緊鄰三線地鐵的超大型深基坑施工控制措施研究

凌旭輝

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

伴隨著國內(nèi)經(jīng)濟長期的高速發(fā)展，城市化進程的不斷深入，越來越多的城市地下空間被開發(fā)利用，特別是近年興起的將各類住宅、商業(yè)、酒店、辦公、公共項目同軌道交通車站相互貫通，從而形成城市商業(yè)綜合體的模式成為一種大趨勢。這種組合方式不斷開工興建也使得相應(yīng)的基坑工程日益龐大，這些由多個在空間上相鄰、交叉、疊合的基坑組合而成的龐大工程，無論是施工技術(shù)、工程風(fēng)險、相互影響，還是對周邊環(huán)境產(chǎn)生的危害，都比單一基坑要復(fù)雜數(shù)倍。因而，這些復(fù)雜基坑群的施工過程對工程本體及周邊環(huán)境的危害，已經(jīng)成為城市基坑工程建設(shè)者們關(guān)注的新焦點，也逐漸成為工程技術(shù)領(lǐng)域一個非常重要的研究方向[1]。

本文以這類工程為研究背景，重點探討基坑開挖引起的主要風(fēng)險點和控制措施方法。

1 工程概況

上海前灘21號地塊屬于超大型綜合體項目，基坑占地面積近64 000 m2，整體地下4層（鄰近地鐵側(cè)地下2～3層），地上由2棟分別高200、150 m的辦公塔樓，4棟高150 m住宅及5層群體商業(yè)裙房串聯(lián)組成，總建筑面積近60萬 m2。

周邊緊鄰運營中的上海軌道交通6號線、8號線、11號線區(qū)間隧道，普遍挖深達20 m（圖1）。

圖1 工程周邊環(huán)境

本工程開挖深度至⑤2粉土層（圖2）。其中⑤2粉土、⑦粉砂層中的承壓水對本基坑開挖有突涌風(fēng)險，承壓水頭埋深3～11 m。

圖2 基坑典型剖面示意

根據(jù)本工程周邊環(huán)境、開挖深度及土層條件，1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)基坑圍護采用厚1 000、1 200 mm地下連續(xù)墻＋4～5道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐的圍護體系；4區(qū)、5區(qū)基坑圍護采用厚800、1 200 mm地下連續(xù)墻＋1道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐＋2道鋼支撐的圍護體系。迎土面采用φ850 mm@600 mm套打三軸水泥土攪拌樁止水帷幕（樁長30～40 m，水泥摻量20%）；地下連續(xù)墻接縫在止水帷幕以下部分設(shè)置φ2 200 mm的MJS旋噴樁止水。

2 超大深基坑主要風(fēng)險點分析

1）本項目地下空間開發(fā)體量巨大，整體土方開挖量達100萬 m3以上。如此大體量的基坑卸載，勢必引起坑底土體產(chǎn)生大范圍向上隆起，同時又疊加基坑圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形和坑周地層移動引起的變形，從而導(dǎo)致基坑周邊區(qū)域地面和鄰近軌交隧道區(qū)間的水平和豎向位移變形[1]。

2）多個相鄰、相接基坑同時或先后實施期間，工序較復(fù)雜，相互之間的影響工況較多，需確定有效的限制工況，既要確?；娱_挖、回筑的安全，又要有利于整個開挖周期。

3）由于項目地處前灘區(qū)域，地層復(fù)雜，特別是⑤2層微承壓水和⑦、⑨層承壓水間無隔水層，全部相互連通，而圍護體系插入深度無法全部隔斷承壓水，大體量坑內(nèi)疏干及減壓，勢必會引起鄰近軌交隧道區(qū)間和周邊道路、管線等沉降變形。

3 項目的分區(qū)籌劃和組織

以往工程的經(jīng)驗表明，軌交隧道的變形主要是由深大基坑坑底隆起、基坑圍護體系變形、較長時間抽取地下承壓水所引起，并與基坑卸載量的大小和施工時間的長短有關(guān)。因此，目前有效的控制方法是將大面積基坑區(qū)域劃分為若干個獨立的基坑，分階段、分時段進行基坑開挖施工。故綜合考慮本項目建筑物的類型、工期、安全、場地內(nèi)交通組織等因素，最終將本工程劃分為18個基坑（圖3），分5個分區(qū)、4個主要階段進行實施，主要流程如下：

圖3 基坑分區(qū)示意

1）優(yōu)先實施2棟超高層辦公塔樓所在的1a、1c區(qū)基坑，為了更有利于加快項目推進，基坑與互不影響基坑的樁基、基坑圍護施工穿插進行，故將1a、1c區(qū)基坑四周無論分隔墻還是外地下連續(xù)墻，均設(shè)計并施工有效的止水帷幕體系，減少坑內(nèi)減壓對周邊環(huán)境的風(fēng)險及影響。

2）待1a、1c基坑出±0 m后，開挖150 m住宅所在的1b、1d區(qū)基坑。

3）待1b、1d基坑出±0 m后，開挖2a、2b區(qū)基坑。

4）待2a、2b基坑出±0 m后，開挖3a、3b區(qū)基坑裙房基坑。4區(qū)、5區(qū)小坑穿插進行。

4 典型基坑實施數(shù)據(jù)分析

4.1 1c區(qū)基坑實施數(shù)據(jù)

項目1c區(qū)基坑地處項目東南側(cè)，緊鄰軌交6號線、11號線區(qū)間隧道，是項目基坑第1批次開挖基坑。地下4層，5道鋼筋混凝土支撐?；訌?1月1日開挖實施至次年1月27日完成底板澆筑，用時88 d。

從整個實施過程來看，均采用常規(guī)施工控制措施，并在較為正常的工期內(nèi)完成了至底板的所有工作。但此期間經(jīng)歷了15～20 K溫差的二次寒潮。最后，在該基坑底板完成后，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，軌交側(cè)地下連續(xù)墻變形、軌交隧道沉降及收斂變形均較大（圖4）。

圖4 地鐵側(cè)內(nèi)、外地下連續(xù)墻側(cè)向變形曲線

1）整個開挖階段，靠地鐵側(cè)大坑地下連續(xù)墻側(cè)向變形20 m深度以下最大達68 mm，地鐵側(cè)小坑最外側(cè)地下連續(xù)墻20 m深度以下最大達45 mm。

2）取3口1C區(qū)軌交側(cè)坑外降水觀察井?dāng)?shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 坑內(nèi)降壓與坑外降壓觀察井?dāng)?shù)據(jù)變化曲線

3）取基坑中間部位支撐軸力與開挖深度和二次寒潮降溫后的數(shù)據(jù)變化，如圖6所示。

圖6 第4、第5道支撐軸力變化

4）整個基坑開挖階段，離本基坑最近的軌交6號線、11號線下行段隧道的收斂數(shù)據(jù)、沉降數(shù)據(jù)，分別如圖7～圖10所示。

圖7 軌交11號線下行線隧道收斂變化曲線

圖8 軌交11號線下行線隧道沉降變化曲線

圖9 軌交6號線下行線隧道收斂變化曲線

圖10 軌交6號線下行線隧道沉降變化曲線

4.2 數(shù)據(jù)分析

以上匯總曲線數(shù)據(jù)表明：

1）本基坑開挖深度15 m以下，即第4道支撐以下開挖開始，圖4中地下連續(xù)墻測斜出現(xiàn)了明顯增加趨勢，測斜數(shù)據(jù)從25 mm變化到了底板完成后的68 mm；再分析圖7～圖10中軌交6號線、11號線收斂、沉降曲線數(shù)據(jù)圖，也可較直觀看到，第5道支撐開挖后，隧道收斂、沉降也呈大斜率的線性增長。2組數(shù)據(jù)均表明本基坑在15 m以下施工控制出現(xiàn)了較大的變化。初步分析原因，認(rèn)為15 m以下正處于緊鄰軌交隧道區(qū)間位置深度范圍，該深度較大面積開挖對隧道周邊土體擾動后，隧道敏感性較大，同時1c區(qū)底板施工期間土方開挖較快，但底板結(jié)構(gòu)施工跟進較慢，在沒有有效控制封底措施的情況下，增加了大面積暴露時間，降水減壓也拉長，故易引起地下連續(xù)墻側(cè)向變形和隧道各項數(shù)據(jù)的較大變化。

2）圖6中第4、第5道位于基坑中部區(qū)域的某點支撐軸力曲線圖顯示出一個較明顯、需引起重視的問題，本基坑第5道支撐及底板施工期間經(jīng)歷了2次15 ℃以上的急劇降溫，在降溫后，隨開挖深度的增加，第4道、第5道支撐軸力增加幅度很緩慢，甚至在寒潮當(dāng)天出現(xiàn)了軸力下降的異常數(shù)據(jù)。這說明在急劇降溫情況下，不對支撐采取有效防凍措施時，支撐軸力發(fā)展很慢，甚至不發(fā)展，從而加劇了后期地下連續(xù)墻的側(cè)向變形。

3）因地下連續(xù)墻僅能隔斷⑤2層微承壓水，無法隔斷⑦層承壓水，故從圖5中3口鄰近地鐵側(cè)坑外減壓觀察井降水曲線圖上可以看出，基坑在開挖底板前按需開啟了⑤2、⑦層減壓井后，雖然地鐵側(cè)回灌井同步開啟，但坑內(nèi)減壓降水對坑外水位仍舊有不小的直接影響，減壓延續(xù)時間越長，數(shù)據(jù)變化越明顯，這也附加引起隧道的沉降變形。

4）從圖8、圖10中又可清晰看出，地鐵隧道一旦受到較大擾動，隧道沉降的變化趨勢就將長時間存在，不是簡單地完成該區(qū)域底板、停止大規(guī)模減壓后即改變變形的趨勢，所以要注重前期措施保證，確保少擾動、少干擾。

5 后續(xù)改進控制措施

1）因需兼顧項目開發(fā)整體工期，超大型群坑開發(fā)雖劃分了多個基坑施工，但面對分坑后大基坑，普遍面積仍達10 000 m2左右，整體卸載量仍達20萬 m3以上，故采用時空效應(yīng)快速施工仍是一個重要的方法，當(dāng)位于地鐵隧道同等高度或以下開挖深度進行施工時，對地鐵隧道影響更大；特別是在底板施工階段，基坑暴露時間長，無法馬上回筑壓載，為了使后續(xù)基坑開挖過程中對地鐵隧道等的影響盡可能減小，基坑靠地鐵側(cè)范圍內(nèi)改用厚300 mm配筋墊層并設(shè)置施加預(yù)應(yīng)力的型鋼等措施，延緩底板回筑期間基坑的變形。同時在圍護設(shè)計時考慮在地鐵側(cè)坑底以下足夠?qū)挾鹊谋粍訁^(qū)進行較高強度的土體加固，減少土體隆起量。

2）鋼筋混凝土支撐荷載水平高，布置不受限制，適應(yīng)性強，但需混凝土養(yǎng)護達一定強度以后才能整體形成支撐作用，同時因混凝土材料本身收縮變形大，影響支撐內(nèi)力的增長，在溫度急劇變化的情況下，支撐軸力發(fā)展較慢，這些問題會引發(fā)較大的變形，故在冬季基坑施工期間，需要對混凝土支撐進行保濕保溫措施，如用棉被覆蓋。另外，本項目在后續(xù)1 d區(qū)基坑實施期間，第4、第5道支撐研發(fā)采用了1套鋼筋混凝土伺服系統(tǒng)（圖11）布置于地鐵側(cè)地下連續(xù)墻位置；該系統(tǒng)是對現(xiàn)有的圍檁體系進行改造，做成鋸齒帶凹槽形構(gòu)造，將帶有630 t千斤頂?shù)囊簤核欧靼卜庞趪鷻_凹槽內(nèi)（每幅地下連續(xù)墻2套），在混凝土強度未養(yǎng)護達到設(shè)計強度前，與傳統(tǒng)圍檁結(jié)構(gòu)一樣，由該圍檁體系凸出混凝土墩受力，為線荷載受力形式；當(dāng)混凝土支撐系統(tǒng)養(yǎng)護達到設(shè)計強度后，使用自動控制伺服系統(tǒng)分步加載千斤頂受力，使其讓地下連續(xù)墻和混凝土支撐圍檁體系完全分離，受力形式變?yōu)橛汕Ы镯斒芰Φ狞c荷載受力。該套系統(tǒng)在實施后，取得了不錯效果，大坑地鐵側(cè)地下連續(xù)墻變形控制在了2‰以內(nèi)。后續(xù)將進一步在其他基坑更大范圍應(yīng)用，積累數(shù)據(jù)。

圖11 混凝土伺服系統(tǒng)構(gòu)造示意

6 結(jié)語

針對復(fù)雜基坑群的施工過程對地鐵隧道及周邊環(huán)境的危害，本項目通過合理分區(qū)、分時段施工，并對基坑開挖過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，同時采取一系列改進措施和研發(fā)新型伺服控制系統(tǒng)后，取得了較好的實施效果，總結(jié)的經(jīng)驗可供工程技術(shù)人員進一步思考與實踐參考。