邻近地铁车站的深大基坑开挖方案比选分析*

上海建工集团股份有限公司总承包部 上海 200080

1 工程概况

1.1 工程简介

本基坑工程位于上海市浦东新区世博园区内，属滨海平原地貌类型。拟建场地原为世博园区国家自建馆（临时场馆）。该工程紧邻已建成的轨交13号线世博园站（埋深16.6 m），与地铁车站最近距离为10.87 m，与区间隧道的最近距离为13.27 m。

基坑东西方向长143 m，南北方向长149.5 m，地下3 层，占地面积20 260 m2，开挖深度为15.45 m，靠近地铁侧采用厚1 000 mm地下连续墙，墙深为36 m，地下连续墙插入⑤3层中3.35 m，插入比约为1∶1.3；其他三侧地下连续墙厚800 mm，墙深为34 m，地下连续墙插入⑤2层中约9.05 m，插入比约为1∶1.2。

由于本工程西侧紧临轨交13号线世博园站及其区间隧道，基坑开挖期间可能引起车站侧向变形，危及结构安全；同时本站结构主体及区间接头刚度差异较大，在土体变形作用下可能导致局部开裂。为将基坑开挖对地铁车站的扰动降至最小，基坑内有分隔墙将基坑分为地铁保护区Ⅰ、Ⅱ和非地铁保护区Ⅲ，分隔墙采用厚800 mm的地下连续墙，墙深为34 m，插入比为1∶1.2。其中地铁保护区采用4 道钢筋混凝土支撑，非地铁保护区采用3 道钢筋混凝土支撑。

1.2 地质条件

根据地质勘查资料，在深90.33 m范围内的地基土属于第四系晚更新世至全新世沉积物，主要由饱和黏性土、粉性土及砂土组成，一般具有成层分布特点。根据土的成因、结构及物理力学性质差异可划分为6 个主要层次（⑥、⑦、⑧层缺失）。场地的地下水，主要有浅部土层的潜水、中部土层中的微承压水和深部粉性土、砂土层中的承压水。地下水静止水位埋深一般在0.40～1.50 m之间。

2 基坑开挖施工方案分析[1-4]

2.1 土方开挖原则

基坑开挖、支撑及垫层施工应遵循分层、分块、对称、限时的原则。

2.1.1 留土护壁、限时开挖

开挖时先开挖中间土方，再限时开挖边坡土及施工支撑。每块挖土分区从土方开挖、支撑及先后施工的支撑对接形成总时间控制在72 h内。

2.1.2 强度、降水达标

第1道支撑混凝土强度达到80％，第2～4道支撑混凝土强度达到70％以上；疏干井降水深度达到开挖面以下1 m后方可进行开挖支撑以下的土层。

2.1.3 采取其他措施

（a）集中劳动力及机械设施，24 h不间断轮班作业。

（b）组织搭接施工，在确保施工安全的前提下，安排多工种同时施工。

（c）配备超长臂挖机，栈桥两侧同时取土。

（d）量化施工指标，细化的边坡土限时开挖完。

（e）支撑底模采用油毛毡隔离，加快施工进度（在下道支撑开挖过程中确保垫层已全部脱离）。

（f）钢筋采用成型钢筋，可考虑根据每层挖土分块情况，各块内支撑的钢筋直接在钢筋加工厂绑扎成型，至现场直接吊运入坑，与周边已施工支撑的预留钢筋对接，加快施工进度。钢筋连接由电焊连接改为作业时间比较短的直螺纹及冷扎接头等措施，利用时空效应原理，尽量减少基坑无支撑的暴露时间，严格控制基坑变形。相邻层的土方按1∶1.5分层放坡以防土体塌方。

2.2 基坑施工方案比选

在本基坑前期策划中，项目部要综合考虑周边基坑的开挖时间、周边环境和各家业主对工期的要求，对基坑的施工方案进行了研究，确定出以下3 种施工方案。

方案1：基坑分为地铁保护区（C2区）和非地铁保护区（C1区），C1区和C2区全部顺作法施工，C2区待C1区基坑土±0.00 m施工完成后进行土方开挖，如图1所示。

图1 方案1： C1、C2区顺作

方案2：地铁保护区C2区不变，C1区与C2区交接处设置宽20 m中间坝体C3区，C1、C2区域同步施工，C3区待C1、C2区域施工上部结构时，进行地下结构施工，中间坝体宽度根据建筑物之间的距离和设计计算确定，暂定为20 m，如图2所示。

方案3：基坑划分同方案1，地铁保护区采用逆作法施工，非保护区采用顺作法施工，C1区和C2区同步施工，如图3所示。

项目部从工期和经济的角度对各方案进行详细比选，最终从上述3 种施工方案中选出方案1作为最终的施工方案。比选方案如表1所示。

图2 方案2： C1、C2区之间有C3区20 m坝体

图3 方案3： C1区顺作、C2区逆作

表1 不同土方开挖方案概况

2.3 基坑施工工序比选

地铁保护区和非地铁保护区表皮土开挖、第1道支撑施工同期进行，此后地铁保护区停止施工，待非地铁保护区出±0.00 m后再继续往下开挖；为了满足工期的需求，拟将地铁保护区提前施工，待非地铁保护区地下2层顶板施工完就继续往下开挖。

为了研究在提前施工条件下，基坑开挖对周边地铁车站的影响、基坑之间的影响，运用平面有限元分析计算的方法，模拟比较2 种施工工序（正常工序、提前工序），对这2 种施工工序对周边环境的影响和基坑相互之间的影响进行分析，其结果如图4、图5所示。

上述2 种工序计算结果对比如表2所示。由上述图表可以看出，无论是正常工序，还是提前工序，基坑开挖的相互影响及其对地铁车站结构的影响很小，在设计允许变形范围内；且两种工序对车站结构的影响差别不大，从数值模拟分析得出项目部采取提前工序进行施工是可行的。

3 施工监测[5-8]

本工程在基坑施工过程中，对以下内容进行了监测：支撑的轴力，地下连续墙的变形，周边管线、共同沟的位移，立柱沉降，水位变化，地表沉降。这里主要选取地下连续墙墙体的变形监测情况对最终确定的开挖选型进行验证。

图4 正常施工工序计算结果

图5 提前施工工序计算结果

表2 不同工序结果比较

本文选取分隔墙上的13#、15#测点作为研究对象，图6是C1区从第1道支撑施工开始至地下2层顶板施工完成的实测墙体最大水平位移，其中纵坐标是围护体的最大水平位移，而横坐标是表示从第1道支撑施工时算起的累计时间。

从图中可以看出，开挖初期，由于只是将基坑面表皮土挖去，此时墙体最大位移不超过2 mm，总体围护结构并无明显变形，当基坑开始第2道支撑开挖后，围护结构变形开始明显增大，一直持续到底板施工结束，此时墙体最大位移为42 mm，但仍在设计允许的变形范围之中。

本文选取地铁侧地下连续墙上的5#、6#、7#、8#测点作为研究对象，图7是C2区从第2道支撑施工开始至底板施工完成的实测墙体最大水平位移，其中纵坐标是围护体的最大水平位移，而横坐标是表示从第2道支撑施工时算起的累计时间。

从图中可以看出，开挖初期，由于只是将基坑面表皮土挖去，此时墙体最大位移不超过3 mm，总体围护结构并无明显变形，当基坑开始第3道支撑开挖后，围护结构变形开始明显增大，一直持续到底板施工结束，此时墙体最大位移为44.75 mm，在设计允许的变形范围之中。

图6和图7中各测点水平位移都在设计允许的变形范围内，说明基坑开挖提前工序是合理的，在可控范围内。

图6 分隔墙最大水平位移-时间变化

图7 地铁侧地下连续墙最大水平位移-时间变化

4 结语

本文通过对邻近轨交13号线深大基坑开挖选型进行研究，并对不同开挖工序下对邻近地铁车站的影响以及基坑之间的相互影响进行了数值模拟分析，得出了以下结论：

（a）通过设置分隔墙将一个面积很大的基坑分为几个小的基坑分别进行开挖，这样可以减小一次卸载的面积，开挖快，形成支撑快，可以很好地控制周边环境及基坑自身的变形。

（b）相邻基坑开挖时，后开挖基坑无需等到先开挖基坑施工完成后再开挖，待先开挖基坑地下2层顶板施工完成后便可开始开挖，两者对周边环境的影响相差不大。