地铁隧道附近软土深基坑设计与施工关键技术分析

刘拴锭 王永康

中交一公局杭州地铁10#线土建三工区

1 引言

城镇化规模日益扩大，大量人口涌入城市，常规公交出行已然不能满足人们生活出行需求。考虑到城市大规模人口流动需求，一些大型城市开始建设地铁项目，但是地铁施工建设难度非常大，并且沿线建筑结构均会受到一定程度影响作用，特别是临近深坑工程施工保护问题。

学者在研究邻近地铁隧道施工研究过程中，详细讨论了基坑工程的“时空效应”，并分析其影响作用。通过研究得出了软土地区建设地铁隧道位移变化趋势，基于此趋势推导出隧道位移量化计算公式。值得一提的是该计算方法将开挖宽度和时间均纳入计算指标中，衡量其影响效果，对今后此类情况研究提供了重要的指导意义。同时，一些研究还考察了地下隧道和连续墙形变情况。结果发现，通过“先支再挖”的施工方案可以明显改善基坑变形问题。然后通过实时监测数据，回归分析构建了开挖隧道回弹分析半经验半理论计算公式。

基于此，本文对深基坑与地铁区间隧道紧邻的附属建筑进行技术分析，同时结合现场施工实际监测数据，对整体工程风险预警分析。

2 工程概况与技术难点

2.1 工程概况

吴家路站是杭州地铁10号线一期第11个车站，起止里程为DK13+312.285 ～DK13+546.185，车站站中心里程设置在DK13+401.615，其具体位置在吴家路与杭行路交叉口处，目前杭行路已经建设完成，道路宽40m，按照双向6 车道，但当前车流量较小。该地铁站主体工程所需基坑长度接近235.5m，其中车站中心顶层土层高3.0m。为了安全，标准段地下结构设计均为双柱三跨钢混结构，该段基坑深度和宽度分别为17.03m～18.01m、21.70m；除标准段外，两端基坑深度和宽度分别为18.70m～19.18m、25.80m。整体工程预留盾构始发条件，并且始发端设置在该地铁站大小里程端。

图1 基坑与地铁隧道位置示意图

2.2 技术难点

场地潜水主要存在于较浅地质层，包含黏性土、填土层、含砂黏土层为主。该土壤层的透水性和富水性存在差异性，并且还受到沉积层作用，整体来看透水性在水平方向作用要强于垂直方向。根据工程现场情况看，该地带地下水深度在0.20m～3.70m，相应标高为0.76m～9.34m。孔隙潜水通常径流缓慢，其来源以地表水体下渗补充和地表降水渗透补给为主。经过蒸发作用和排泄，孔隙潜水水位随季节变化明显。地下水主要处于深层，其水位变化以及埋深受季节和降水的影响作用较大，因而是动态变化大，且变化幅度高达1.0m～2.0m。本文将重点讨论建成地铁管线和结构安全保护问题，这是邻近地铁施工的设计和施工难点，特别是基坑支撑保护结构设计，要充分考虑地质层特性，支撑结构要具有挡土防水作用。下图2是详细监测得出的吴家路区间地质剖面图。

图2 吴家路区间地质剖面图

3 关键技术分析

结合吴家路区间地质情况，本文将此次研究地下室基坑设计安全等级定为一级，根据现有参考数据，取基坑侧壁安全系数1.1。在本文研究中，设计关键技术为开挖土方的顺序、支撑结构质量、水帷幕的质量以及围护结构桩，基坑设计支撑体系选型和结构是此次设计关键问题。

3.1 深基坑支护设计方案

车站小里程端头井主体基坑宽度为25.80m，深度18.71m，地下连续墙部分插入基坑中，其插入比为1:0.99，插入后墙趾标高-32.97m，长度约为37m，厚0.8m，同时在垂直深度上增加5道支撑结构。其中，第一道采用钢筋混凝土结构，第三道采用圆钢支撑，其尺寸为厚度16mm，外径800mm。其余三道支撑均为采用外径609mm，厚度16mm的圆钢支撑。

车站大里程端头井主体基坑宽度为25.80m，深度19.18m，地下连续墙部分插入基坑中，其插入比为1:1.06，插入后墙趾标高-35.47m，长度约为39.5m，同时在垂直深度上增加5道支撑结构。其中，5道支撑结构设置与车站小里程端做法一样。

车站标准段主体基坑宽度为21.70m，深度17.04m～18.01m，均采用800mm厚地下连续墙，标准段地下连续墙长35m，按照1：1.11 插入基坑，插入后墙趾标高-30.970m。同样在基坑垂直深度上设置5道支撑结构，做法与车站大小里程端一样。

车站电缆夹层段主体基坑宽度为21.7m，地下连续墙部分插入基坑中，其插入比为1:0.99、1：1.19，插入后墙趾标高-32.97m、-33.97，长度约为37m、38m，厚0.8m，同时在垂直深度上增加5道支撑结构。其中，5道支撑结构设置与车站大小里程端做法一样。

图3 主体围护结构第一道混凝土支撑布置图

图4 主体围护结构钢支撑布置图

3.2 施工关键技术

（1）关键技术施工。要保证基坑邻近地铁区间隧道避免粉砂土层出现漏沙和漏水问题，同时防止过大沉降现象，在施工过程中要重点关注钻孔灌注桩垂直度以及强度、三轴水泥土搅拌桩与桩体之间的咬合情况。具体操作为：在桩孔外侧使用双排三轴搅拌桩，并且向桩坑里注入20%水泥用来加固，避免桩下部出现变形，然后在桩坑成型部位注入8%水泥作为防护层，避免钻桩坍塌。同时在施工中要根据实际情况增加高压旋喷桩，确保施工过程中基坑不会出现渗水和开裂等安全风险。

（2）基坑支撑体系。通常基坑支撑体系为钢筋混凝土结构，关键是混凝土的刚度和强度要满足要求，同时还要保证施工质量。不规范施工会导致钢混结构出现扭曲，出现拉伸和断裂风险，特别是垂直立柱以及支撑结构失稳。主体结构养护成型后，拆除过程中，必须采取换撑的手段，这是保证结构在支撑解除后补发生变形破坏的关键点。

（3）降承压水方案。本次研究的施工区域基坑周围是饱和粉砂层，当周边围护结构出现问题或止水帷幕失效，则会导致基坑积水，基坑水压则较大，施工前需要排水施工或者降低承压水，但这会导致邻近地铁隧道出现沉降变形，严重时出现开裂渗水，最终引起附近建筑结构破坏，因此，降水方案必须在围护结构试降水成功之后再开展。

（4）土石方施工。基坑土方施工要遵循“先撑后挖”原则，避免由于开挖导致支护结构变形破坏，从而出现基坑局部塌方后者结构失稳。特别是基坑处于饱和粉砂土层，地质本身强度不高，容易出现失稳现象。所以在基坑施工中，要充分考虑时空效应，对于分区、分层等问题要分开施工。保证在软土层基坑施工中，制定合适的开挖土方和开挖尺寸，降低无支撑基坑挡墙裸露的时间。

3.3 三维模拟分析

为了对基坑工程进行模拟计算，文本运用FLAC3D 技术建立对应结构模型，依据弹塑性力学圣·维南原理可知，以基坑为中心，周边3m范围均为深挖基坑的影响范围。并且计算模型平面尺寸设定为400m×300m，模型高度以地面为基准，下延100m，如图5所示。

图5 整体计算模型网格

如图6所示，规定空间坐标轴，建立三维立体计算模型，该模型包含了地铁隧道、基坑土方、围护以及桩基和钻孔等结构，底部约束，侧向约束方向为法向。该隧道混凝土强度为C50，盾构隧道管片内径为5.5m，外径6.2m、宽度为1200m，厚度350mm，设置埋深12m，本次计算长度为118m。地下室模型结构如下图4所示，基本结构柱尺寸为600600mm×600mm，四周边墙厚度为0.4m，楼板和地板厚度分别为0.3m、1.5m。

图6 地下室模型

结合上述研究分析，一旦基坑开挖建设，邻近地铁设施均会受到不同程度影响，其地铁隧道管片位移量为6.5mm，并且当地下室结构完成后，地铁隧道位移量为4.8mm。根据国内地铁保护有关技术标准要求，本次模型计算的结果符合地铁保护要求。为了详尽了解基坑施工对邻近地铁管线和隧道影响效果，本文进一步分析施工监控结果与上述模拟计算数值进行对比分析。在合理位置选择3个地铁隧道监控截面，安置24个监控点，对地铁辅助管线（雨水、天然气、污水、通信）进行监控，安置13个监控点；支撑内力安置3个监控点；钻孔灌注桩顶安置3个监控点，监控位移量；立柱安置3个监控点，监控竖向位移。然后监控记录第1次、第2次开挖后地铁隧道、底板全部浇筑、开挖到裙房底板底面高程等结构完成后各个监控点的X 向位移量，考虑去土层回弹影响作用，综合考察三维方向的位移情况。监控发现，由于地板自身重量极大，使得其位移量和应力变化均较小，增加不明显。这说明底板浇筑可以保证邻近隧道给以及基坑结构稳定，通过换撑来拆除支撑结构是可行的。

4 小结

根据上述研究分析，在软土地区邻近地铁基坑施工存在重大风险问题，因而其基坑结构设计和施工技术对整个地铁及周边建筑有非常重大的现实意义。本文在对吴家路站邻近基坑研究中，采用多种关键技术对软土层基坑进行处理，从开挖到成型，每一步都进行详细论证和分析，并且根据方案构建“地铁隧道-基坑-围护结构”研究模型，并通过专业软件进行分析，讨论其开挖影响作用，并为实际施工提供数据支持。研究指出，对于软土层基坑施工，要充分考虑土层结构和周边环境，结合当地实际制定科学设计方案，施工要严格遵守相关标准，确保施工范围各结构安全，避免出现经济损失。