紧邻地铁隧道的深基坑工程设计与施工要点

陈 颖 张冬梅

1. 同济大学 上海 200092；2. 上海申通地铁集团有限公司 上海 200070

1 工程概况

1.1 项目情况

中美信托大厦工程地处上海市虹口区，位于吴淞路、苏州路、乍浦路及天潼路合围地块内，项目由2座15～23层塔楼及4层商业裙楼组成，基坑普通区域设置4层地下室，邻近地铁区域设置2层地下室。塔楼上部建筑外边线与地铁盾构外边线最小净距为11.5 m。邻近地铁侧地下2层区域挖深约10.4 m，结构围护外边线与地铁结构外边线最小净距10.2 m；普遍区域为地下4层，挖深18.75～19.35 m，结构围护外边线与地铁结构外边线最小净距22.2 m，基坑开挖总面积约10 000 m2，详见图1。

图1 项目总平面

1.2 隧道结构情况及控制措施

项目对应的地铁区间为天潼路站—国际客运中心站，该段区间为单圆通缝隧道，所处地层为④—⑤1，基坑位于隧道南侧，基坑北面与隧道近似水平，最小水平净距10 m，靠近基坑一侧为地铁上行线，隧道顶部埋深23.70～25.30 m，基坑与地铁线路平行长度约为110 m。

根据历年来“深、大、近”这类基坑项目对隧道结构的影响数据分析，地铁监护管理部门已逐渐形成了一套较为适合上海软土地质情况的设计要求，主要有以下几个方面[1-4]：

1）时空效应（总体指导原则）：按照“先远后近”分区开挖支撑施工，各区应严格按照“分区、分块、对称、平衡、限时”原则指导开挖。

2）“大坑”+“小坑”模式：适用于基坑与轨道交通距离近且对基坑变形控制要求较高的项目，通过设置1道临时分隔墙，将大基坑分为远离轨道交通的大基坑和邻近轨道交通的窄条基坑，从而使深大基坑相对远离轨道交通，先开挖远处的大基坑，通过快速施工完成大基坑底板浇筑，控制大坑卸荷产生的坑内隆起和坑外沉降。同时由于窄条基坑坑内回弹及深层土地滑移较小，因此窄条基坑开挖时可通过重点控制窄条基坑的侧向变形以达到控制隧道结构变形的目的。

3）条坑钢支撑轴力伺服系统：为更好控制基坑变形对隧道结构的影响，小坑长度一般不超过20 m，便于设置钢支撑轴力伺服系统，其特点在于24 h实时监控，低压自动补偿、高压自动报警，全方位多重安全保障。同样，该措施适用于对基坑变形严格控制的工程项目。

4）条坑坑内土体加固：如小坑与轨道交通结构距离较近、挖深较深或项目对应范围隧道结构状态较差，一般会要求小坑进行满堂加固，以增加围护结构内侧土体的被动土压力，提高土体抗侧向的变形能力。

1.3 围护结构设计方案

结合隧道结构情况并根据指导意见形成以下方案：

1）分区及开挖顺序：整个基坑分为A、B、C、D共4个分区。A、B区基坑开挖面积共8 660 m2，普遍挖深18.75～19.35 m。C、D区基坑开挖面积共1 340 m2，挖深10.4 m。工程采用顺作法施工，拟开挖顺序为：首先施工A区基坑，待A区基坑地下室结构施工完成后同时施工B区基坑及C区基坑，B区基坑及C区基坑地下室结构施工完成后，最后施工D区基坑。

2）围护形式：邻近地铁侧C、D区基坑挖深10.4 m，外侧围护结构及坑内分区临时中隔墙采用800 mm厚地下连续墙+φ850 mm三轴水泥土搅拌桩夹心槽壁加固，外侧地下连续墙深32 m，加固范围与地下连续墙同深。A、B区基坑挖深18.8～19.60 m，基坑外侧围护结构及坑内分区临时中隔墙采用1 000 mm厚地下连续墙，墙深约50 m，地下连续墙外侧墙缝设置φ1 000 mm@700 mm高压旋喷桩加强接缝止水。

3）加固形式：邻近地铁侧窄条基坑内采用φ850 mm三轴水泥土搅拌桩满堂加固，自第2道支撑底至坑底以下12 m（比大坑坑底深3 m），大坑采用φ850 mm三轴水泥土搅拌桩裙边满堂加固，加固宽度约8 m，加固深度自第2道支撑至坑底以下6 m。

4）支撑形式：A、B区基坑竖向设4道钢筋混凝土支撑，井字形对撑，支撑间距不宜超过9 m。C、D区采用1道钢筋混凝土支撑+2道钢支撑，钢支撑要求采用自动轴力补偿系统。

1.4 清障方案

场地范围内影响C、D区地下连续墙及三轴搅拌桩加固施工需拔桩的老桩共20根，桩径600～800 mm，桩长约36 m，清障深度26.4～42.4 m，与隧道结构外边线净距10 m，施工时采用钢套筒沉入土体，将桩身与土体分离减小摩阻后，将老桩分段拔除，使用RT-200H全套管全回转钻孔机驱动钢套管360°旋转切割沉入，进行桩身与土体有效分离并辅以专用设备将钢丝绳下方与桩身牢固锁扣后，采用大型起重设备将桩段拔除。选用的钢套管直径为2 000 mm，钢套管长度为54 m（6 m长度9节），并配备120 t履带吊配合清障和拔桩。

2 监测数据及隧道结构变形分析

本文监测数据主要针对隧道内变形监测，包括沉降、收敛和水平位移，地铁隧道监测点布置见图2（因上行线与基坑距离更近且变化趋势一致，故本次数据分析均针对上行线）。

图2 监测点布置

整个监测周期主要可分为以下12个阶段：拔桩施工、停工、桩基施工、A区基坑开挖、A区地下结构施工、C区基坑开挖、C区地下结构施工、B区基坑开挖、B区地下结构施工、D区基坑开挖、地上结构施工、后期跟踪。

2.1 沉降分析

结合图3、图4曲线可以看出：

图3 上行线道床沉降阶段变形曲线1

图4 上行线道床沉降阶段变形曲线2

1）纵观整个监测期间，施工正投影范围内上行线道床沉降变形由东向西呈现上坡形状。最大下沉和上抬变形均超过报警值±5 mm。施工正投影范围内下沉为－7 mm，最.大上抬+8 mm。监测范围内存在差异沉降约18 mm。

2）拔桩施工导致B、D区域正投影范围内隧道上行线道床产生显著沉降，对应区域内SX12—SX19监测点段在拔桩期间累计变形均超过报警值±5 mm，最大累计下沉－9 mm。

3）A区基坑开挖阶段，上行线道床累计变形量约－8 mm；C区基坑开挖阶段，监护监测范围内上行线道床阶段变形表现为整体上抬，累计最大上抬+11 mm；B区基坑开挖阶段，影响区域内隧道上行线道床阶段变形不明显，监护监测范围内累计最大下沉量－5 mm，累计变形量+10 mm；D区基坑开挖阶段，影响区域内隧道上行线道床阶段变形表现为明显上抬，施工正投影范围内累计最大上抬+12 mm，沉降变形受基坑开挖影响较明显。

2.2 收敛分析

结合图5、图6曲线可以看出：

图5 上行线收敛阶段变形曲线1

图6 上行线收敛阶段变形曲线2

1）正对投影及西延伸区域内上行线累计收敛变形全部超过报警值±5 mm，正对投影范围内累计最大变形量+53 mm。

2）拔桩施工阶段，A、C投影范围内收敛变形不明显，B、D投影范围有明显拉伸现象，且累计变化量超过报警值+5 mm，主要受B、D区清障影响。

3）A区基坑开挖阶段，A、C区投影范围内收敛变形表现为明显拉伸，阶段最大变形量+12 mm。后期地下结构施工阶段，监护监测范围内收敛整体表现为拉伸，最大阶段拉伸量+6 mm。

4）C区基坑开挖阶段，A、C区投影范围内收敛有轻微拉伸。其余区域未有明显变化趋势。

5）B区基坑开挖阶段，B、D区正投影范围内收敛阶段变形表现为明显拉伸，最大阶段变形量+14 mm，累计变化量约+40 mm。

6）D区基坑开挖阶段，B、D区投影范围内收敛最大累计变化量+50 mm。

2.3 水平位移分析

结合图7～图9曲线可以看出：

图7 上行线水平位移阶段变形曲线1

图8 上行线水平位移阶段变形曲线2

图9 上行线水平位移部分特征点累计变形曲线

1）在整个施工过程中，盾构隧道水平向变形主要表现为向基坑方向位移，并且基坑开挖引起的水平位移基本大于桩基施工和地下结构施工阶段的隧道位移。

2）在项目A、C区基坑开挖完成时，上行线隧道大部分监测点位移已超过报警值±5 mm，最大累计变化量位于正对投影范围内，为+8 mm。在B、D区基坑施工完成时，隧道正对基坑B、D区域的水平位移已基本超过+20 mm，最大累计变化量+25 mm。

3）监护范围内隧道最终水平位移呈抛物线形状，正对基坑范围内的隧道水平位移最大，延伸范围内的水平位移到基坑的距离逐渐减小。

3 结语

大量工程案例表明，在软土地区，基坑开挖过程中邻侧土体的卸荷作用导致基坑围护结构产生相应变形，从而带动坑外隧道随着土体一并产生相应位移变形。坑外既有隧道因与基坑的距离、开挖深度、现场土层条件、设计方案（支护形式）、施工工法等诸多因素有关，不同条件会产生较大差异影响。通过对本项目施工过程和监测数据的对比分析，有如下特点：

1）清障施工对隧道沉降和收敛影响较大，B区清障施工时监测范围内上行线收敛累计变形量接近10 mm。因老桩与隧道结构距离较近，且深度超过隧道底埋深，拔桩时对隧道侧向土体产生多次扰动，从而产生较大变形。

2）等到项目基坑开挖时，鉴于基坑设计按照“大坑+小坑”模式，在A区开挖时应离隧道结构较远，地铁侧留土宽度约20 m，所以大坑开挖对沉降和收敛的影响仍在可控范围内，等到B区开挖时因受清障施工影响，导致隧道结构变形出现“先沉后隆的现象”，且发展速率较快。

3）隧道水平位移方面表现为施工过程中持续向基坑方向发展，并且呈现大区开挖影响大于小区开挖的影响；后开挖比先开挖基坑造成的隧道水平变形更大，这是由于后开挖相当于对土体进行多次扰动。

4）在拔桩施工和停工阶段，项目对隧道水平向变形影响较小，但在桩基和地下连续墙施工阶段前期，地下连续墙槽壁加固对周围土体产生挤压效果，造成隧道向背离基坑的方向发生位移，当槽壁加固完成后，地下连续墙施工会造成周围土体应力释放，从而导致隧道重新向基坑方向位移。