地铁运营区间内的深基坑设计与施工技术研究

叶 盛

1.上海自贸试验区浦深置业有限公司 上海 200137；2.上海市非开挖建造工程技术研究中心 上海 200002

目前，各大城市出于治理拥堵、低碳环保以及经济发展等原因，均大力发展城市轨道交通。虽然地铁运营区间内地下空间的开发困难，但随着城市的快速扩张，土地资源的稀缺，促使我们在地铁沿线进行地下空间的开发。由于邻近运营的地铁线路，因此需在地下空间的全施工周期确保地铁运营的安全，除了提高施工工艺和精度、深化土方开挖及出土顺序外，还需和信息化监测系统紧密配合。通过上海地铁沿线某超大深基坑分坑施工的具体过程，介绍了在地铁运营区间内深基坑设计与施工的关键技术。

1 背景工程概况

1.1 工程概况

背景工程位于上海市长宁区，项目包括3幢办公楼、裙楼及地下室，主楼采用混凝土框架-核心筒结构；其余裙楼采用混凝土框架结构，地下建筑被地下城市轨道交通2号线分作东西两部分（图1）。东区地库共有4层，局部2层，地下4层标高为－18.70 m，开挖深度约为19.1 m，西区地库共有2层，地下2层标高为－10.35 m，开挖深度约为10.55 m，整个项目基坑面积达到36 000 m2。

图1 基地平面示意

1.2 周边环境概况

本工程位于长宁路以南，凯旋路以西区域，周边环境复杂，建（构）筑物及管线众多，且轨交2号线从场地内穿过，同时场地内部存在保护建筑圣玛丽亚女中旧址（图2），需在施工时保留，因而对本基坑的设计与施工提出更高的标准和要求。

图2 场地内圣玛丽亚女中旧址

1.3 地质概况

本工程拟建场地土层主要包括：②黏土、③淤泥质粉质黏土、④淤泥质黏土、⑤1-1灰色黏土、⑤1-2粉质黏土、⑤3粉质黏土、⑥粉质黏土、⑦1粉砂、⑦2粉细砂、⑧1-1黏土、⑧1-2粉质黏土夹粉砂。坑底大部分置于第④、⑤1-1、⑤1-2层软弱黏性土层中。

2 基坑设计与施工要点

本基坑采用地下连续墙作为临时围护形式，在靠近地铁隧道侧地下连续墙两侧采用三轴水泥搅拌桩槽壁加固兼止水。坑内设置立柱桩，设钢筋混凝土内支撑或钢管支撑及栈桥，组成联合围护结构体系形式。

2.1 基坑分区分坑思路及土方开挖顺序

2.1.1 基坑分区分坑思路

根据地理位置，隧道从地块中间穿越，故本基坑分为东、西2个大区域，并根据地铁施工要求将邻地铁侧区域划分为宽20 m的长条形小基坑，基坑面积约1 000 m2；其余区域根据地块开发顺序、塔楼位置等进行划分[1]，原则上基坑面积小于10 000 m2。根据上述原则，总体上将基坑划分为13个区域，其中东区基坑分为9 个区域，西区基坑分为4个区域（图3）。

图3 基坑分区

2.1.2 基坑开挖顺序

基坑开挖顺序原则为：“先塔楼，后裙楼；先远地铁，后近地铁；先深坑，后浅坑”。根据开挖思路将13个区域的开挖顺序调整为：第1次施工Ⅳ、Ⅶ、Ⅹ、ⅩⅢ 区，第2次施工Ⅱ、Ⅵ、Ⅷ、Ⅸ区，第3次施工Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅻ区，最后施工Ⅺ区。

除此之外，由于地铁沿线基坑无出土平台，在整个基坑群开挖时，不仅要考虑开发顺序，还需要考虑沿线长条形基坑的出土线路，必要时在相邻基坑侧设置栈桥体系，并保留该栈桥体系至沿线基坑施工完毕。

对于基坑的变形控制，最有效的方式就是严格控制时空效应的影响，尤其是邻近地铁及保护建筑区域的基坑，故需将单个区域基坑开挖控制在最短时间内，减少土体扰动对周边环境的影响。

2.2 地铁运营区间内深基坑微扰动施工要点

2.2.1 围护施工过程控制要点

超深地下连续墙成槽时间相对较长，槽壁极易塌方，为防止围护桩施工对轨交2号线的扰动：邻近地铁的围护地下连续墙在施工前先进行槽壁加固，考虑先行施工远离地铁侧三轴水泥土搅拌桩，并根据现场实际施工情况对施工技术参数进行调整；邻近地铁侧三轴水泥土搅拌桩考虑先行施工邻近地铁侧，使土体挤压方向与隧道相反；施工尽量放在晚间进行，避让地铁运行时间，控制施工速率，减小挤土效应，降低对隧道的扰动；并严格控制加固钻进速度及搅拌压力，减小土体扰动对地铁线路的影响。同时选用黏度大、失水量小的泥浆来护壁，在成孔的过程中根据情况选用外加剂，并在施工中加强对泥浆液面的监控，适当时可加大泥浆相对密度和黏度，严格控制泥浆的液位，液位下落时及时补浆，防止槽壁塌方、产生较大位移。

2.2.2 支撑体系设计施工要点

在地铁运营区范围内，支撑体系的布置以受力明确的对撑形式为主，此外，考虑基坑的形状及工期因素，地铁沿线长条形基坑采用混凝土支撑结合钢支撑预应力补偿系统（图4），当侧向位移较大时，可以根据设计要求额外补充预应力，减小对地铁线路的侧向扰动，并在垫层内设置刚性对撑，减小基底变形带来的不利影响[2]。

图4 钢支撑预应力补偿系统

对远离轨交2号线侧的基坑，采用混凝土十字对撑系统，该支撑系统相对“对撑＋角撑＋边桁架”支撑系统而言，受力主要以轴力为主，受力更为明确，刚度大、变形小，有利于大型基坑的变形控制。

2.2.3 基坑开挖降水控制要点

根据地铁施工相关要求，沿线基坑需要在30 d内完成垫层，其余邻近基坑在60 d内完成。这就对基坑开挖的施工组织提出了高要求，对支撑的养护时间、开挖方式、栈桥面积、出土路线等各个因素进行优化调整，适当提高支撑的混凝土强度等级，减少养护时间，并在对撑形成后开挖其下方土体，形成阶梯式施工工艺；加大栈桥面积，优化出土路线，以进一步提高出土量，加快施工进度[3]。

本基坑部分区域存在承压水问题，设计时隔断⑦2层承压含水层，但为保证基坑内部安全，仍在基坑内设置了部分降压井，秉持按需降压的原则，根据现场水头高度及开挖深度进行降压，保证水头不致产生突涌现象。

3 邻近建筑及古树保护要点

3.1 邻近建筑保护要点

基坑周边均有保护建筑，尤其是基坑东侧的圣玛丽亚女中旧址，距离基坑最近处仅3.5 m，在施工前对房屋进行检测，并在施工过程中严格控制施工参数，如在槽壁加固时控制搅拌及提升速度，对地下连续墙泥浆配比进行调整，增加相对密度及黏度，防止坍孔扰动土层，并严格控制循环泥浆的指标，及时进行更换；此外，在开挖过程中进行严密监控，必要时进行跟踪注浆处理，控制继续下沉的趋势。

3.2 古树保护要点

场地附近5.8 m处有1棵保护古树，树木对土壤的pH值十分敏感，然而施工中无法避免泥浆、水泥浆等渗入土体，故在施工前对古树下部根系进行特殊保护，提前采用喷洒活力素、营养剂等方式，并用引根法进行处理；同时对土壤进行检测，根据检测结果针对性地对该区域土壤进行改良、立体施肥，保持树木的活性。

4 现场应急处理

施工过程中，在Ⅰ、Ⅱ与Ⅳ区基坑中隔墙出现1条水平裂缝（图5、图6），裂缝宽度沿Ⅰ、Ⅱ区基坑原中隔墙位置往北面逐渐减小。

图5 中隔墙开裂位置

图6 现场中隔墙开裂状态

原因分析：Ⅳ区基坑的地下1层楼板区域由于结构开洞原因，换撑缺失，楼板换撑间距过大；与Ⅳ区基坑共墙的Ⅰ区基坑正处于开挖状态，钢支撑撑于中隔墙处，应力过于集中。上述原因导致墙体变形，进而产生开裂。

处理措施：在B1层开洞过大区域进行换撑处理，既减小了中隔墙换撑高度，也对Ⅰ区基坑第2道钢支撑的水平力进行了一部分传递[4]。后期监测表明，其裂缝发展趋势得以减缓，处理措施起到了良好的效果。

5 工程实施效果

根据最终监测数据，围护墙体最大深层水平位移12.81mm，土体最大水平位移为12.99mm，地铁上方土体深层沉降为16.84mm，地铁最大累计变形为9.7mm，符合地铁保护要求。整个围护体系位移变形控制较为良好，基坑的分坑及土方开挖流程的优化对周边环境的保护起到较好的效果。

6 结语

1）本工程采用地下连续墙与内支撑顺作围护体系，通过合理的分区施工，先远后近、先深后浅，不仅降低了基坑大面积开挖导致的坑底回填的影响，也将对周边环境的影响控制在了较低水平。

2）在本工程施工时，对围护施工、支撑设计、土方开挖等各个环节进行优化调整，采用了一系列减小土体扰动、加快施工进度的措施，并在施工中充分考虑时空效应的影响，将施工对周边环境的不利因素降低到最小，从施工结果来看效果良好。

3）对于邻近的保护建筑及古树，针对性调整各种施工参数，减小土体扰动对保护建筑的影响，并采用绿色工艺改良古树土壤，保持土壤pH值在适于古树生长的范围，最终确保了周边环境的安全。

4）本工程的成功实施表明，在采用各项新技术及新工艺的同时，通过合理的分区，调整施工参数和工艺，并配合信息化监测技术，能够安全地开发地铁运营区间内的地下空间，可为今后城市地下空间的开发利用提供借鉴与参考。