紧邻深大长基坑的地铁结构保护对策与实践

冯国健

(广州地铁集团有限公司， 广东 广州 510330)

0 引言

随着城市发展进程的不断加快，现有地下空间已不能满足人们的需求，在复杂的城市环境下施作深大长基坑已是日渐明显的趋势。地铁工程是城市的生命线工程，而沿线区域的物业开发不可避免地会对邻近地铁结构产生不利影响，其安全关系到城市的稳定及人身、财产安全，这给地铁结构的安全保护工作带来了极大的挑战。为此，文献[1]对地铁结构的安全控制进行了详尽的规定。通过采取有效的保护措施确保临近地铁结构的基坑施工过程不危及地铁的安全，已成为重要议题[2-4]。

近年来，国内学者依托邻近地铁结构的基坑工程展开了丰富的研究，积累了宝贵的经验，并在后续的工程应用中得到了不断完善，其中包括对基坑开挖过程开展数值模拟、实测研究，进而分析邻近地铁结构的影响规律[5-7]。文献[8-10]研究表明，地下连续墙成槽过程的影响较小，而基坑的土方开挖影响较大，设置托换桩、搅拌桩加固和分块开挖是控制邻近地铁结构变形的有效措施。郑刚等[11]阐述了基坑施工对地铁隧道的工程风险控制措施，认为地层加固、分区开挖及反压回填等措施能有效地控制地铁结构的位移。张治国等[12]考虑了基坑开挖引起坑底和四周坑壁的卸荷影响，提出了地铁隧道纵向变形影响的2阶段分析方法。文献[13-14]针对基坑与邻近地铁结构的相互影响，为减小基坑变形对地铁的影响，从经济合理的角度出发，提出了针对性的措施及建议。

然而，在地面交通复杂且涉及多种地铁结构设施的环境下施作超大基坑群的工程实践仍较少。本文基于广州南站区域地下空间及市政配套设施工程实例(简称广州南站地下空间)，针对基坑的深大长特点，结合已有的工程经验，重点分析本工程的难点及风险点，提出在设计及施工过程中合理保护地铁结构的措施及建议，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程介绍

广州南站位于广州市番禺区西北部广佛都市圈地理中心，是与港澳、内陆省份建立联系最直接、最便捷的纽带。广州南站地下空间项目基坑西邻广州南站地铁车站，东侧围绕地铁石壁站，同时被已运营的地铁2号线及7号线广州南站—石壁站区间隧道划分为南、北2部分，再以6条连通道连接南北2个区域。其中，基坑紧邻地铁结构的明挖段及区间盾构隧道，围护结构外边线与地铁隧道结构外边线间的最小水平净距约为6.0 m。

基坑纵向总长达1 100 m，横向最大跨度约为430 m，基坑总面积共120 000 m2，基坑开挖深度为4.5～19.7 m。基坑周边区域环境复杂，集中了高铁、城际轨道、地铁、长途汽车客运及常规公交5大类公共交通系统，基坑纵向横跨了石兴大道、三坊路及石洲中路3条交通干道，且沿基坑边分布长距离的市政景观桥，周边环境见图1。

地铁广州南站与石壁站均为明挖顺作法施工修筑的现浇钢筋混凝土箱形框架结构，石壁站车站结构顶部埋深为3～4 m，底部埋深为17～18 m。2号线区间隧道包括明挖段与盾构段，明挖段为单层双跨箱形混凝土结构，宽为11～14 m，高约为6 m，顶板埋深约为7.6 m；盾构段隧道结构外径6.0 m，隧道顶部埋深约为8.8～9.2 m。7号线区间隧道同样由明挖段与盾构段构成，明挖段与盾构隧道结构形式尺寸及施工方法与2号线类似。

图1 基坑周边环境总平面图

1.2 工程地质及水文地质条件

项目场地地处珠江三角洲地带，为珠江水网交错的平原区，沿线地表地势起伏变化不大，地面标高范围为4.72～9.49 m。岩土层自上而下依次为： ①填土、②-1淤泥质土、②-2细砂、③-1粉细砂、③-2中粗砂、④-1粉质黏土、⑤-2残积土、⑥全风化泥质粉砂岩、⑦强风化泥质粉砂岩、⑧中风化泥质粉砂岩和⑨微风化泥质粉砂岩。地铁区间隧道主要座落在残积土或泥质粉砂岩上，局部位于粉质黏土，基坑范围的地层中普遍存在较厚的砂层。勘区地下水主要为孔隙水和基岩裂隙水2种，在上部的填土层中局部赋存上层滞水，现场量测的勘察钻孔水位表明，场地地下水位变化幅度小，稳定水位埋深普遍为0.00～2.00 m，局部埋深3.30 m，典型地层分布及基坑与隧道的位置关系如图2所示。

当周边地层以砂层为主时，基坑开挖将难以保证基坑底的稳定性，不利于基坑施工过程对地铁结构的保护，尤其当砂层位于地下水位线以下时，呈松散状，这将会对下卧地铁隧道结构造成较大的不利影响。

2 基坑支护体系及与地铁的关系

项目基坑属于安全等级一级的大型基坑群，开挖及支护方案的合理选择是保证工程安全及保护周边环境的关键。根据复杂的场地周边环境，为确保紧邻地铁结构的安全性、工期的要求及经济性等，项目基坑在靠地铁侧采用1 000 mm(800 mm)厚地下连续墙、远离侧采用1 000@1 200 mm钻孔桩(桩间设置搅拌桩止水)+钢筋混凝土内支撑的支护体系。支护结构平面布置如图3所示。

图2地层分布及基坑与隧道的位置关系

Fig. 2 Geological profile and relationship between foundation pit and tunnel

图3 基坑支护结构平面布置图

项目场地地面绝对标高为 7.6 m，3层地下室区域的基坑开挖深度为19.7 m，设置4道支撑，第1、2、4道均采用800 mm×1 000 mm钢筋混凝土支撑，第3道支撑尺寸为900 mm×1 200 mm；2层地下室区域的开挖深度为13.1 m/14.6 m，其中A3区域布置3道钢筋混凝土支撑，E1区域布置2道钢筋混凝土支撑；1层地下室区域开挖深度为10.9 m，布置2道支撑，尺寸为800 mm×1 000 mm。7号线正上方区域基坑开挖深度为4.5～9 m，为减小7号线正上方土体开挖引起的隧道隆起，采用600@450 mm密排式水泥土搅拌桩对7号线右线实施地层先加固、左线实施地层后加固。3层地下室区域的支护剖面如图4所示。

3 工程难点及保护措施

该地下空间基坑面积特别大、形状奇异且开挖深度不一，加之场地周边环境极其复杂，涉及多种公共交通系统、多条交通道路且地下管线密布，其中基坑影响范围内的地铁结构包括盾构段、明挖箱形段、纠偏段、车站及其附属结构等重点保护的地铁设施，且需避让既有的市政景观桥、地下汽车站等公共建筑，其工程难度及广度是国内其他地下空间开发中鲜有的挑战。因此，为满足《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[1]的控制要求，根据隧道现状，将2次开挖过程中的变形均控制在6 mm以内，最大限度地减小开挖对地铁结构的影响，为此采取系列的保护措施如下。

3.1 合理的分期分区施工

项目基坑沿线贯穿3条道路交通干线，为缓解广州南站周边的交通压力，配合地铁7号线完成工期要求，采用分3期逐步施工的方案。以三坊路为界，先封闭石兴大道及石洲中路施作1、2期基坑，待回填恢复2条道路后，再封闭三坊路施作3期基坑。为避免基坑大面积开挖卸荷引起不良影响，将基坑分为17区分别施工，具体的分期分区布置如图5所示。其中B1、B3、B4、B6、C1、C3设3层地下室，A3、E1设2层地下室，其余各区均设1层地下室。

图4 3层地下室区域的支护剖面图

图5 分期分区开挖布置图

项目基坑通过具体分期可以充分运用设备资源，合理安排工期及施工的时间，规避基坑发生整体性破坏的风险；分区则将基坑划分为基坑群，区与区之间以钻孔桩进行分隔，可对各区实现独立的支护、止水、开挖、浇筑主体及回填等工序，避免大面积土体的一次性卸载，有利于控制基坑的变形。此外，转化为小基坑后能明显缩短基坑底土体的暴露时间，避免由于坑底存在残积土或强风化泥质粉砂岩层时遇水软化而减弱对紧邻地铁区间隧道结构的约束作用，从而产生过大位移的风险。因此，合理的分期分区方案是充分运用时空效应原理的体现，能较好地控制基坑变形，保护周边构(建)筑物。

3.2 地层加固

7号线正上方基坑开挖后，下方盾构隧道的最小覆土仅为2.7 m，1#、2#连通道施工到底时，正下方的箱形隧道最浅覆土仅为0.42 m。对开挖区域下方土体进行加固能起到加大土层密度、提高强度、减小地下水影响、控制因正上方土体卸荷引起的隧道隆起变形作用。因此，本项目中对7号线上方开挖区域及6条连通道均进行土体加固，其中4#连通道的加固剖面如图6所示。

图6 4#连通道的加固剖面图(单位： m)

Fig. 6 Cross-section of foundation reinforcement of gallery No. 4 (unit: m)

根据7号线盾构工期特点，对7号线的右线实行先加固，加固深度至隧道底部，对左线实行后加固，加固范围为隧道外壁以外2 m，同时对靠2号线侧进行密排式搅拌加固，形成重力式挡墙，最大限度减小7号线正上方开挖对2号线的影响。设置在7号线隧道两侧的抗拔桩与上部结构底板及加固土体对隧道形成了“门架式”约束体系，以限制地铁7号线的变形，其中要求桩体距隧道外侧壁不小于3 m，以减小桩体施工对隧道周边土体的扰动。

3.3 隧道正上方土体抽条开挖

对地铁7号线沿线正上方进行大面积开挖，势必会造成隧道的过度隆起而影响隧道后期的正常使用，严重时甚至会引起隧道管片的破损、错台等病害。从地铁保护的角度出发，考虑基坑开挖的时空效应，对7号线正上方基坑采用抽条开挖方式，每一条段开挖到底后立即封底施作上部结构，再进行下一施工段的开挖，缩短坑底暴露时间，以限制隧道的隆起。因此，合理地设计抽条宽度及抽条顺序对施工进度的把握及隧道位移的控制起到关键作用。现就2种抽条方案进行有限元计算分析： 方案1为纵向沿地铁区间隧道间隔100 m分块开挖，双向推进，每次抽条开挖长度为10 m；方案2为纵向沿地铁区间隧道间隔75 m分块开挖，单向推进，每次开挖长度约为15 m。开挖流程示意如图7所示。

(a) 开挖示意图

(b) 方案1

(c) 方案2

Fig. 7 Flowchart of excavation of foundation pit right above Metro Line No. 7

方案2抽条开挖较方案1每一段暴露出来的基坑底宽度增加了5 m(总宽度达到了17 m)，分段距离减小了25 m，缩短了开挖时间，减少了主体结构的分段。计算结果表明，方案2较方案1引起7号线隧道结构最大位移增量为0.9 mm，引起2号线隧道结构最大位移增量为0.4 mm，因此，在施工工期允许的情况下，为保护地铁结构，建议采用方案1施工。

3.4 连通道的开挖

为连接南北2个地下空间，共设置了6条连通道，横跨地铁隧道结构的明挖箱形段及盾构段。其中1#、2#连通道开挖后下方的箱形隧道最浅覆土仅为0.42 m，且箱形隧道分布有3道变形缝，对开挖过程隧道的抗浮十分不利。为此，通过逐步开挖施工的方法进行处理，施工工序如下： 1)搅拌加固，开挖一半土体； 2)施工半侧主体结构侧墙、底板，砂袋反压，部分回填； 3)开挖另一半土体，施工另一半主体结构侧墙、底板； 4)施工主体结构顶板，回填至地面。1#、2#连通道施工过程如图8所示。

(a) 开挖一半土体

(b) 施工半侧主体结构侧墙、底板，砂袋反压，部分回填

(c) 开挖另一半土体

(d) 施工主体结构顶板，回填至地面

3.5 连通道及隧道的抗浮

7号线正上方的开挖及连通道的施工均会引起下卧隧道的上浮，在地下水位激涨的极端情况下最为危险，因而隧道及连通道的抗浮均需重视。分别取地下水位位于地面及基坑底时，对覆土最浅的箱形隧道、盾构隧道及连通道进行抗浮安全验算，均不考虑隧道上方土体的抗剪强度，仅考虑土体的自重、结构自重和浮力作用。连通道及盾构隧道的抗浮验算示意图见图9。

(a) 1#、2#连通道抗浮

(b) 盾构隧道抗浮

分析表明，若不进行地层加固，满足抗浮要求时盾构隧道结构上覆土厚度需控制在2.8 m以上，地层加固后仅需控制在2.1 m以上。因此，为确保隧道的抗浮安全，建议至少保留3 m以上的覆土，且严禁出现超挖现象，尽量避免在雨季施工。

3.6 既有结构的利用

基坑横跨的石兴大道为下沉式道路，宽度约为40 m，为充分发挥地势特点，减少开挖，节约工程成本，项目利用既有下沉道路底板作为结构底板，直接施工宽度最大的5#连通道。

2号线盾构隧道结构与既有下沉道路底板的竖向距离约为2.44 m，但在2号线隧道两侧与中间布置有3排支撑桩(每排16根，两侧桩直径为1 200 mm，中间桩直径为1 500 mm)。这些存在于道路下方的既有大直径桩，原用于道路的荷载转换桩基，现可作连通道及上方道路的承载桩及连通道的抗拔桩，能有效地减缓上部荷载对隧道结构的影响。道路经改造并完成连通道后的效果图如图10所示。

3.7 其他风险及措施

由于本工程基坑的土方开挖量巨大，施工周期长，故选用先进的施工设备以降低对土体的扰动是保护地铁结构的有效方式。为此，在邻近地铁侧地连墙采用铣槽机成槽，成槽前对软弱土层加固以避免塌槽； 7号线正上方采用影响较小的三轴水泥土搅拌桩加固土体，且加固范围限于隧道外边线2 m外； 抗拔桩采用旋挖成孔工艺，控制隧道外侧产生的附加荷载不得超过20 kPa。

图10 石兴大道下沉段改造后横剖面图

Fig. 10 Profile of sinked section of Shixing Avenue after reconstruction

场地内普遍存在较厚的砂层，地下水位较高，需保证基坑的止水效果。在施工过程中需严格控制地下水位的下降幅度，必要时采用回灌的方式补充地下水。在整个地下空间工程的开发过程中建立完善、连续的监测体系，加强靠地铁侧基坑变形、水位和隧道收敛变形等的监测。以时间为轴线，根据实时的监测数据，动态指导施工，并及时反馈隧道结构的安全状态，实时调整基坑的支护结构设计参数与施工方案，实现信息化施工。

4 结论与建议

广州南站区域地下空间工程周边环境极其复杂，工程难度大、风险高，通过分析基坑开挖可能对地铁结构造成的不利影响，提出合理的保护方案，得到如下结论及建议。

1)在紧邻地铁结构的复杂环境下进行基坑开挖时，需充分评估工程施工对地铁结构的影响，尽量遵循分期、分区、分块、分层、对称和限时的原则，严格控制基坑变形及周边土体的沉降，以免危及地铁结构安全。

2)为减小开挖对周边环境的影响，应根据周边环境及工程自身的特点，采取加固土层、设置抗拔桩、选用影响较小的施工机械、抽条开挖和及时施作上部结构进行反压等措施。

3)重视深厚砂层处的止水，防止地连墙成槽过程中发生塌槽、渗漏水等现象。控制地下水位的变化，对于浅埋的箱形结构及盾构隧道应选取最极端的地下水位以验算其抗浮安全。

4)在施工全过程中应对基坑及紧邻地铁结构开展连续的监测工作，建立完善有效的监测系统，及时反馈各结构的安全状态，制定相应的应急方案，实现信息化施工。

本文仅从地铁保护的角度分析了该工程所采取的措施，由于篇幅原因，未展示量化分析过程及后期监测数据的规律分析。

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