邻近既有隧道的软土地区深基坑设计与监测分析

李成巍

（上海申元岩土工程有限公司，上海市200040）

邻近既有隧道的软土地区深基坑设计与监测分析

李成巍

（上海申元岩土工程有限公司，上海市200040）

现以新龙广场项目深基坑工程为背景，介绍在软土地区紧邻既有隧道的复杂环境条件下，深基坑变形控制的设计方法，以及针对变形控制目标采取的一系列设计施工措施。为了减小基坑降压对周边环境的不利影响，某工程采用了超深三轴水泥土搅拌桩隔断承压水含水层。通过基坑监测数据的分析表明，该基坑工程采取的相关技术措施，有效地控制了基坑开挖对周边保护对象的影响，可以为类似工程提供一定的参考。

既有隧道；槽壁加固；被动区土体加固；超深三轴水泥土搅拌桩

0 引言

随着城市地下空间开发的不断发展，越来越多的基坑工程不可避免地会遇到地铁隧道、电力隧道、市政隧道、综合管廊等地下构筑物。特别是在沿海软土地区，基坑工程对周边环境的影响较大，如若应对不当，则将对临近的地下构筑物造成破坏，危及相关地下构筑物的运营安全。围绕着基坑工程对周边环境的影响和变形控制技术研究，一直是行业内的热点问题之一。

针对基坑工程施工工况下既有隧道的变形控制问题，国内的学者进行了大量有意义的研究工作。谢雄耀等[1]研究了基坑开挖引起下卧既有电力隧道变形的控制技术，并研制了一套远程自动化结构实施变形监测系统；张屹等[2～3]结合实际工程案例，研究了基坑开挖对既有电力隧道的影响，给出了电力隧道保护区范围建议；闫静雅等[4～8]对邻近运营地铁隧道的深基坑设计施工技术进行了分析，并结合工程实例，提出了临近地铁隧道的基坑设计施工和监护要点。

本文以新龙广场项目基坑工程为例，针对该项目临近既有的电力隧道和地铁隧道，基坑变形控制要求非常严格的情况，分析了基坑工程变形控制的一系列设计施工措施，并结合基坑实施情况和监测数据，对项目实施效果进行了验证，其成果可以为类似基坑工程的设计施工提供一定的参考。

1 工程概况

新龙广场项目位于上海市静安区，东至西藏

北路、南到蒙古路、西至晋元路、北至西藏北路225

弄住宅基地。项目总建筑面积约三万多平方米，是

集办公、住宅及配套商业于一体的综合性项目。基

地占地面积为9 956 m2，地形方正，南北长约80 m，

东西长约120 m。该项目地上主要包括一栋2～19

层的商办综合楼和一栋26层的商住综合楼，设置

整体地下室，地下三层。基坑开挖面积7 500 m2，

开挖深度约15 m～18 m。

1.1 周边环境条件（见图1）

图1 基坑周边环境图

该项工程周边环境复杂，场地东侧为西藏北路，临近该场地侧有电力隧道；西藏北路下方有正在运营的轨道交通8号线，以及一些市政管线；南侧为蒙古路，蒙古路下有一些市政管线，道路对面为向东中学及蒙古小区；西侧为晋元路，晋元路对面为华祺苑小区；北侧为通联公寓住宅小区。

西藏北路下靠近该基坑侧为西藏南路（新疆路-复兴中路）电力隧道工程的电力隧道，采用机械式顶管工艺施工，材质为钢筋混凝土顶管，管节长2.5 m，外径约3.5 m，壁厚250 mm，该段电力隧道埋深约8.64 m～11.51 m。临近该场地侧有电缆隧道1号工作井及出入口通道（其中出入口通道位于该场地内），井底埋深约13.8 m。该项工程地下室外边线距离电力隧道最近约10.3 m。

西藏北路下分布有轨道交通8号线区间隧道（曲阜路站-中兴路站），为上下双行线路，隧道外径6.5 m，上下线隧道净距8.2 m～11.2 m，地铁隧道埋深为10.158 m～13.935 m，该项工程地下室外边线距离地铁隧道外边线最近为32.2 m。

根据上海市房屋建筑设计院房屋质量检测站提供的《上海西藏北路新龙广场基坑周边建筑损坏趋势检测报告（基坑开挖前）》（沪房鉴（008）证字第2012-239），场地南侧临近的向东中学和蒙古小区建筑，均为天然地基浅基础，且房屋已经有一定的倾斜和沉降，抵抗变形能力差。

基坑设计和施工中需要采取可靠的措施，确保基坑工程对临近的既有隧道、保留建筑的变形影响在安全范围之内。

1.2 水文地质概况

根据岩土工程勘察报告，该项工程基坑施工影响范围内的土层为上海地区比较典型的软土地层，土层分布相对稳定，各土层物理力学指标见表1所列。

表1 土层物理力学性质综合成果表

拟建场地浅部地下水属潜水类型，受大气降水及地表迳流补给。勘察期间所测得的地下水稳定水位埋深一般在0.80 m～1.10 m之间。

拟建场地内存在第一承压水含水层（第⑦1层和第⑦2层），第二承压水含水层（第⑨层）。根据上海市工程实践，第⑦1、⑦2和⑨层承压水一般埋深变化范围为3.0 m～11.0 m。该项工程基坑开挖深度约15 m～18 m，第⑦1层承压水含水层层顶相对标高为-30.16 m，承压水水头埋深按最不利水头埋深3m考虑，常规开挖区域和局部落深坑区域基坑存在抗⑦1层承压水稳定性问题。第⑨层承压含水层埋深较大，因此对该项工程基坑开挖的抗承压水稳定性影响不大。

2 基坑围护设计

2.1 主要技术难点

该项工程东侧西藏北路下方，紧邻西藏南路（新疆路-复兴中路）电力隧道工程的电力隧道，距离该项工程地下室外边线仅10.3 m，顶管法施工；西藏北路下方同时分布着地铁8号线区间隧道，上下双行线，距离该项工程地下室外边线最近约32.2 m。

根据上海市《电力隧道结构安全监测企业标准（试行）》（2010），顶管隧道的相邻监测点的不均匀沉降，报警值取20 mm，危险状态取60 mm；顶管法隧道接头性能主要控制的参数为隧道管段的接头张开量，报警值取4 mm，危险状态取30 mm。

根据《上海市轨道交通安全保护区暂行管理规定》,地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20 mm（包括各种加载和卸载的最终位移量）,基坑施工期间运营地铁结构的允许变形量为10 mm。

该基坑邻近的电力隧道和地铁隧道的变形保护要求高，一旦变形过大，将对城市供电系统和轨道交通运营系统造成严重的影响，因此如何控制基坑施工引起的周边环境影响，保证周边保护对象的变形在安全范围之内，是制约该项工程基坑围护设计成败的关键因素。

同时，该项工程场地存在承压水突涌问题，基坑开挖期间需要抽降承压水，如何减小基坑降压对周边环境的影响，也是该项工程基坑设计和施工需要重点考虑的问题。

2.2 基坑围护设计选型

按上海市工程建设规范《基坑工程技术规范》，该基坑工程安全等级应为一级。该项工程东侧西藏北路下方有电力隧道和轨道交通8号线区间隧道通过，环境保护等级为一级，其余侧环境保护等级为二级。

为保护既有隧道的运营安全，在上海地区邻近既有隧道的基坑工程中，多采用在临近地铁侧划分窄条基坑，将基坑划分为多个基坑先后施工。由于该项工程场地狭小，且东侧分布一栋塔楼，如若大坑化小坑，则塔楼地下室结构将一分为二施工，对地上结构塔楼施工造成较大的困难。因此，经过与电力隧道和地铁隧道的主管部门的多次沟通和设计方案比选，该基坑工程采用整体顺作开挖的设计方案。

上海地区适合该基坑工程的围护结构主要有排桩+止水帷幕、地下连续墙等形式。其中，地下连续墙既可以止水，又可以挡土，围护刚度最大，控制变形能力最强。地下连续墙可以同主体结构地下室外墙结合，即“两墙合一”，进一步拉开基坑围护结构与保护对象的距离，减少基坑开挖对周边环境的影响，也可以节约一定的造价，是上海地区紧邻既有隧道结构的基坑常用选型。因此，该项工程拟采用地下连续墙“两墙合一”作为基坑周边围护结构。

支撑体系常用的有钢筋混凝土支撑或钢支撑。钢筋混凝土支撑的整体刚度较大，控制变形能力强；布置形式灵活，可以与挖土相结合，预留较大的出土空间，方便施工；同时可以与施工栈桥相结合，进一步加快挖土速度。钢支撑的主要优点是安装和拆除方便，可以加快施工进度，减少工期。根据该项工程的基坑实际情况，此设计拟采用钢筋混凝土支撑的形式。

综上所述，此基坑设计方案拟采用地下连续墙“两墙合一”作为围护结构，坑内设置三道钢筋混凝土水平支撑。

2.3 基坑围护设计方案

该项工程基坑东侧紧邻电力隧道和地铁区间隧道，环境变形要求十分严格，同时，场地存在坑底抗承压水稳定性问题，需要严格控制基坑抽降承压水对周边环境的影响，因此，设计采取了一系列针对性的技术措施，确保该项工程的顺利实施和周边保护对象的安全。

2.3.1 地下连续墙设计

基坑常规开挖区域（除东侧外），基坑开挖深度约15 m，设计采用800 mm地下连续墙“两墙合一”的围护结构，墙底埋深约32.5m；东侧临近隧道区域，为了加强围护体的整体刚度，设计采用1 000 mm厚地下连续墙两墙合一的围护结构，墙底埋深约34 m。图2为基坑围护平面图。

图2 基坑围护平面图

为了减小基坑周边环境在地下连续墙成槽施工期间的变形，此设计在地下连续墙两侧设置了三轴水泥土搅拌桩槽壁加固。搅拌桩在施工前需进行试桩，调整施工参数，严格控制垂直度。同时为保证槽壁加固质量，在地墙施工前，需对搅拌桩加固进行全断面取芯检测。

2.3.2 承压水控制设计

根据验算可知，该项工程常规开挖区域基坑底部土体抗⑦层承压水稳定性不满足要求，电梯井和集水井等局部落深区域抗承压水稳定性问题更加突出。因此，承压水问题应该引起充分的重视，要避免出现基坑开挖过程中产生突涌、流砂等不良后果，甚至周边路面坍塌、管线断裂，基坑塌方等事故。

为减小降承压水对周边环境的影响，上海地区的常规处理方式有两种。一种是将止水帷幕伸入至不透水层（第⑧层），切断第⑦层承压水的水源补给，变降压问题为疏干问题；另一种是在坑外设置回灌井，以保持坑外承压水的水头标高，保护周边环境。

根据该项工程的实际情况和周边环境保护要求，此设计将地下连续墙外侧的止水帷幕伸入至不透水层（第⑧层），切断第⑦层承压水的水源补给，变降压问题为疏干问题。外侧止水帷幕采用超深三轴水泥土搅拌桩，桩底埋深约46.5 m，水泥掺量25%，基坑外围周边全断面进入⑧层不小于1 m。

图3为邻近既有隧道区域围护剖面示意图。

图3 邻近既有隧道区域围护剖面示意图

2.3.3 坑内被动区土体加固设计

通过对基坑内被动区土体进行加固，可以增加坑内被动区土体抗力，有效地控制基坑开挖时围护结构的水平位移。常用的坑内加固措施主要有双轴水泥土搅拌桩、三轴水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、MJS工法、R J P工法等。

此设计在东侧紧邻既有隧道区域，设置了三轴水泥土搅拌桩裙边加固，加固高度从第一道支撑底至坑底以下5 m，水泥掺量15%～25%；在其他区域，设置了三轴水泥土搅拌桩墩式加固，加固高度从第一道支撑底至坑底以下4 m，水泥掺量10%～20%。

2.3.4 支撑体系设计

为确保地铁隧道和电力隧道的运营安全，设计采用了三道钢筋混凝土内支撑，并采取了以对撑为主（控制对撑的水平间距），部分区域结合边桁架+角撑的支撑体系，传力简单、明确、可靠。为更好地保护东侧隧道，东西向水平支撑的间距在9m左右（见图4）。

图4 支撑平面布置图

此设计结合第一道钢筋混凝土支撑设置了施工栈桥，为基坑施工创造了较多的工作面，确保基坑可以流水施工、交叉作业，大大缩短了基坑整体无支撑暴露时间和整个基坑施工工期，减少环境影响。重车行走路线主要在基坑西侧和南侧，东侧临近隧道区域禁止重车行走。

2.3.5 土方开挖要求

基坑土方开挖严格遵循“分区、分块、对撑、平衡、限时”的原则，先挖除基坑中部和环境保护等级较低部位的土方，并及时形成对撑。临近地铁侧每层土方的留土宽度不小于开挖深度的4倍，且最后挖除，并应及时形成对撑，每一块土体挖土和支撑的总施工时间控制在24 h以内，减少基坑暴露时间。

2.3.6 基坑施工对既有隧道影响分析

采用岩土工程有限元分析软件，选取东侧靠近隧道区域的基坑典型剖面建立了平面有限元模型，对基坑开挖引起的既有隧道变形进行了预评估。土体采用摩尔库伦模型，围护墙、支撑及隧道结构等采用线弹性模型。

基坑开挖到底后，土体水平向位移云图和竖向位移云图详见图5和图6所示,在基坑东侧紧邻隧道区域，土体最大水平位移发生在坑底附近，最大值为26 mm，坑内土体隆起最大值48 mm。

图5 水平位移等值云图

图6 竖向位移等值云图

基坑开挖到底后，电力隧道和地铁隧道的位移图见图7和图8所示。基坑开挖引起的电力隧道的最大沉降约5 mm，水平位移约7.5 mm，地铁隧道的沉降约1 mm，水平位移约3 mm，隧道变形均在安全范围以内。

图7 电力隧道位移矢量图

图8 地铁隧道位移矢量图

3 基坑实施及监测情况

该项目从2013年3月18日开始围护结构施工，至2014年4月26日地下室顶板完成，历时13个月。其中从2013年10月10日开始挖土，至2013年12月4日地下室底板浇筑完成，历时55 d。

在基坑施工过程中，第三方监测单位对基坑和周边环境进行了实时监控，以指导现场信息化施工。基坑监测项目主要包括：围护墙墙顶位移、围护墙墙身测斜、深层土体位移、坑内外水位、支撑轴力、立柱沉降、周边建筑及管线位移、电力隧道及地铁隧道位移等。

监测结果表明：该项基坑工程实施过程中，基坑围护结构变形和周边隧道、市政管线、房屋的变形均在安全可控的范围之内。

3.1 施工工况

该项工程的施工工况主要分为以下几个阶段：（1）工况一，基坑围护结构施工；（2）工况二，开挖至第一道支撑底，施工第一道支撑；（3）工况三，开挖至第二道支撑底，施工第二道支撑；（4）工况四，开挖至第三道支撑底，施工第三道支撑；（5）工况五，开挖至坑底，施工底板；（6）工况六，拆除第三道支撑，施工B2板；（7）工况七，拆除第二道支撑，施工B1板；（8）工况八，拆除第一道支撑，施工B0板。

3.2 监测结果分析

图9反映了地下连续墙在基坑施工各工况下的侧向变形情况。其中，监测点C X5位于基坑东侧（临近隧道区域，采用1 000 mm厚地下连续墙），监测点C X8位于基坑南侧（常规区域，采用800 mm厚地下连续墙）。从图9中可以看到，地下连续墙在基坑开挖到底板完成阶段，监测点C X5和C X8累计变形量分别为18.88 mm（深度13m）和36.11 mm（深度16m）；在基坑回筑工况下，地下连续墙的最大变形增加到23.6 mm（深度5m）和39.63 mm（深度13 m）。

从监测数据可以得知，该项工程东侧临近隧道区域，设计采取了地下连续墙加厚、三轴水泥土搅拌桩裙边加固、支撑间距减小等一系列针对性的措施，有效地减少了基坑开挖的变形，地下连续墙的侧向位移仅为常规区域的一半。另外，从C X5的监测数据可以得知，在基坑回筑工况下，地下连续墙侧向位移增加了5 mm，占总变形量的20%，因此，对于在环境复杂的基坑变形控制时，应重视拆撑工况下的基坑变形，可以采取设置斜抛撑换撑，局部支撑后拆等措施，以进一步减少基坑施工对周边环境的影响。

图9 围护结构在各施工工况下的侧向位移曲线图

图10反映了在基坑施工期间，立柱桩的竖向变形情况。从监测数据可知，在软土地区深大基坑顺作法开挖过程中，立柱桩的变形以竖向隆起为主。该项工程立柱桩隆起最大量约33.5 mm。因此，在基坑施工过程中，应严格按照分块、对称、平衡的原则，避免立柱桩之间的差异沉降过大，引起支撑杆件内部产生较大的次生应力，进而对支撑体系的安全造成不利影响。

图11反映了在基坑施工期间，周围市政管线的变形情况。从监测数据可知，在基坑底板完成时，上水管线的最大变形约-39.1 mm，在地下室顶板完成时，上水管线的最大变形约-47.8 mm。周边市政管线的变形主要集中在基坑开挖阶段，变形占累计变形的80%以上。在基坑回筑工况下，管线变形略有增加，基本稳定。由于该项工程基坑开挖速度快，从挖土到地下室底板完成，仅用时55 d，周围管线的变形具有一定的滞后性。

图10 立柱桩在各施工工况下的竖向位移曲线图

图11 上水管线在各施工工况下的竖向位移曲线图

在基坑施工过程中，专业监测单位对东侧的电力隧道和地铁隧道进行了实时监测。监测数据表明，基坑施工引起的电力隧道变形在10 mm以内，地铁隧道的变形在5 mm以内，均满足隧道保护要求。

从该项工程的基坑实施过程和监测数据可以得知，该项工程基坑设计施工中采取的一系列针对性的技术措施，有效地保护了周边电力隧道、地铁隧道、管线和建筑的安全，对周围环境的影响均在安全范围以内。

4 结论

本文以新龙广场基坑工程为例，针对紧邻多条隧道（电力隧道和地铁区间隧道）的软土地区深大基坑工程环境保护要求高的特点，采取了地下连续墙、多道钢筋混凝土水平支撑、坑边裙边加固、超深三轴水泥土搅拌桩隔断承压水等技术措施，来控制基坑施工引起的变形和对周围保护对象的影响。

结合基坑实施情况和监测数据分析可知，该项工程设计施工采取的技术措施，有效地控制了基坑施工引起的周边环境影响，确保了电力隧道和地铁区间隧道的正常运营。通过该项工程的成功实施，可以为软土地区类似基坑的设计施工，提供重要的参考。

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新疆5个高速项目先导试验段开工

近日，新疆维吾尔自治区公路建设重点项目G0711线乌鲁木齐至尉犁段等5个高速公路项目先导试验段开工。这5个高速公路项目建成后，将形成新疆北、中、南及南北疆纵向高速公路大通道骨架网。

5个项目包括乌鲁木齐至尉犁、尉犁至兵团第二师35团、兵团第二师35团至若羌、依吞布拉克至若羌、尉犁至且末高速公路，线路总长1 300km，总投资700多亿元，是目前国内最大的PPP公路建设项目包。

其中，乌鲁木齐至尉犁高速公路项目全长323km，计划工期6 a，是国家高速公路G0711线乌鲁木齐至若羌的重要组成部分，是构建丝绸之路经济带核心区的重要大通道。项目建设将翻越天山、贯穿南北，打通南北疆交通屏障，大幅缩减公路运营里程，将加速推进南疆乃至全疆经济社会发展。尉犁至且末高速公路将成为第3条穿越塔克拉玛干大沙漠的公路，是连接库尔勒与且末的重要通道，使且末县至库尔勒市的公路里程缩短280km。

T U753

B

1009-7716（2017）06-0303-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.089

2017-03-02

李成巍（1985-），男，河南南阳人，硕士，工程师，从事岩土工程设计与研究工作。