老城区复杂环境下地铁车站基坑开挖安全控制

2021-08-26尹永明

山西建筑 2021年17期

尹永明

(上海市基础工程集团有限公司，上海 200002)

0 引言

地铁车站深基坑工程往往位于城市中心区域，周边环境较为复杂，深基坑开挖过程中若管控不当，将对基坑、周边管线、道路及建(构)筑物等造成较大的变形、沉降，甚至是破坏。因此，地铁车站深基坑的风险管控要求越来越严格。目前，有许多学者、工程技术人员对基坑变形控制、风险管控措施等进行研究分析，如林廷松[1]针对软土地区地铁深基坑的致命性风险，提出了深入细化设计方案及施工工序、加强施工期各责任主体风险管控意识及参与程度等一系列措施。林锦贤[2]针对某明挖法深基坑地铁车站的安全问题，以各个施工阶段为划分，从施工、技术、安全等角度出发，建议了地铁深基坑安全的全过程管理措施。宗金辉、曹浪等[3，4]从控制基坑变形的角度来确保基坑及其周边环境的安全，通过有限元软件建立模型进行计算得到的数据与实际监测数据进行对比分析，既验证了变形预测结果的可靠性，又得到可以预测地铁基坑变形的模型，通过此种方法，在一定程度上能够提前发现问题及隐患，及时采取有效措施确保基坑安全。本文详细介绍了上海软土地区老城区复杂环境条件下某地铁车站深基坑开挖施工的风险因素、过程中采取或改进的安全施工技术措施，最后对过程中的施工经验作出了相应的总结。

1 工程概况

上海轨道交通18号线工程土建工程13标丹阳路站位于杨树浦路、江浦路路口北侧，南至杨树浦路、北至丹阳路，沿江浦路南北向设置，为地下3层双柱三跨车站，车站主体规模为174 m×21.6 m(内净)，端头井结构总宽度为25 m(内净)。围护形式为地下连续墙(十字钢板接头)，深度52 m，厚度1.2 m。中间设封堵墙分为南北2个基坑。南端头井基坑长89.5 m，其中工作井部分长15.1 m、宽26.6 m、开挖深度27.15 m，标准段部分长74.4 m、宽22.8 m(局部25.4 m)、开挖深度25.37 m；北端头井基坑长84.9 m，其中工作井部分长15.472 m、宽26.7 m、开挖深度26.8 m，标准段部分长69.428 m、宽22.8 m、开挖深度25.37 m。车站标准段基坑设置6道撑，1，4道为混凝土支撑，2，3，5，6道为钢支撑，端头井基坑设置7道撑，1，4道为混凝土支撑，2，3，5，6，7道为钢支撑。

该车站主体基坑安全等级为一级，环境等级一级，要求地面最大沉降量不大于0.1%开挖深度，围护最大水平位移不大于0.14%开挖深度。周边老旧居民区及管线多且距离基坑近，基坑施工对周边保护要求高；另外，车站底板位于⑤1t黏质粉土夹粉质黏土、⑤2a层砂质粉土，进入⑤2a层2 m～8 m。因此，丹阳路站车站主体基坑开挖风险较高。

2 基坑开挖阶段风险因素分析

根据本工程所处的场地地质条件、周边环境等情况分析，主要的风险有以下几点：

1)临近既有建筑物的保护。车站主体基坑，东侧福宁路以北为五金江浦大楼(距离约9.4 m)、凯达苑居民区(距离约8.4 m)，西侧为翻交江浦路、4号出入口管廊及上水工房(距离约17.9 m)，南侧为杨树浦路及渔人码头(距地下室边线最近30.5 m)，周边建筑物的位置如图1所示。除五金江浦大楼为钢筋混凝土结构、桩基础形式外，其余建筑物皆为砖混结构、条形基础形式。以上建筑物皆在2倍基坑开挖深度影响范围内，施工难度大，保护要求高。

2)周边管线的保护。丹阳路站周边管线复杂，车站主体基坑施工阶段，杨树浦路上沿东西向有电力电缆、上水管、雨水管、污水管、燃气管、信息管等，最近一组电力电缆(埋深1.30 m)最近距离7 m；江浦路(翻交道路)主要为原江浦路改迁翻排的管线，主体东侧主要为电力排管、电信信息架空、上水埋管、煤气及雨污水管线，最近管线为雨污水管(埋深1.7 m)距离基坑1 m；西侧为电力架空、煤气、上水管、电信信息、雨污水管线, 最近管线为雨污水管(埋深1.7 m)距离基坑2 m～4 m。周边管线位置如图2所示。

3)软土地区地质条件下施工。上海是典型的软土地区，在地面下普遍分布有厚层软黏性土，其具有含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高、灵敏度高、触变性等不良工程地质特性，受扰动易发生结构破坏，导致强度降低，进而诱发地表变形；而且软土还有低渗透性、流变性等特点，应力状态发生改变时，产生流变，对基坑开挖稳定性影响较大。加上围护周边动载的影响，变形控制难度加大。

4)基坑降水难度大、风险点多。拟建场地沿线浅部第③j层灰色砂质粉土与淤泥质粉质黏土互层及局部第③层灰色淤泥质粉质黏土层地段粉性较重，在水动力作用下，易产生流砂、管涌、坍塌等现象；局部基坑坑底落在第⑤2a层砂质粉土层中，该层土含沙量较大，属微承压水层，在水动力作用下易发生流变现象；另外，基坑围护结构地墙深度为52 m，未隔断第⑦层承压水，承压水位按照5.40 m计算，基坑坑底存在突涌风险；最后，本工程主体车站基坑面积较大，需要降低地下水位的幅度较大，降低承压水位势必会对临近建筑物及地下管线等造成一定程度的影响，因此，降水必须做到按需降水。

3 安全施工技术措施的优化

3.1 事前控制

项目部根据致命性风险的实施周期及风险特征，综合考虑基坑开挖工况、降水工况，2019年春节前Ⅰ期南侧基坑开挖至第四道混凝土支撑位置。后跨越2019年春节后继续向下开挖。考虑设计支撑间距(纵向)、周边环境敏感性、基坑暴露时间及基坑总体变形量指标控制，遂决定采用第二、三道钢支撑由普通609钢支撑调整增加应力伺服系统，以进一步控制基坑变形。

3.2 事中控制

1)Ⅰ期南侧基坑在开挖第一层土方时，考虑到该基坑设计第1道～第2道撑间距大，达到5.5 m，另外考虑到开挖安装支撑需求，开挖深度需达到6.0 m，对支撑形成前的基坑变形量有较大影响。经研究，开挖该层土方时，以分2层进行开挖，即第一仓～第二仓第1层开挖3.5 m，后进行第一仓第2层开挖至支撑安装位置，后进行支撑安装加载，同时配合支撑应力伺服系统使用达到基坑暴露时间缩短及基坑变形量小的效果。

2)另外，Ⅰ期南侧基坑在开挖第4层土方时，考虑到第4道混凝土支撑形成支撑力时间长，第4道混凝土支撑形成阶段自土方挖至标高后采取增加临时钢支撑的措施控制变形，总体效果明显。

根据过程中监测数据的统计分析，第1层土方分2层开挖的方法使得基坑实际分层变形指标明显优于设计的分层控制指标(普遍为设计变形值的30%～50%)，同时配合第4道混凝土支撑施工阶段增加1道临时钢支撑减小基坑变形量，基坑后续开挖及底板施工时围护变形情况稳定。

3)该车站主体Ⅰ期南侧基坑实际减压降水自第五道撑底开挖第六道撑时开始，初期运行2口减压井。考虑到基坑标准段东西两侧环境敏感性，在降至安全水位后调整为工作井位置1口降压井设置回流装置持续抽水并控制抽水量，标准段1口降压井根据安全水位情况适时开启，控制水位降深满足基坑安全水位。经观测、统计，自降压起至后续结构回筑施工，周边环境沉降总体稳定，无明显波动。

4)另根据南端头井实际开挖及降水情况，基坑收底阶段坑底土体固结情况良好，并形成首段底板。收底至工作井范围及标准段局部位置开挖进入⑤2层，初期坑底土体固结良好，后连日降雨及开挖扰动，坑内明水在排除后土体液化明显，部分下翻结构位置开挖困难，经轻型井点抽水后，土体固结效果明显。

3.3 事后总结

1)结合Ⅰ期南侧基坑钢支撑应力伺服系统运行与变形的规律，优化Ⅱ期北侧基坑应力伺服系统运行。

根据Ⅰ期南侧基坑第2道、3道钢支撑应力伺服系统运行及基坑开挖过程中每道支撑轴力变化情况，采集部分数据进行统计对比分析，发现Ⅰ期南侧基坑开挖过程中，第2道，第3道支撑轴力先增大后减小后趋于稳定；第5道支撑轴力变化相对稳定，开挖至底板后第6道支撑所受压力最大。

根据上述规律，北端头井基坑以第4道混凝土支撑为基准，该道混凝土支撑以上钢支撑根据施工变形随时调整轴力，调整范围为设计轴力100%～120%；该道混凝土支撑以下钢支撑轴力按最大值设定，硬件条件安全情况下尽量增加压力。

2)结合Ⅰ期南侧基坑⑤2层及⑦层承压水降压与环境影响情况，对Ⅱ期北侧基坑施工方法及降水井布置进行优化。

根据Ⅰ期南侧基坑实际开挖及降水情况，基坑收底阶段坑底土体固结情况良好，并形成首段底板。收底至工作井范围及标准段局部位置开挖进入⑤2层，初期坑底土体固结良好，后连日降雨及开挖扰动，坑内明水在排除后土体液化明显，部分下翻结构开挖困难，经轻型井点抽水后，土体固结效果明显。结合Ⅱ期北侧基坑底⑤2层土层特性及环境敏感程度，在Ⅱ期北侧基坑工作井局部增加坑底加固，同时设置墙缝止水措施改善基坑渗漏水及降低明水对收底工作的影响。另根据南侧基坑实际开挖降水运行情况，结合北侧基坑坑底进入⑤2层土8 m～10 m的情况，优化Ⅱ期北侧基坑降压井的布置，在满足⑦层降压的情况下，调整2口⑦ 层降压井为⑤2层坑内减压兼观测井，以应对⑤2层降水需求。