软土地区多基坑开挖对既有地铁影响分析

2020-07-09王洪昌

天津建设科技 2020年3期

□文/王洪昌

随着城市建设的发展，地铁线网逐渐加密，城市地块被分割的越来越小，导致一些地块不可避免地要在既有地铁结构周边进行开发，基坑施工对既有地铁结构产生的影响不可忽视；极端情况下部分运营地铁结构周边存在多基坑同时施工的情况，一旦控制措施不力，将对既有地铁结构产生不可估量的破坏，针对此类基坑工程务必详细论证、精心组织、稳妥施工。

目前诸多学者对邻近既有地铁的新建基坑围护方案进行了研究并对开挖引起既有地铁结构的受力进行了分析，认为被动区土体加固、止水帷幕的布置、施工栈桥设置、土方开挖方式和顺序的合理选择等手段可以有效控制既有地铁结构的变形[1～4]。颜桂云等[5]通过对相邻双基坑开挖相互影响三维性状分析发现，相邻基坑同时施工对中间土体沉降有叠加影响，基坑间距对相邻基坑产生相互影响的范围为2.5～3 倍基坑开挖深度。旷庆华[6]对同深基坑开挖引起紧邻地铁车站的变形特性进行了研究，认为地铁车站结构对由基坑开挖引起的土体位移传递具有一定的遮拦效应，采取合理的土方开挖步序、严格控制围护结构施工引起的土体扰动、加强基坑工程的质量检测和工程监测是控制车站结构变形、降低施工风险的有效措施。曾远等[7]通过基坑开挖的时间效应分析，认为控制基坑开挖放置时间和有撑暴露时间，不但对控制新基坑变形有效，而且对调整既有结构变形状态和控制既有结构的变形也非常有效。徐如泉等[8]通过实测分析了深基坑开挖对邻近地铁车站和隧道变形的影响。目前针对运营地铁车站周边基坑施工的影响还集中在单基坑影响分析方面，多基坑同时影响的研究较少。

本文以天津某既有地铁周边多个新建基坑同时开挖的工程为例，研究了相关施工措施，结合数值模拟进行效果分析，可为后期类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 新建工程

拟建商业项目为地上2 栋32 层主塔楼（1 栋办公楼，1栋公寓楼）、4层裙房和整体4层地下室，拟采用桩基础；基坑周长约439 m，开挖面积约13 872 m2，开挖深度约18.6～19.4 m，属深大基坑，采用明挖法施工。

拟建地铁项目为地下3 层车站，站中心顶板覆土3.577 m，基坑深度约27.9～29.4 m；车站主体采用现浇钢筋混凝土箱形结构，主体基坑拟采用盖挖逆作法施工。

因项目建设要求，两新建工程基坑工期重叠，存在同时施工、互相干扰的情况。

1.2 既有地铁与新建工程位置关系

某已运营地铁车站为地下2 层，站中心顶板覆土3.1 m，底板埋深16.55 m，现浇钢筋混凝土箱形结构，隧道盾构外径6.2 m，管片厚度0.35 m，区间埋深约12.1～12.3 m。

拟建商业项目基坑位于既有地铁车站南侧，距车站主体结构约6.6～13.3 m；新建地铁车站主体基坑位于商业项目东侧，距既有车站主体结构约34.3 m，距既有隧道盾构区间约11.5～13.5 m；新建地铁车站主体基坑与商业地块基坑净距15.7～18.6 m。见图1。

1.3 水文地质概况

场地属沿海地区典型的滨海冲积平原，受古黄河和海河堆积作用以及海洋动力作用影响，形成冲积地层。根据勘察资料，场地埋深90.00 m范围内，地基土按成因年代可分为多个沉积层，主要有：人工填土层，全新统陆相、海相、沼泽相沉积层，上（中）更新统陆相、滨海潮汐带、海相冲积层等。土质以填土、粉质黏土、粉土、粉砂为主。见表1。

场地内表层地下水属潜水类型，主要由大气降水补给，以蒸发形式排泄，水位随季节变化，一般变幅在0.50～1.00 m/a。潜水初见埋深2.70～3.10 m，静止埋深1.80～2.20 m。勘察深度范围内含有三层承压含水：第一承压水主要赋存于砂质粉土⑧2中，含水层底部埋深约23 m；第二承压水主要赋存于砂质粉土⑧2及粉砂○12-4中，含水层底部埋深约44.5 m；第三承压水主要赋存于粉砂○14中，含水层底部埋深约53.9 m。三层承压水水头在现状地面以下3 m附近。

2 工程难点

1）基坑开挖面积大，深度较既有地铁结构大且距离既有地铁结构＜0.7H(H为开挖深度)，对既有地铁结构影响大。

2）两新建基坑工程工期重叠，对既有地铁结构的影响存在叠加效应，一旦某一基坑发生风险，将产生连锁破坏效应。

3）场地内地质条件差，为滨海地区典型的软土地层，基坑开挖后土体极易扰动，变形控制难度大。

4）地下水位高，存在多层承压水，基坑开挖降水将引起土体固结沉降，邻近既有地铁侧基坑必须做好止水措施，减少对既有地铁的影响。

5）根据既有地铁现状结构安全性检测结果，要求基坑施工期间既有地铁结构产生的水平及竖向变形不超过10 mm，控制标准较高。

3 基坑施工方案及变形控制措施

3.1 围护结构

3.1.1 商业项目

1）考虑开挖面积较大，为利用空间效应，将基坑分为两个大坑（图1中III、IV）和两个小坑（图1中I、II）先后施工且邻近既有地铁的两个小基坑再一拆为二，分坑施工。I、II 号坑南侧边界距既有地铁结构按＞30 m控制，东西向长度按≯36 m控制。

2）III、IV 号坑均采用钻孔桩+水泥土搅拌墙作为围护结构，钻孔桩长约33.5 m，基坑竖向设置4道井字形混凝土支撑。

3）I、II 号坑均采用地下连续墙作为围护结构，墙厚1 m、深48 m，隔断第二承压水层，兼具挡土与止水作用，基坑竖向设置5道支撑。

3.1.2 新建地铁车站

1）采用地下连续墙作为围护结构，墙厚1.2 m、深55.5 m，隔断第三承压含水层；采用盖挖逆作法施工；竖向设置3道支撑，其中第一道采用钢支撑，其余两道采用混凝土支撑。

2）靠近既有地铁的地下连续墙采用大直径旋喷桩进行接缝止水，确保基坑开挖过程中接缝不漏水。

3.2 保护措施

1）基坑施工顺序。按照安排，商业项目基坑与新建地铁车站基坑工期重叠。针对商业项目和新建地铁车站基坑分别施工对周边环境的影响进行了数值分析，结果表明：商业项目基坑单独施工对基坑以东约56 m（约为3倍基坑深度）范围土体产生扰动影响，影响范围覆盖整个新建车站基坑；新建地铁车站基坑单独施工对基坑以西约67 m（约为2.7倍基坑深度）范围土体产生扰动影响，影响范围进入商业项目IV、II基坑东西向开挖宽度的77%。

若商业项目基坑IV、II与新建地铁车站基坑同时施工，二者将产生互相影响；一旦某一基坑发生问题将产生灾难性后果，不应同期施工。

综合各工程的工期要求及安全风险，最终制定了如下施工工序：基坑IV→基坑III+新建地铁车站基坑→基坑I→基坑II。

2）隔离桩及土体加固。商业项目基坑较新建地铁车站基坑距既有地铁更近，风险更高；因此需要对围护结构进行额外加强。靠近既有地铁的地下连续墙施工前在外侧先施作水泥土搅拌墙，进行成槽保护，墙深同地下连续墙，减少地下连续墙成槽过程中塌槽、地下水损失等对既有地铁的影响。为减少I、II号基坑中部围护结构水平位移，在每个小坑中部设置一道地下连续墙对基坑进行分隔支顶，增加其抗变形能力。为降低基坑开挖过程中的土体回弹及水平位移，对靠近既有地铁范围的基坑内部采用三轴水泥土搅拌桩进行抽条加固，竖向加固范围为地面下6 m～坑底以下5 m，其中坑底以下范围土体加固为强加固区，其余为弱加固区。

3）基坑降水。商业项目基坑与新建地铁车站基坑采取了隔断承压水的措施，施工中进行坑内降水，在坑外设置观测井，实时监测地下水位变化情况，必要时需采取回灌措施。新建地铁车站基坑靠近既有地铁处地下连续墙采用工字钢接头并结合接缝止水，确保围护封闭。

4）靠近既有地铁处设置自动补偿系统的钢支撑。在使用中实时监测钢支撑轴力变化并实时补偿轴力，能够有效控制围护变形，设计中对靠近既有地铁处基坑的钢支撑采用轴力补偿系统，增加其抗变形能力。

5）既有地铁自动化监测。实时监测既有地铁的变形，确保第一时间得到有效数据。

6）预埋袖阀管注浆系统。紧贴既有地铁结构外侧2 m范围内提前打设两排袖阀管，梅花形布置，水平间距2 m，根据监测情况进行注浆，一旦变形超限及时纠偏。

7）严格施工过程控制。严格控制施工荷载，按照设计施工步序进行基坑开挖，随挖随撑，尽量减少基坑暴露时间，严格控制施工质量。

4 基坑施工三维数值分析

4.1 计算模型

采用大型岩土有限元分析软件PLAXIS 3D2018建立整体三维有限元模型，尺寸为360 m×280 m×65 m，采用10 节点四面体单元，共划分231 987 个单元，324 248 个节点。土体采用实体单元模拟；地下连续墙、结构楼板、隧道衬砌使用板单元模拟；结构柱采用梁单元模拟；支撑采用锚杆单元模拟。模型的边界条件：顶面为自由面，无约束；底面每个方向均约束；四个侧面均只约束法向。见图2。

图2 结构计算模型

模拟主要工序包括：工序1，依次对IV 号坑进行阶段降水、开挖各层土、架设支撑至IV号坑封闭底板并回筑；工序2，同时开挖III 号坑及新建地铁车站基坑（降水、挖土、加撑同时交替进行）并回筑；工序3，开挖I号坑并回筑；工序4，开挖II号坑并回筑。

4.2 计算结果分析

重点分析多基坑分步开挖时对既有地铁车站及区间结构的变形影响，见表2。

由表2 看出：基坑开挖卸载引起既有地铁车站及区间隧道产生了回弹隆起的变形；水平方向发生了朝向基坑方向的变形，变形量较竖向大，但仍在变形控制范围内。既有地铁隧道邻近新建地铁车站，因此其水平变形主要发生在工序2中，表明新建地铁车站施工对隧道的影响更明显。工序3、工序4施工时，开挖基坑距既有地铁较近，变形量反而小，说明自动补偿系统的钢支撑对控制既有结构的水平位移效果明显。