中穿運(yùn)營(yíng)地鐵的軟土深基坑群分倉(cāng)設(shè)計(jì)研究*

張 麒，孫加齊，張 杰，張旭斌，楊志欣

(中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

0 引言

近地鐵深大基坑工程多采用化整為零的方法，采用遠(yuǎn)大近小、遠(yuǎn)深近淺的分倉(cāng)設(shè)計(jì)原則，一般設(shè)置分隔墻將基坑分成遠(yuǎn)離地鐵隧道的大基坑及緊鄰地鐵隧道的多個(gè)小基坑，再將近地鐵隧道的小基坑采用間隔、跳倉(cāng)法進(jìn)行開挖。分坑分倉(cāng)跳挖雖能有效控制基坑及地鐵變形，但工期長(zhǎng)、增設(shè)分隔墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，大大增加近地鐵工程開發(fā)建設(shè)成本。對(duì)近地鐵基坑施工，加快施工速度是降低基坑風(fēng)險(xiǎn)最有效的控制措施。

1 工程概況

1.1 整體概況

首創(chuàng)·天閱海河項(xiàng)目位于天津海河與京杭運(yùn)河交匯處，是全國(guó)首例在運(yùn)營(yíng)地鐵兩側(cè)進(jìn)行結(jié)建上蓋的站城一體化綜合體?？偨ㄖ娣e為43.6萬m2， 基坑群橫跨運(yùn)營(yíng)中的天津市地鐵6號(hào)線(預(yù)留北運(yùn)河站)，該區(qū)域內(nèi)與地鐵6號(hào)線北運(yùn)河站有4個(gè)結(jié)建口，是在時(shí)速60km/h的運(yùn)營(yíng)地鐵兩側(cè)進(jìn)行不同深度基坑開挖的項(xiàng)目。

1.2 基坑與地鐵的關(guān)系

項(xiàng)目總占地面積10.9萬m2，基坑與地鐵平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑與地鐵車站平面關(guān)系(單位：m)

基坑范圍內(nèi)含先期預(yù)留的北運(yùn)河站體，長(zhǎng)194m，隧道區(qū)間長(zhǎng)105m，車站主體結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)區(qū)上方2層結(jié)建結(jié)構(gòu)先期修建完成，其他附屬設(shè)施與項(xiàng)目同期建設(shè)，地鐵采用44.0m深、厚1.0m的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)及外墻，與基坑共用。根據(jù)規(guī)劃，地鐵左側(cè)建設(shè)2層地下室，右側(cè)建設(shè)3層地下室。地鐵隧道外徑6.2m、內(nèi)徑5.5m，襯砌厚0.35m，管片環(huán)寬1.5m，隧道覆土厚約18m。地鐵站西南方向有先期建設(shè)的地下2層建筑，位于隧道上方，埋深16.3m，并在下方設(shè)置φ700mm鉆孔灌注樁。

運(yùn)營(yíng)地鐵西側(cè)基坑開挖深度為11.8m，東側(cè)開挖深度為17.1m，兩側(cè)開挖深度相差5.3m，深坑一側(cè)開挖深度超出盾構(gòu)區(qū)間頂標(biāo)高1.4m。

1.3 地鐵變形要求

因基坑工程與運(yùn)營(yíng)地鐵零距離接觸，對(duì)變形控制要求極高，豎向變形報(bào)警值12mm，水平變形報(bào)警值車站部分為7mm、盾構(gòu)部分6mm，差異沉降報(bào)警值為2mm/10m。

1.4 水文地質(zhì)條件

項(xiàng)目地處富水軟土地區(qū)，上部土主要以雜填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土為主，影響基坑水層為潛水層和第一承壓水層，運(yùn)營(yíng)地鐵結(jié)構(gòu)處于第一承壓水層。

1.5 周邊環(huán)境

項(xiàng)目位于天津市河北區(qū)，東側(cè)為已施工完成的新建小區(qū)，距離40.0m；南側(cè)為富堤路及京杭運(yùn)河，距離52.0m；西側(cè)為建筑物和市政道路，分別距離10.0，7.0m。本工程距西南側(cè)的既有建筑物最近約10.0m，距外側(cè)富堤路約7.0m，地下管線距深基坑較遠(yuǎn)，分布于東側(cè)新建道路上。

1.6 基坑特點(diǎn)分析

目前近地鐵類的結(jié)建工程多與地鐵同期建設(shè)，或地鐵運(yùn)營(yíng)后采用單側(cè)結(jié)建的方式，而該工程是在運(yùn)營(yíng)地鐵兩側(cè)結(jié)建，且于地鐵兩側(cè)不同深度軟土處開挖深基坑，屬全國(guó)首例，無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)借鑒。

運(yùn)營(yíng)地鐵兩側(cè)基坑開挖深度差異較大，基坑受開挖期間不均衡側(cè)向土壓力影響，引起地鐵側(cè)向位移。基坑開挖卸荷導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)隆起，基坑降水帶動(dòng)地鐵結(jié)構(gòu)沉降，導(dǎo)致豎向變形。站體為剛性結(jié)構(gòu)，隧道區(qū)間管片為柔性結(jié)構(gòu)，兩者接駁處差異較大，基坑內(nèi)外兩側(cè)的盾構(gòu)隧道受開挖及降水影響也產(chǎn)生差異沉降。

造成地鐵變形事故的主要因素如下：①土方開挖階段地鐵兩側(cè)卸載，原地鐵周圍荷載變動(dòng)，易引發(fā)地鐵豎向、水平位移變形發(fā)展；②開挖順序和開挖工藝不合理，不當(dāng)?shù)拈_挖工藝或開挖順序加劇地鐵豎向、水平位移發(fā)展；③當(dāng)?shù)叵滤毓嗍┕r(shí)，回灌過程增加地下水，促使地鐵上浮。

2 基坑分倉(cāng)設(shè)計(jì)分析

分倉(cāng)方案比選階段圍繞地鐵變形控制指標(biāo)，經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)地鐵結(jié)建項(xiàng)目多將大基坑化整為零，采用跳倉(cāng)法施工，通過控制每個(gè)小倉(cāng)的變形，整體控制地鐵變形。

將整個(gè)建設(shè)區(qū)域分為13個(gè)小倉(cāng)，整體建設(shè)周期約7年，不滿足4.5年的總體建設(shè)工期，且該工程緊鄰北運(yùn)河，土層含水豐富，分倉(cāng)數(shù)量越多，越不利于控制地下結(jié)構(gòu)滲漏，同時(shí)不利于工程后期使用。小倉(cāng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 小倉(cāng)分倉(cāng)設(shè)計(jì)

2.1 大倉(cāng)小挖分倉(cāng)設(shè)計(jì)

近地鐵基坑施工時(shí)，加快基坑施工速度是降低基坑風(fēng)險(xiǎn)最有效的控制措施。在保證地鐵變形受控的情況下，盡量加大分倉(cāng)面積，再設(shè)計(jì)每個(gè)分倉(cāng)區(qū)域內(nèi)的內(nèi)支撐體系，將大倉(cāng)分成多個(gè)獨(dú)立單元。通過限定單次開挖面積，開挖分倉(cāng)內(nèi)部分區(qū)域，實(shí)現(xiàn)小挖，由此形成大倉(cāng)小挖的設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。

圖3 大倉(cāng)小挖分倉(cāng)設(shè)計(jì)

基于以上思路，從設(shè)計(jì)角度優(yōu)化支護(hù)體系及模擬工況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案及施工方案的可行性。通過優(yōu)化分倉(cāng)布置，減少基坑分倉(cāng)數(shù)量，很大程度上節(jié)約建設(shè)工期，同時(shí)，為控制地鐵變形，需結(jié)合分倉(cāng)布置合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，減少?gòu)?fù)雜水文地質(zhì)對(duì)基坑的影響。

根據(jù)模擬結(jié)果，按工程建設(shè)分期進(jìn)行分倉(cāng)，每個(gè)倉(cāng)通過設(shè)置對(duì)撐形成多個(gè)獨(dú)立的開挖單元。在建設(shè)周期、成本投入、變形控制預(yù)計(jì)效果方面，通過對(duì)比多重設(shè)計(jì)方案，分析各方案的可行性，在施工周期和變形控制預(yù)演中，大倉(cāng)小挖方案的各方面效果都優(yōu)于初步小基坑間隔跳倉(cāng)開挖方案：①工期 小基坑間隔跳倉(cāng)開挖方案建設(shè)周期約7年，大倉(cāng)小挖方案施工工期約4年；②地鐵變形 通過三維有限元模擬分析，按大倉(cāng)小挖方案施工，地鐵隆沉約9.29mm。

2.2 大倉(cāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地鐵兩側(cè)基坑采用同步對(duì)稱的施工方式，整體施工順序?yàn)?期→2期→3期→4期，大倉(cāng)方案分倉(cāng)設(shè)計(jì)平面如圖4所示。車站西側(cè)2A，3A期基坑深11.8m，采用直徑800～1 000mm鉆孔灌注樁+2道鋼筋混凝土桁架支撐。車站東側(cè)2B，3B期基坑深16.6～17.1m，采用1 000mm厚地下連續(xù)墻+3道內(nèi)支撐。

圖4 大倉(cāng)方案分倉(cāng)設(shè)計(jì)平面

基坑采用800mm厚水泥土攪拌墻止水，與既有車站地下連續(xù)墻形成封閉的止水帷幕，坑內(nèi)降水。止水帷幕墻底隔斷第一承壓含水層，第二承壓含水層無突涌風(fēng)險(xiǎn),水泥土攪拌墻長(zhǎng)30.6～41.0m。在基坑止水帷幕與地鐵車站及隧道止水帷幕連接處，施作φ1 800mm MJS超高壓旋噴樁封堵，確保接縫止水效果。

2.3 大倉(cāng)內(nèi)支撐體系設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制效果，采用對(duì)撐+角撐及邊桁架形式，如圖5所示，使基坑分成多個(gè)獨(dú)立單元，支護(hù)體系為整體設(shè)計(jì)，但通過分塊、分段開挖，實(shí)現(xiàn)各對(duì)撐間的獨(dú)立性，使各單元開挖期間不對(duì)相鄰單元產(chǎn)生附加應(yīng)力。

圖5 基坑整體內(nèi)支撐平面

以2期基坑為例，2A期內(nèi)支撐設(shè)計(jì)為混凝土環(huán)撐，出土棧橋采用臨時(shí)坡道+鋼棧橋形式；2B期基坑設(shè)計(jì)為微膨脹混凝土對(duì)撐。對(duì)撐及貼近地鐵結(jié)構(gòu)一側(cè)均設(shè)計(jì)加強(qiáng)板，并作為出土棧橋板使用，加強(qiáng)地鐵水平結(jié)構(gòu)控制效果。2A期支護(hù)采用換撐+對(duì)撐形式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，2A期南環(huán)直徑不足以設(shè)置出土坡道，故只在北環(huán)設(shè)置出土坡道，如圖6所示。對(duì)撐采用簡(jiǎn)易鋼棧橋連通兩個(gè)環(huán)，實(shí)現(xiàn)快速出土。

圖6 大倉(cāng)撐橋一體設(shè)計(jì)平面

2B期一側(cè)地鐵變形較大處設(shè)置內(nèi)扶壁地下連續(xù)墻，阻止地鐵結(jié)構(gòu)向2B期基坑一側(cè)傾斜。南北側(cè)車站與支護(hù)結(jié)構(gòu)連接部位、盾構(gòu)隧道與車站分界處設(shè)置內(nèi)扶壁地下連續(xù)墻(π形)，如圖7所示，以增加圍護(hù)剛度，并進(jìn)行留土護(hù)壁。

圖7 內(nèi)扶壁地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)平面

由于開挖深度不同，在2B期最后一步土方開挖高度設(shè)置間隔5.0m的鋼斜撐，以阻止地鐵結(jié)構(gòu)向2B期基坑一側(cè)傾斜，如圖8所示。并于鋼斜撐下部設(shè)置加筋墊層，輔助控制地鐵側(cè)向位移變形。

圖8 鋼斜撐設(shè)計(jì)剖面

2.4 大倉(cāng)降水設(shè)計(jì)

基坑降水方案綜合考慮地質(zhì)條件及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。降水整體采用坑內(nèi)疏干降水方案+減壓備用井的形式，坑外設(shè)置一定數(shù)量的觀測(cè)井，以便及時(shí)掌握坑內(nèi)外水位變化。

由于基坑內(nèi)有地鐵穿過，對(duì)降水要求較高，坑內(nèi)降水應(yīng)盡量減少對(duì)坑外的影響?；觾?nèi)降水井遵循淺埋原則，加大井底到止水帷幕底部的距離，進(jìn)而延長(zhǎng)地下水的繞流路徑，同時(shí)加大下部承壓水向上的越流補(bǔ)給路徑，減小基坑降水對(duì)坑外淺層水和下部承壓水的影響。

根據(jù)大倉(cāng)小挖分倉(cāng)模擬數(shù)據(jù)，確定2，3期基坑水位采取動(dòng)態(tài)控制方式，單井有效疏干面積按250m2考慮，并預(yù)留10%的備用井，分為降水和回灌部分，共同作用以控制地鐵變形，降水井分布情況如圖9所示。通過設(shè)置淺層疏干井、減壓井控制基坑施工過程中地下水頭高度，且地鐵結(jié)構(gòu)兩側(cè)基坑開挖深度不同，會(huì)導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，在地鐵結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)置回灌井作為水位動(dòng)態(tài)控制井，通過調(diào)節(jié)地鐵兩側(cè)水頭高差輔助控制地鐵側(cè)向位移。

圖9 基坑降水井布置平面

2.5 小挖施工方法

以2期基坑為例，基于時(shí)空效應(yīng)理論，確定兩側(cè)基坑采取對(duì)稱、平面分塊、豎向分層、優(yōu)先形成對(duì)撐的島式開挖方式，以減少土方開挖對(duì)地鐵變形的影響。按基坑開挖卸荷對(duì)地鐵影響程度，整體劃分為近地鐵區(qū)和遠(yuǎn)地鐵區(qū)，按支撐體系對(duì)基坑進(jìn)行分層、分塊。2A，2B期基坑分分別劃分為3，4層，如圖10所示。

圖10 基坑開挖分層

土方開挖順序由遠(yuǎn)地鐵向近地鐵開挖，優(yōu)先形成對(duì)撐，單次開挖面積控制在600m2內(nèi)，單次開挖量控制在2 500m3內(nèi)，施工段劃分如圖11所示。開挖時(shí)嚴(yán)格遵循預(yù)定方案，結(jié)合監(jiān)測(cè)、降水深度情況綜合動(dòng)態(tài)調(diào)整開挖步序，避免不均衡開挖導(dǎo)致地鐵扭曲變形。

圖11 施工段劃分示意

為防止基坑開挖到一定深度后，由于坑底下土體受未隔斷承壓水頂托突涌引發(fā)側(cè)向位移，因此深基坑應(yīng)按需、定量降水，確?；邮┕ぐ踩?。

2B期靠近地鐵20m范圍內(nèi)采用抽條開挖，每20m為一段，自南向北逐段抽條開挖，每段開挖完成后及時(shí)進(jìn)行墊層施工。墊層施工完成后，方可開挖下段土方。隨抽條開挖及時(shí)進(jìn)行墊層施工，減少基底暴露時(shí)間?；跁r(shí)空效應(yīng)理論，嚴(yán)格控制開挖面積、開挖量，限制開挖卸荷量。

3 實(shí)施效果

以2A，2B期基坑開挖為例，通過設(shè)計(jì)和施工措施，控制地鐵豎向隆起在10.3mm，控制上行線(向2B期一側(cè))地鐵側(cè)向位移在4.8mm(報(bào)警值為6mm)，差異沉降控制在0.17mm/10m，降水導(dǎo)致基坑周邊沉降2mm，總體相對(duì)穩(wěn)定?；邮┕み^程中，因措施得當(dāng)，地鐵車站主體和盾構(gòu)隧道變形始終受控，且變形趨勢(shì)穩(wěn)定，承壓水水位降深等值線如圖12所示。

圖12 承壓水水位降深等值線

通過大倉(cāng)小挖設(shè)計(jì)使工程直接節(jié)約成本約3 500 萬元?，F(xiàn)場(chǎng)方案實(shí)施效果良好，體現(xiàn)方案的優(yōu)越性。同時(shí)采用分塊、分段開挖實(shí)現(xiàn)大倉(cāng)小挖，縮短工期約3年。

4 結(jié)語

運(yùn)營(yíng)地鐵兩側(cè)基坑群大倉(cāng)小挖分倉(cāng)設(shè)計(jì)是通過分析、模擬特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)基坑的施工變形風(fēng)險(xiǎn)，以主動(dòng)控制為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)比工期、施工難度等方面，進(jìn)而形成的設(shè)計(jì)思路，單從變形控制角度進(jìn)行分析，基坑間隔調(diào)倉(cāng)設(shè)計(jì)變形控制要較大倉(cāng)小挖分倉(cāng)設(shè)計(jì)容易，但從工期角度出發(fā)，再結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)控制措施，達(dá)到同樣變形控制條件的同時(shí)，既節(jié)約建設(shè)成本，又節(jié)約建設(shè)工期，是新設(shè)計(jì)思路。