軟土地區(qū)雙側基坑施工對鄰近地鐵隧道的影響分析

季家俊

上?？辈煸O計研究院（集團）有限公司 上海 200093

隨著軌道交通建設的蓬勃發(fā)展，地鐵已逐漸成為城市交通的重要生命線。緊鄰地鐵的深基坑工程由于土體開挖的卸荷作用、降水引起的地下水位變化，將使地鐵隧道結構產生附加變形，尤其是軟土地區(qū)，因土體的蠕變特性，更不利于基坑變形控制。因此，如何有效控制基坑對地鐵隧道的變形影響，是地鐵保護區(qū)基坑設計的關鍵。

針對軟土地區(qū)基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響，不少專家學者已進行有益研究。王衛(wèi)東等[1]通過三維數值模擬，發(fā)現隧道受基坑開挖卸荷影響產生的位移主要為豎向隆起。況龍川[2]、肖同剛[3]結合上海地區(qū)工程實例與監(jiān)測數據分析了基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響。

目前，相關研究大多針對單個基坑對地鐵的影響展開[4-10]。本文以上海某區(qū)間隧道旁雙側基坑為例，從基于地鐵變形控制的基坑設計以及監(jiān)測數據分析兩方面進行論述，為類似項目提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑與地鐵隧道的相互關系

背景項目位于上海市閔行區(qū)顧戴路與萬源路路口。擬建場地內軌道交通12號線區(qū)間隧道斜向穿越，將基坑分為南區(qū)、北區(qū)2個獨立基坑?；痈艣r如表1所示。

表1 基坑概況

該區(qū)間隧道為弧形段，分為上行線與下行線，隧道頂埋深15.0～20.5 m。北區(qū)基坑平行于區(qū)間隧道的單邊長度約127 m，基坑邊線距隧道結構最近16.4 m（約1.3倍挖深），相應區(qū)段隧道頂最淺埋深18.2 m；南區(qū)基坑平行于區(qū)間隧道的單邊長度約163 m，地下1層鄰近地鐵，基坑邊線距隧道結構最近11.7 m（約1.8倍挖深），相應區(qū)段隧道頂最淺埋深15.0 m?；优c地鐵位置關系如圖1所示。

圖1 基坑與地鐵隧道相對位置關系示意

1.2 工程地質與水文地質條件

擬建場地屬濱海平原地貌，土層及其物理力學性質指標如表2所示。

表2 巖土物理力學性質指標

場地地下水主要由淺部的潛水、中部⑤2層的微承壓水及深部⑦層、⑨層的承壓水組成。上海地區(qū)潛水水位埋深0.5 m。依據現場抽水試驗，⑤2層微承壓水水頭約3.5 m，⑦層承壓水水頭約6.4 m。

依據DG/T J08-61—2018《基坑工程技術標準》驗算，南區(qū)地下1層僅深坑處不滿足⑤2層抗突涌穩(wěn)定性要求；南區(qū)地下2層及北區(qū)均涉及⑤2層承壓水突涌，⑦層滿足抗突涌穩(wěn)定性要求。

2 基于地鐵隧道變形控制的基坑設計

基坑設計時需要重點考慮實際條件。一方面，該項目雙側基坑距離區(qū)間隧道均較近，在基坑開挖主要影響范圍內，且與相鄰區(qū)間隧道平行長度大、影響范圍廣；另一方面，隧道自身為弧形段，對變形較敏感，且前期運營階段已有一定變形。因此，對地鐵隧道的變形控制是該項目基坑設計的難點與重點。

2.1 基坑變形設計控制要求

依據DG/T J08-61—2018《基坑工程技術標準》與上海地鐵保護技術標準，該項目基坑安全與環(huán)境等級，支護結構變形、周邊環(huán)境影響的控制標準如表3所示（表中H為基坑挖深）。

表3 基坑設計控制標準

2.2 基坑開挖對隧道變形的主要影響因素分析

本工程基坑開挖對隧道變形的影響因素主要包括以下幾個方面：

1）雙側基坑的施工順序。區(qū)間隧道兩側獨立基坑開挖均會引起隧道變形，應合理安排施工工序，減小基坑開挖的疊加影響。

2）支護體系的剛度。支護體系的剛度由支護樁的剛度與嵌入度、支撐體系的剛度組成。采用大剛度的支護樁與支撐體系，對控制基坑變形與穩(wěn)定性的作用顯著。

3）土質條件。依據研究及上海地區(qū)經驗，鄰地鐵側土體加固可有效改善土性，減小基坑變形。

4）地下水的控制。對地鐵保護區(qū)基坑，應該要嚴格控制地下水，尤其是承壓水水位，避免基坑周邊地下水位大范圍下降，造成土體有效應力增加，進而引發(fā)地表沉降與隧道變形。

5）施工影響。主要表現在施工超載、挖土方案、施工進度三方面?；邮┕獓栏裣拗瓶舆吺┕ず奢d，土方開挖應嚴格按“分層、分塊、對稱、平衡、限時”原則，并加快墊層、底板施工進度，充分利用飽和軟黏土地區(qū)的“時空效應”限制基坑變形。

2.3 基坑變形控制設計要點

針對上述主要影響因素，在基坑設計中分別采取了相應控制措施。

1）嚴控雙側基坑施工工序工況。該項目雙側基坑挖深差異大，且地鐵隧道為弧形段，地鐵兩側受力極不平衡，因此雙側基坑不能同步開挖。結合開挖進度要求，該項目施工順序為：南區(qū)-Ⅰ（地下2層）→北區(qū)→南區(qū)-Ⅱ（地下1層）。即對單個基坑而言，南區(qū)遠離地鐵側先施工，待出±0 m后方可開挖鄰近地鐵側地下1層區(qū)域；對雙側基坑而言，北區(qū)先開挖，先深后淺，待底板完成達到養(yǎng)護強度、基坑變形穩(wěn)定后，再開挖南區(qū)鄰地鐵側淺坑。

2）采用大剛度的支護樁。北區(qū)基坑挖深12.3～13.7 m，采用厚800 mm（一般區(qū)域）/1 000 mm（鄰地鐵側）地下連續(xù)墻，并增設槽壁加固，支護結構端布置于⑥層。南區(qū)-Ⅰ遠離地鐵，支護采用φ1 000 mm@1 200 mm灌注樁結合外排φ850 mm@1 200 mm三軸攪拌樁止水；南區(qū)-Ⅱ鄰近地鐵，支護采用φ850 mm@1 050 mm灌注樁結合外排φ850 mm@1 200 mm三軸攪拌樁止水，樁端置于⑤2層。

3）采用多重保險的止水體系。北區(qū)、南區(qū)-Ⅰ與南區(qū)-Ⅱ深坑區(qū)域均涉及⑤2層承壓水突涌問題，因此有效控制地下水、消除承壓水水位變化對地鐵的影響是關鍵。北區(qū)基坑整體采用地下連續(xù)墻支護，在地下連續(xù)墻隔斷⑤2層的基礎上，兩側槽壁與地下連續(xù)墻同長，相當于基坑擁有3道止水體系，多重保險，確保止水隔水效果。南區(qū)-Ⅰ與南區(qū)-Ⅱ三軸水泥土攪拌樁均隔斷⑤2層，且灌注樁與三軸水泥土攪拌樁之間增設壓密注漿，嚴格消除側壁地下水滲漏、承壓水突涌隱患。此外，北區(qū)、南區(qū)鄰地鐵側均設置坑外觀測井兼作回灌井，坑內降水井嚴格按“適時、適量、按需”原則疏干降水，以減小地下水位變化對鄰近地鐵隧道的影響，并在基坑開挖前進行試抽水，檢驗止水帷幕的可靠性。

4）鄰地鐵側增設裙邊加固。南區(qū)、北區(qū)對地鐵保護區(qū)范圍（地鐵隧道結構外邊線50 m）設置三軸水泥土攪拌裙邊滿堂加固以改善土性，加固寬度5.65 m（南區(qū)）/8.65 m（北區(qū)），加固深度自第1道支撐底至坑底下5.0 m。

5）支撐布置時突出對地鐵的保護。南區(qū)、北區(qū)支撐布置形式均采用大剛度的十字對撐形式，對撐間距9 m，主撐方向垂直于地鐵走向，支撐體系受力明確，有利于地鐵側的變形控制。支撐體系中首道支撐設置棧橋，棧橋布置為坑內環(huán)通，避免土方重車于基坑挖土期間在地鐵側反復碾壓，嚴控施工超載。

6）嚴控施工組織。對于施工組織，鄰地鐵側施工超載不得大于20 kN/m2，并嚴禁作為出土路線，避免泵車等施工機械停靠；對于土方開挖，應嚴格按“分層、分塊、對稱、平衡、限時”原則，沿地鐵側土方最后挖除，墊層隨挖隨澆，底板在開挖到底后10 d內完成。

2.4 基坑支護方案綜述

綜上所述，支護結構方案匯總如表4所示，支撐平面布置如圖2所示（陰影處為棧橋）。

圖2 支撐平面布置示意

表4 基坑支護方案

3 基坑監(jiān)測數據分析

該項目基坑遵循南區(qū)-Ⅰ→北區(qū)→南區(qū)-Ⅱ的施工順序，2018年12月開始施工，2019年12月基坑全部回填完成。

3.1 支護結構變形分析

3.1.1 南區(qū)-Ⅰ監(jiān)測數據分析

南區(qū)-Ⅰ挖深11.45 m，位于地鐵保護區(qū)外，支護采用灌注樁＋2道支撐。本區(qū)最大測斜4.7 cm（設計控制值3.5 cm），主要受坑邊超載影響。

圖3為部分測點在主要工況下的測斜曲線。

圖3 南區(qū)-Ⅰ不同工況下側向變形示意

從圖3中可以得出以下結論：

1）測斜曲線呈拋物線形，最大側向位移4.7 cm、位于基坑開挖面以上（約0.7倍挖深位置）。

2）基坑開挖到底至底板澆筑前的變形速度最大，開挖階段變形量約占總變形量的80%。

3）受基坑拆換撐及軟土蠕變影響，基坑回填前的累計變形不容忽視。

3.1.2 北區(qū)監(jiān)測數據分析

北區(qū)基坑挖深12.3～13.7 m，基坑邊線距隧道結構16.4～27.1 m，支護采用地下連續(xù)墻＋槽壁加固＋3道支撐。本區(qū)最大測斜4.7 cm，高于設計控制值（3.5 cm）。本區(qū)鄰地鐵側最大測斜2.8 cm（設計控制值1.8 cm），基坑大部分區(qū)域滿足地鐵保護區(qū)嚴苛的變形控制要求。

圖4為鄰地鐵側測點在主要工況下的測斜曲線。

從圖4中可以得出以下結論：

圖4 北區(qū)-Ⅰ不同工況下側向變形示意

1）測斜曲線呈拋物線形，基坑塔樓處因挖深較深、應力集中，基坑變形大于一般區(qū)域。

2）基坑變形主要由基坑開挖引起，開挖階段變形量約占總變形量的90%，最大側向位移位于基坑開挖面以上（約0.8倍挖深位置）。

圖5為北區(qū)坑外地下水位隨時間的變化情況。

圖5 北區(qū)坑外潛水水位歷時曲線

從圖5中可以得出以下結論：

1）基坑施工期間坑外水位較平穩(wěn)，最大水位變化0.8 m；此外，基坑施工期間無顯著滲漏與突涌出現，說明通過多重保險的止水帷幕，止水效果可靠、地下水位變化對鄰近地鐵隧道產生的影響微小。

2）基坑開挖期間受基坑降水影響，坑外水位下降，基坑底板澆筑完成后，地下水位逐漸恢復并趨于穩(wěn)定。

3.1.3 南區(qū)-Ⅱ監(jiān)測數據分析

南區(qū)-Ⅱ基坑挖深6.5 m，基坑邊線距隧道結構11.7～13.6 m，支護采用灌注樁＋1道支撐（型鋼斜撐換撐）。本區(qū)鄰地鐵側最大測斜1.0 cm（設計控制值0.9 cm），滿足變形控制要求。

圖6為鄰地鐵側部分測點在主要工況下的測斜曲線。

圖6 南區(qū)-Ⅱ不同工況下側向變形示意

從圖6中可以得出以下結論：

1）由于鄰地鐵側設置裙邊加固，且增設斜撐換撐，基坑測斜變形較小。

2）對比南區(qū)-Ⅰ、北區(qū)基坑測斜曲線可見，對挖深較淺的單道支撐基坑而言，拆撐后基坑頂部變形顯著增大，測斜曲線由拋物線形變?yōu)樘菪?；對挖深較深的多道支撐基坑而言，受中樓板換撐約束，測斜曲線始終呈拋物線形。

3.2 地鐵區(qū)間隧道監(jiān)測數據分析

3.2.1 區(qū)間隧道豎向沉降分析

區(qū)間隧道在雙側基坑主要工況下的沉降如圖7所示。

圖7 區(qū)間隧道不同工況下沉降曲線示意

從圖7中可以得出以下結論：

1）區(qū)間隧道受基坑開挖卸荷影響，變形表現為上抬隆起，且中部變形大于端部，隧道受影響范圍大于基坑施工范圍，影響程度逐漸衰減。

2）隧道上行線在施工過程中最大隆起量為8.9 mm，下行線最大隆起量為9.0 mm，雙側基坑對區(qū)間隧道的影響可控，基于變形控制的基坑設計效果較好。

3）從具體施工過程中看，以最大隆起變形點31#為例，北區(qū)開挖引起的隆起量為6.9 mm，南區(qū)-Ⅱ開挖引起的隆起量為2.1 mm，地下結構完成、變形穩(wěn)定階段的隆起量最終為7.5 mm，北區(qū)對隧道的影響更大。

3.2.2 區(qū)間隧道水平收斂位移分析

區(qū)間隧道在雙側基坑主要工況下的隧道水平位移曲線如圖8所示（以下行線為例）。

圖8 區(qū)間隧道下行線不同工況下水平位移曲線示意

從圖8中可以得出以下結論：

1）區(qū)間隧道水平位移受自身結構、管片拼接影響較大，變形數據離散性較大。

2）區(qū)間隧道水平位移總體表現為拉伸，水平位移施工過程中最大變形量為4.7 mm，曲線同樣表現出中部大于端部的特征。

3）最大水平位移點同樣為31#斷面，北區(qū)開挖引起的變形量為2.9 mm，南區(qū)-Ⅱ開挖引起的變形量為1.8 mm，地下結構完成、變形穩(wěn)定階段最終的水平位移為3.2 mm，北區(qū)對隧道的影響更大。

4 結語

本文依托工程實例，從基于變形控制的基坑設計與實際監(jiān)測數據反饋，研究軟土地區(qū)雙側基坑對鄰近地鐵隧道的影響，主要得出以下結論：

1）鄰近地鐵的雙側基坑應嚴格控制施工工序，減小對地鐵變形的疊加影響；對單個基坑而言，可采用增大支護樁剛度、增設裙邊加固、支撐布置突出對地鐵側約束保護等方式來減小基坑卸荷的影響，可采用多重保障的止降水體系來減小基坑對地下水位，尤其是承壓水的影響，基坑施工時應充分利用時空效應。

2）監(jiān)測數據顯示，本項目鄰地鐵側支護結構，在基坑施工全過程中的最大側向位移為2.8 cm（約挖深的0.20%），淺坑處為1.0 cm（約挖深的0.15%），區(qū)間隧道施工過程中的最大隆起量為9.0 mm，最大水平拉伸為4.7 mm，表明基于隧道變形控制的基坑設計效果較好。

3）支護結構測斜曲線呈拋物線形，最大側向位移點位于開挖面以上，基坑總變形量以開挖階段變形量占主導，但拆撐及基坑回填前的蠕變不容忽視。

4）區(qū)間隧道受基坑開挖卸荷影響的主要表現為上抬隆起、水平拉伸，且中部變形大于端部，影響程度逐漸衰減，水平位移離線性較大。