東錢湖集散中心與軌道交通共建基坑實(shí)例分析

史世雍，周 韜

寧波寧大地基處理技術(shù)有限公司，浙江寧波 315211

0 引言

隨著軌道交通工程的迅猛發(fā)展，民用基坑和軌道交通基坑相鄰甚至相互嵌套的情況越來越多［1-2］。兩者單獨(dú)支護(hù)會(huì)造成支護(hù)體系浪費(fèi)，施工相互交叉、影響不利于整體工期的控制及軌道交通的保護(hù)，共坑設(shè)計(jì)能有效解決上述問題。謝小林［3］結(jié)合上海城市核心區(qū)商業(yè)開發(fā)項(xiàng)目與地鐵車站同期共建工程實(shí)踐，針對該類基坑工程的若干設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)，包括項(xiàng)目與地鐵統(tǒng)籌合建、管線與道路遷改、歷史保護(hù)建筑下方增設(shè)地下室等，提出了分區(qū)統(tǒng)籌、管線與道路遷改分離、保護(hù)建筑平移逆作等設(shè)計(jì)技術(shù)對策。謝炯［4］結(jié)合地鐵車站、隧道與地塊開發(fā)建筑共建的上海日月光中心地下綜合體工程實(shí)踐，對軟土地區(qū)建造大型地下綜合體所面臨的巖土工程問題及工程技術(shù)對策進(jìn)行了分析總結(jié)。施佩文［5］結(jié)合上海盧灣區(qū)65號地塊南區(qū)發(fā)展項(xiàng)目，研究與地鐵共建地下空間開發(fā)項(xiàng)目實(shí)施過程中的難點(diǎn)及思路，并進(jìn)行合理有效的項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)籌劃。賈堅(jiān)［6］結(jié)合改建鐵路寧波站綜合交通樞紐工程設(shè)計(jì)情況，分析了我國軟土地區(qū)以鐵路客站與換乘地鐵為主體，綜合公交車站、客運(yùn)站等其他換乘交通的地下空間一體化建設(shè)工程，特別對其實(shí)施籌劃及基坑開挖中的臨時(shí)鐵路便橋設(shè)計(jì)，一體化建設(shè)的結(jié)構(gòu)統(tǒng)籌，以及縱向沉降耦合等問題進(jìn)行了深入研究，提出了合理有效的應(yīng)對措施。

本項(xiàng)目屬于民用基坑和軌道交通基坑相互嵌套的地下綜合體。通過協(xié)調(diào)統(tǒng)籌采用共坑設(shè)計(jì)，結(jié)合地下結(jié)構(gòu)臨時(shí)增層支護(hù)設(shè)計(jì)調(diào)整，在分析軟土地區(qū)共建基坑及地下結(jié)構(gòu)增層的支護(hù)設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對基坑變形特征進(jìn)行對比分析。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

東錢湖新城旅游交通集散中心位于寧波市東錢湖畔，軌道交通4 號線東錢湖站（包括存車線段）從集散中心中部橫穿而過，兩個(gè)項(xiàng)目同期開發(fā)建設(shè)，東錢湖集散中心基坑面積約20 000 m2，計(jì)算挖深9.45～12.55 m，東錢湖站計(jì)算挖深約16.5 m。見圖1～3。

圖1 東錢湖集散中心與軌道交通共建基坑現(xiàn)場鳥瞰圖

圖2 共建基坑平面

圖3 共建基坑建成后實(shí)景

1.2 協(xié)調(diào)統(tǒng)籌共坑設(shè)計(jì)

根據(jù)集散中心及軌道交通4號線東錢湖站施工工期要求，可采用共坑設(shè)計(jì)或先施工地鐵車站基坑兩個(gè)方案，見表1。

表1 不同建造模式方案比選

由表1 可知，共坑設(shè)計(jì)方案在經(jīng)濟(jì)性、安全性和施工便利性上均具有明顯優(yōu)勢。集散中心與地鐵車站兩者相輔相成，相互進(jìn)度上具有一定的可協(xié)調(diào)性，且共建基坑方案對于兩個(gè)項(xiàng)目的綜合工期也是有優(yōu)勢的。

綜合上述因素，經(jīng)雙方建設(shè)單位協(xié)商，集散中心范圍內(nèi)的地鐵深坑、出入口與集散中心作為整體基坑共同設(shè)計(jì)、施工，以下簡稱“共建基坑”。

1.3 工程地質(zhì)概況

場地屬于濱海淤積和沖湖積平原，淺部廣泛分布厚層（25～35 m）軟土，工程地質(zhì)條件差。場地地層及其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2 土層物理力學(xué)性質(zhì)匯總

1.4 開挖期間規(guī)劃調(diào)整

共建基坑開挖至坑底并進(jìn)行底板基礎(chǔ)施工時(shí)，地鐵規(guī)劃出現(xiàn)調(diào)整，東錢湖站由終點(diǎn)站改為中間站，新增東延伸段（即原存車線段兩側(cè)各預(yù)留一段軌道線路及工作井供后期開發(fā)線路連接使用），在原集散中心大坑下需再下挖7 m，共建基坑原有的支護(hù)體系無法滿足要求，需進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)增層支護(hù)設(shè)計(jì)。

1.5 共建基坑設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

1）設(shè)計(jì)方案應(yīng)兼顧集散中心和地鐵車站的建設(shè)進(jìn)度要求。

2）集散中心和地鐵車站形狀不規(guī)則且差異很大，兩者結(jié)構(gòu)標(biāo)高差異較大，地鐵深坑開挖方案設(shè)計(jì)難度大。

3）開挖范圍內(nèi)均為流塑狀淤泥或淤泥質(zhì)土，厚度25～35 m，具有低強(qiáng)度、高壓縮性，物理力學(xué)性質(zhì)差，基坑變形控制難度大。

4）受基坑開挖及施工條件制約，地下結(jié)構(gòu)增層支護(hù)設(shè)計(jì)難度大，樁基施工難度也較大。

5）受集散中心交付時(shí)間限制，地下結(jié)構(gòu)增層區(qū)域?qū)Σ饟Q撐設(shè)計(jì)要求高，傳力體系較為復(fù)雜。

2 設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

集散中心基坑挖深9.45～12.55 m，采用?800～1 000 mm鉆孔灌注樁＋兩道鋼筋混凝土支撐的形式。

地鐵深坑緊鄰坑邊區(qū)域基坑挖深約16.5 m，采用800 mm厚地下連續(xù)墻＋四道支撐的形式。地鐵深坑與集散中心交界面高差約7 m，受地鐵疊合墻結(jié)構(gòu)條件限制，采用800 mm 厚地下連續(xù)墻＋兩道支撐的形式，交界面部位地下連續(xù)墻墻頂標(biāo)高為地面下9.7 m，為保證落低墻成槽及混凝土澆筑穩(wěn)定性，地連墻采用C20素混凝土超灌至地面。地連墻接縫外側(cè)設(shè)置?600@400高壓旋噴樁。

2.2 總體工程籌劃

共建基坑土方整體同步開挖，以加快地鐵深坑施工進(jìn)度為原則，整體挖土順序由東北往西南推進(jìn)，并在地鐵深坑西南設(shè)置棧橋以便深坑出土，地鐵深坑高差部位需待東北側(cè)集散中心及出入口底板，和西南側(cè)集散中心及出入口30 m范圍底板完成后下挖。

2.3 支撐平面及豎向布置

2.3.1 支撐平面布置及出土方式

集散中心開挖面積大，一道與二道采用鋼筋混凝土支撐，土方開挖采用支撐上方掏挖方式。采用角撐結(jié)合對撐的布置形式，可以做到分段加撐和拆撐。地鐵上方支撐布置盡可能和三道與四道支撐重合，便于挖土機(jī)械直接在棧橋上方分倉掏挖深坑土方。見圖4。

圖4 一道與二道支撐平面布置及出土方式（大坑）

地鐵深坑呈狹長形，受高差區(qū)域冠梁施工影響，第三道采用鋼筋混凝土支撐，第四道采用鋼管支撐，以減少無支撐體系暴露時(shí)間。棧橋東北區(qū)域通過長臂挖機(jī)從施工棧橋上掏挖出土。棧橋西南區(qū)域基坑面積大，采用中心島式開挖并從運(yùn)土坡道出土。見圖5。

圖5 第三道鋼筋混凝土支撐及第四道鋼管支撐平面布置（小坑）

2.3.2 支撐豎向布置

支撐的豎向布置需綜合考慮以下幾個(gè)因素（圖6）：

1）一道支撐上需要設(shè)置施工棧橋，為便于車輛通行，減少爬坡，一道支撐面與地面之間的高差不宜過大。第一道支撐底距底板面高差亦不宜太大，以防二道支撐拆撐時(shí)變形較大。一道支撐位于地鐵標(biāo)準(zhǔn)段頂板上方以確保一道支撐拆撐前完成標(biāo)準(zhǔn)段部位頂板施工，減少地鐵深坑部位一次鋼管換撐。

2）挖土凈高要求：為保證中型挖機(jī)（PC-120）及運(yùn)土車輛的施工操作面，一道與二道支撐凈高不小于3.8 m；為保證小型挖機(jī)（PC-60）的施工操作面，二道與三道、三道與四道、四道支撐與底板墊層底凈高不小于2.8 m。

3）三道支撐涉及地鐵深坑和集散中心高差的支護(hù)，該道支撐面宜設(shè)置在集散中心底板底附近。

2.4 控制變形措施

2.4.1 主動(dòng)區(qū)加固

地鐵深坑?xùn)|側(cè)局部緊貼坑邊，計(jì)算挖深達(dá)16.5 m，挖深明顯大于集散中心（平均挖深9.5 m），為了有效解決該處土壓力不平衡的問題，集散中心坑底主動(dòng)區(qū)采用?850@600三軸攪拌樁裙邊加固，同時(shí)在坑底設(shè)置配筋加強(qiáng)墊層以提供抗力。

2.4.2 被動(dòng)區(qū)加固

開挖范圍內(nèi)為流塑狀的淤泥或淤泥質(zhì)土，物理力學(xué)性質(zhì)差，基坑變形控制難度大。地鐵深坑坑底采用?850@600三軸攪拌樁抽條加固，抽條寬度3 m，間距3 m，加固深度3 m。地鐵出入口坑內(nèi)采用?850@600三軸攪拌樁結(jié)合?800@600高壓旋噴樁裙邊加固，總寬度3.75 m，加固深度3 m。加固體上部坑內(nèi)土體均采用弱加固形式。

集散中心西側(cè)靠玄武路橋梁及南側(cè)中段坑底采用?850@600 三軸攪拌樁和?800@600 高壓旋噴樁裙邊加固，總寬度3.75 m，加固深度3 m；其余區(qū)域未采取被動(dòng)區(qū)加固。

2.5 地下結(jié)構(gòu)增層支護(hù)設(shè)計(jì)

2.5.1 整體施工工序

規(guī)劃調(diào)整導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)臨時(shí)增層（圖7）。具體施工工序如下：集散中心底板及地鐵深坑-2F樓板施工→增層區(qū)域二道環(huán)梁及鋼管斜撐施工→共建基坑二道混凝土支撐拆除→部分立柱割除與托換→坑內(nèi)外支護(hù)樁及支護(hù)體系施工→增層區(qū)域深坑開挖、主體結(jié)構(gòu)施工。

2.5.2 立柱割除與托換

共建基坑已完成底板基礎(chǔ)施工，新增支護(hù)樁與原支撐立柱沖突部位需割除原立柱并進(jìn)行立柱托換，見圖8。

圖8 增層區(qū)域立柱割除及托換

2.5.3 坑內(nèi)支護(hù)樁

坑內(nèi)高差區(qū)域基坑挖深7.0 m，采用新增鉆孔樁＋兩道支撐支護(hù)形式?？觾?nèi)支護(hù)樁施工工作面及機(jī)械設(shè)備凈高受限（一道支撐尚無法拆除，凈高僅為8.7 m），選用低凈空樁架設(shè)備進(jìn)行施工，見圖9。

圖9 增層區(qū)域坑內(nèi)低凈空樁架設(shè)備施工

2.5.4 深坑鄰邊疊合支護(hù)樁

地鐵深坑緊貼坑邊區(qū)域計(jì)算挖深由9.45 m 加深至16.5 m，調(diào)整為新增疊合鉆孔樁＋四道支撐支護(hù)形式，原集散中心支護(hù)樁樁長及配筋不滿足要求，現(xiàn)有場地?zé)o條件新設(shè)地下連續(xù)墻，故考慮在坑外新增一排大直徑鉆孔樁，同時(shí)充分利用原有老支護(hù)樁，新老排樁之間打設(shè)高壓旋噴樁加強(qiáng)整體性，新增疊合樁節(jié)點(diǎn)做法見圖10，旋噴樁加固標(biāo)高位于開挖面以下，前后排樁通過加寬冠梁連接疊合使用。

圖10 增層區(qū)域深坑鄰邊新增疊合樁設(shè)計(jì)

2.5.5 支撐布置

第一道支撐利用共建基坑原一道混凝土支撐，第二道支撐需要重新設(shè)置，為鋼管斜撐，撐到集散中心底板或已施工的地鐵存車線中板位置。三道及四道為新設(shè)對撐支撐，三道支撐面同集散中心底板面，四道支撐標(biāo)高同原共建基坑地鐵深坑內(nèi)換撐支撐標(biāo)高，出于支撐傳力的需要，增層設(shè)計(jì)區(qū)域周邊地鐵深坑內(nèi)的換撐支撐暫不拆除。見圖11、圖12。

圖11 增層區(qū)域二～四道支撐平面布置

2.5.6 拆換撐措施

為滿足集散中心工期節(jié)點(diǎn)，增層區(qū)域采用非常規(guī)的拆撐順序，即增層區(qū)域設(shè)置相應(yīng)換撐措施后提前拆除第一道支撐。主要換撐措施如下：

1）同步設(shè)置深坑底板換撐板帶及集散中心-1F樓板位置傳力構(gòu)件，確保第四道和第一道支撐可安全、同步拆除。見圖13、圖14。

圖13 第一道及第四道支撐同步拆除后工況平面

圖14 第一道及第四道支撐同步拆除后工況剖面

2）第三道圈梁作為結(jié)構(gòu)暗梁設(shè)置于集散中心底板內(nèi)，確保整個(gè)拆撐過程中，深坑鄰邊部位豎向至少有三道傳力體系。

3 數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1.1 計(jì)算模型及參數(shù)

鑒于本工程的重要性和復(fù)雜性，特采用Midas數(shù)值模擬分析軟件，根據(jù)基坑實(shí)際的開挖工況，對整體基坑變形進(jìn)行建模及定量分析。見表3、圖15。

表3 HS本構(gòu)模型各土層計(jì)算參數(shù)匯總

圖15 數(shù)值模擬計(jì)算模型

模擬工況如下：初始應(yīng)力場計(jì)算→支護(hù)樁及加固樁施工→開挖至第一道支撐底、施工支撐→開挖至第二道支撐底、施工支撐→開挖至淺坑坑底及第三道支撐底→深坑周邊30 m 范圍淺坑底板施工及第三道支撐施工→深坑開挖至第四道支撐底、施工支撐→深坑挖至坑底→深坑底板施工。

3.1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，地鐵深坑最大側(cè)向變形約51 mm，集散中心最大側(cè)向變形約56 mm，坑內(nèi)高差區(qū)域最大側(cè)向變形約30 mm。見圖16。

圖16 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果（深坑挖至坑底工況）

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.2.1 監(jiān)測內(nèi)容

為保證基坑自身安全及控制基坑開挖對周邊環(huán)境影響，對支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。見圖17、圖18。主要監(jiān)測項(xiàng)目包括深層水平位移、基坑頂水平（豎向）位移、地下水位、支撐內(nèi)力、立柱豎向位移、周邊構(gòu)筑物豎向位移等，在整個(gè)施工過程中，變形始終在一個(gè)可控的范圍內(nèi)變動(dòng)，整個(gè)基坑施工期間未對周邊環(huán)境產(chǎn)生明顯影響。

圖17 共建基坑監(jiān)測平面布置

圖18 增層區(qū)域基坑監(jiān)測平面布置

3.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

1）共建基坑土體深層水平位移

自基坑開挖到基坑回填期間土體深層水平位移為29～69 mm，變形主要位于0.2%～0.5%H區(qū)間（H為基坑挖深），基本滿足一級基坑變形控制要求［7］，部分位于0.5%～0.7%H區(qū)間（圖19），與基坑局部暴露時(shí)間較長，受現(xiàn)場土質(zhì)條件差、時(shí)空效應(yīng)及周邊荷載等影響因素有關(guān)。CX1～CX4深坑鄰邊部位土體深層水平位移為34.8～62.0 mm，主要與空間效應(yīng)密切相關(guān)。CX12、CX26深坑鄰邊部位土體深層水平位移為29～30 mm，主要與空間效應(yīng)密切相關(guān)。CX20位于圓弧弧頂部位位移相對較小，土體深層水平位移約為29.6 mm。集散中心其余部位土體深層水平位移為51.6～69 mm，與上述區(qū)域土質(zhì)較差且未進(jìn)行坑底被動(dòng)區(qū)加固相關(guān)。

圖19 土體深層水平位移與基坑挖深比值

基坑典型部位（CX2 與CX15）實(shí)測位移與數(shù)值模擬分析結(jié)果對比見圖20，兩者變形規(guī)律基本吻合，地鐵深坑局部暴露時(shí)間較長，受時(shí)空效應(yīng)及周邊荷載影響，實(shí)測變形略大于計(jì)算變形。

圖20 數(shù)值模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

2）增層區(qū)域土體深層水平位移

增層區(qū)域空間效應(yīng)好，深坑鄰邊區(qū)域?qū)崪y土體深層水平位移為26.12～28.55 mm，坑內(nèi)高差區(qū)域?qū)崪y土體深層水平位移為16.88～23.74 mm，變形位于0.2%～0.25%H區(qū)間（H為基坑挖深）?；拥湫筒课唬–X-F與CX-C）實(shí)測變形見圖21。

圖21 增層區(qū)域土體深層水平位移曲線

4 結(jié)論

共建基坑設(shè)計(jì)施工難度大，施工工序復(fù)雜。通過解決總體工程籌劃、支撐平面及豎向布置、變形控制措施、落低墻節(jié)點(diǎn)處理等設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，可有效減少共建基坑相互影響，降低支護(hù)費(fèi)用，縮短整體工期［8］。

開挖期間地下結(jié)構(gòu)臨時(shí)增層設(shè)計(jì)需考慮施工限制條件、支護(hù)樁設(shè)備選型受限、拆換撐工序復(fù)雜、深坑鄰邊支護(hù)加強(qiáng)、立柱托換等綜合因素，利用原支護(hù)體系與拆換撐技術(shù)措施保證其順利實(shí)施［9］。

利用三維數(shù)值模擬分析了共建基坑的整體變形特征，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，變形規(guī)律及量值總體吻合。

本項(xiàng)目基坑工程實(shí)踐所得的設(shè)計(jì)技術(shù)思路和方法，能為類似的深大基坑工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。