中穿运营地铁的软土深基坑群分仓设计研究*

张 麒，孙加齐，张 杰，张旭斌，杨志欣

(中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

0 引言

近地铁深大基坑工程多采用化整为零的方法，采用远大近小、远深近浅的分仓设计原则，一般设置分隔墙将基坑分成远离地铁隧道的大基坑及紧邻地铁隧道的多个小基坑，再将近地铁隧道的小基坑采用间隔、跳仓法进行开挖。分坑分仓跳挖虽能有效控制基坑及地铁变形，但工期长、增设分隔墙围护结构，大大增加近地铁工程开发建设成本。对近地铁基坑施工，加快施工速度是降低基坑风险最有效的控制措施。

1 工程概况

1.1 整体概况

首创·天阅海河项目位于天津海河与京杭运河交汇处，是全国首例在运营地铁两侧进行结建上盖的站城一体化综合体。总建筑面积为43.6万m2， 基坑群横跨运营中的天津市地铁6号线(预留北运河站)，该区域内与地铁6号线北运河站有4个结建口，是在时速60km/h的运营地铁两侧进行不同深度基坑开挖的项目。

1.2 基坑与地铁的关系

项目总占地面积10.9万m2，基坑与地铁平面关系如图1所示。

图1 基坑与地铁车站平面关系(单位：m)

基坑范围内含先期预留的北运河站体，长194m，隧道区间长105m，车站主体结构及盾构区上方2层结建结构先期修建完成，其他附属设施与项目同期建设，地铁采用44.0m深、厚1.0m的地下连续墙作为围护结构及外墙，与基坑共用。根据规划，地铁左侧建设2层地下室，右侧建设3层地下室。地铁隧道外径6.2m、内径5.5m，衬砌厚0.35m，管片环宽1.5m，隧道覆土厚约18m。地铁站西南方向有先期建设的地下2层建筑，位于隧道上方，埋深16.3m，并在下方设置φ700mm钻孔灌注桩。

运营地铁西侧基坑开挖深度为11.8m，东侧开挖深度为17.1m，两侧开挖深度相差5.3m，深坑一侧开挖深度超出盾构区间顶标高1.4m。

1.3 地铁变形要求

因基坑工程与运营地铁零距离接触，对变形控制要求极高，竖向变形报警值12mm，水平变形报警值车站部分为7mm、盾构部分6mm，差异沉降报警值为2mm/10m。

1.4 水文地质条件

项目地处富水软土地区，上部土主要以杂填土、淤泥质土、粉质黏土为主，影响基坑水层为潜水层和第一承压水层，运营地铁结构处于第一承压水层。

1.5 周边环境

项目位于天津市河北区，东侧为已施工完成的新建小区，距离40.0m；南侧为富堤路及京杭运河，距离52.0m；西侧为建筑物和市政道路，分别距离10.0，7.0m。本工程距西南侧的既有建筑物最近约10.0m，距外侧富堤路约7.0m，地下管线距深基坑较远，分布于东侧新建道路上。

1.6 基坑特点分析

目前近地铁类的结建工程多与地铁同期建设，或地铁运营后采用单侧结建的方式，而该工程是在运营地铁两侧结建，且于地铁两侧不同深度软土处开挖深基坑，属全国首例，无相关经验借鉴。

运营地铁两侧基坑开挖深度差异较大，基坑受开挖期间不均衡侧向土压力影响，引起地铁侧向位移。基坑开挖卸荷导致地铁结构隆起，基坑降水带动地铁结构沉降，导致竖向变形。站体为刚性结构，隧道区间管片为柔性结构，两者接驳处差异较大，基坑内外两侧的盾构隧道受开挖及降水影响也产生差异沉降。

造成地铁变形事故的主要因素如下：①土方开挖阶段地铁两侧卸载，原地铁周围荷载变动，易引发地铁竖向、水平位移变形发展；②开挖顺序和开挖工艺不合理，不当的开挖工艺或开挖顺序加剧地铁竖向、水平位移发展；③当地下水回灌施工时，回灌过程增加地下水，促使地铁上浮。

2 基坑分仓设计分析

分仓方案比选阶段围绕地铁变形控制指标，经查阅资料发现，现有运营地铁结建项目多将大基坑化整为零，采用跳仓法施工，通过控制每个小仓的变形，整体控制地铁变形。

将整个建设区域分为13个小仓，整体建设周期约7年，不满足4.5年的总体建设工期，且该工程紧邻北运河，土层含水丰富，分仓数量越多，越不利于控制地下结构渗漏，同时不利于工程后期使用。小仓设计方案如图2所示。

图2 小仓分仓设计

2.1 大仓小挖分仓设计

近地铁基坑施工时，加快基坑施工速度是降低基坑风险最有效的控制措施。在保证地铁变形受控的情况下，尽量加大分仓面积，再设计每个分仓区域内的内支撑体系，将大仓分成多个独立单元。通过限定单次开挖面积，开挖分仓内部分区域，实现小挖，由此形成大仓小挖的设计方案，如图3所示。

图3 大仓小挖分仓设计

基于以上思路，从设计角度优化支护体系及模拟工况，验证设计方案及施工方案的可行性。通过优化分仓布置，减少基坑分仓数量，很大程度上节约建设工期，同时，为控制地铁变形，需结合分仓布置合理的围护结构，减少复杂水文地质对基坑的影响。

根据模拟结果，按工程建设分期进行分仓，每个仓通过设置对撑形成多个独立的开挖单元。在建设周期、成本投入、变形控制预计效果方面，通过对比多重设计方案，分析各方案的可行性，在施工周期和变形控制预演中，大仓小挖方案的各方面效果都优于初步小基坑间隔跳仓开挖方案：①工期 小基坑间隔跳仓开挖方案建设周期约7年，大仓小挖方案施工工期约4年；②地铁变形 通过三维有限元模拟分析，按大仓小挖方案施工，地铁隆沉约9.29mm。

2.2 大仓围护结构设计

地铁两侧基坑采用同步对称的施工方式，整体施工顺序为1期→2期→3期→4期，大仓方案分仓设计平面如图4所示。车站西侧2A，3A期基坑深11.8m，采用直径800～1 000mm钻孔灌注桩+2道钢筋混凝土桁架支撑。车站东侧2B，3B期基坑深16.6～17.1m，采用1 000mm厚地下连续墙+3道内支撑。

图4 大仓方案分仓设计平面

基坑采用800mm厚水泥土搅拌墙止水，与既有车站地下连续墙形成封闭的止水帷幕，坑内降水。止水帷幕墙底隔断第一承压含水层，第二承压含水层无突涌风险,水泥土搅拌墙长30.6～41.0m。在基坑止水帷幕与地铁车站及隧道止水帷幕连接处，施作φ1 800mm MJS超高压旋喷桩封堵，确保接缝止水效果。

2.3 大仓内支撑体系设计

为实现预期控制效果，采用对撑+角撑及边桁架形式，如图5所示，使基坑分成多个独立单元，支护体系为整体设计，但通过分块、分段开挖，实现各对撑间的独立性，使各单元开挖期间不对相邻单元产生附加应力。

图5 基坑整体内支撑平面

以2期基坑为例，2A期内支撑设计为混凝土环撑，出土栈桥采用临时坡道+钢栈桥形式；2B期基坑设计为微膨胀混凝土对撑。对撑及贴近地铁结构一侧均设计加强板，并作为出土栈桥板使用，加强地铁水平结构控制效果。2A期支护采用换撑+对撑形式，根据现场情况，2A期南环直径不足以设置出土坡道，故只在北环设置出土坡道，如图6所示。对撑采用简易钢栈桥连通两个环，实现快速出土。

图6 大仓撑桥一体设计平面

2B期一侧地铁变形较大处设置内扶壁地下连续墙，阻止地铁结构向2B期基坑一侧倾斜。南北侧车站与支护结构连接部位、盾构隧道与车站分界处设置内扶壁地下连续墙(π形)，如图7所示，以增加围护刚度，并进行留土护壁。

图7 内扶壁地下连续墙设计平面

由于开挖深度不同，在2B期最后一步土方开挖高度设置间隔5.0m的钢斜撑，以阻止地铁结构向2B期基坑一侧倾斜，如图8所示。并于钢斜撑下部设置加筋垫层，辅助控制地铁侧向位移变形。

图8 钢斜撑设计剖面

2.4 大仓降水设计

基坑降水方案综合考虑地质条件及基坑围护结构。降水整体采用坑内疏干降水方案+减压备用井的形式，坑外设置一定数量的观测井，以便及时掌握坑内外水位变化。

由于基坑内有地铁穿过，对降水要求较高，坑内降水应尽量减少对坑外的影响。基坑内降水井遵循浅埋原则，加大井底到止水帷幕底部的距离，进而延长地下水的绕流路径，同时加大下部承压水向上的越流补给路径，减小基坑降水对坑外浅层水和下部承压水的影响。

根据大仓小挖分仓模拟数据，确定2，3期基坑水位采取动态控制方式，单井有效疏干面积按250m2考虑，并预留10%的备用井，分为降水和回灌部分，共同作用以控制地铁变形，降水井分布情况如图9所示。通过设置浅层疏干井、减压井控制基坑施工过程中地下水头高度，且地铁结构两侧基坑开挖深度不同，会导致地铁结构侧向位移，在地铁结构两侧设置回灌井作为水位动态控制井，通过调节地铁两侧水头高差辅助控制地铁侧向位移。

图9 基坑降水井布置平面

2.5 小挖施工方法

以2期基坑为例，基于时空效应理论，确定两侧基坑采取对称、平面分块、竖向分层、优先形成对撑的岛式开挖方式，以减少土方开挖对地铁变形的影响。按基坑开挖卸荷对地铁影响程度，整体划分为近地铁区和远地铁区，按支撑体系对基坑进行分层、分块。2A，2B期基坑分分别划分为3，4层，如图10所示。

图10 基坑开挖分层

土方开挖顺序由远地铁向近地铁开挖，优先形成对撑，单次开挖面积控制在600m2内，单次开挖量控制在2 500m3内，施工段划分如图11所示。开挖时严格遵循预定方案，结合监测、降水深度情况综合动态调整开挖步序，避免不均衡开挖导致地铁扭曲变形。

图11 施工段划分示意

为防止基坑开挖到一定深度后，由于坑底下土体受未隔断承压水顶托突涌引发侧向位移，因此深基坑应按需、定量降水，确保基坑施工安全。

2B期靠近地铁20m范围内采用抽条开挖，每20m为一段，自南向北逐段抽条开挖，每段开挖完成后及时进行垫层施工。垫层施工完成后，方可开挖下段土方。随抽条开挖及时进行垫层施工，减少基底暴露时间。基于时空效应理论，严格控制开挖面积、开挖量，限制开挖卸荷量。

3 实施效果

以2A，2B期基坑开挖为例，通过设计和施工措施，控制地铁竖向隆起在10.3mm，控制上行线(向2B期一侧)地铁侧向位移在4.8mm(报警值为6mm)，差异沉降控制在0.17mm/10m，降水导致基坑周边沉降2mm，总体相对稳定。基坑施工过程中，因措施得当，地铁车站主体和盾构隧道变形始终受控，且变形趋势稳定，承压水水位降深等值线如图12所示。

图12 承压水水位降深等值线

通过大仓小挖设计使工程直接节约成本约3 500 万元。现场方案实施效果良好，体现方案的优越性。同时采用分块、分段开挖实现大仓小挖，缩短工期约3年。

4 结语

运营地铁两侧基坑群大仓小挖分仓设计是通过分析、模拟特级风险基坑的施工变形风险，以主动控制为出发点，对比工期、施工难度等方面，进而形成的设计思路，单从变形控制角度进行分析，基坑间隔调仓设计变形控制要较大仓小挖分仓设计容易，但从工期角度出发，再结合风险控制措施，达到同样变形控制条件的同时，既节约建设成本，又节约建设工期，是新设计思路。