位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比分析，經(jīng)對比可以看出，F(xiàn)WS計算結(jié)果、有限元模擬結(jié)果以及監(jiān)測實(shí)測數(shù)據(jù)的圍護(hù)樁水平位移的趨勢、最大位移值、最大位移點(diǎn)的埋深基本相近。這一結(jié)果說明，在基坑分區(qū)施工、增大圍護(hù)樁尺寸、增加支撐剛度、設(shè)置坑內(nèi)裙邊加固以及按照“時空效應(yīng)”分塊開挖后，基坑圍護(hù)的自身變形得到了很好的控制，同時因?yàn)榛娱_挖造成的軌交沉降變形滿足軌交變形控制要求。

5 結(jié)語

軟土地區(qū)的基坑施工容易對軌交結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，基坑圍護(hù)設(shè)計時需根據(jù)基坑的特點(diǎn)以及與軌交的位置關(guān)系情況確定合理的圍護(hù)方案，并對軌交側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取必要的加強(qiáng)措施。

圖10 圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果對比

本文通過基坑剖面計算、有限元模擬等方法對鄰近軌交車站、隧道的深大基坑的自身變形及其對軌交的影響進(jìn)行了分析，并結(jié)合工程實(shí)測數(shù)據(jù)分析可得出以下結(jié)論：

1）對于鄰近軌交車站及隧道的深大基坑，可根據(jù)基坑的形狀特征以及塔樓的分布情況，將整個基坑分為若干小區(qū)分次施工，減小單次施工的基坑面積，這樣雖然會造成圍護(hù)造價有所增加，但是能夠加快塔樓的施工進(jìn)度，對于控制軌交結(jié)構(gòu)的變形十分有效。

2）對于鄰近軌交車站及隧道的深大基坑，增加圍護(hù)墻尺寸、適當(dāng)減小支撐間距、增加坑內(nèi)加固、設(shè)置隔離樁、分塊開挖等措施可以有效減小基坑開挖對軌交的影響。

3）FWS、有限元模擬等計算方法對于圍護(hù)設(shè)計階段的圍護(hù)體系選型、預(yù)測分析軟土軌交基坑開挖對周邊環(huán)境的影響等有較大的幫助。根據(jù)計算結(jié)果，采取適當(dāng)?shù)拇胧┛刂谱冃?，可以使得圍護(hù)設(shè)計更加合理安全。