近接地铁条件下深基坑施工控制与分析

2021-09-03周丁恒张志勇贾世涛曹力桥荆鸿飞

青岛理工大学学报 2021年4期

周丁恒，张志勇，贾世涛，曹力桥，荆鸿飞

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600； 2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

随着大城市地铁线网的加密，临近地铁工程建设活动也日益增多，其中基坑工程近接地铁是其中的一种。目前，数值分析方法在基坑近接施工研究中应用广泛，主要方式是通过计算模拟分析基坑施工引起的临近地铁结构变形及受力特征[1]，但数值分析受制于参数选取、本构模型等诸多主观因素的限制，模拟结果准确性存在失真可能。相对数值分析手段，现场实测可直接反映基坑施工对临近地铁结构的影响规律和程度：魏纲等[2]对近地铁加固侧与远离地铁非加固侧的深层土体位移、地表沉降、支撑轴力及压顶梁的监测结果进行了对比分析；徐中华等[3]针对临近地铁隧道的超深基坑，提出了分坑顺作、两墙合一地下连续墙、被动区加固、钢支撑补偿体系等措施，并对基坑变形和地铁隧道变形进行了现场监测；殷一弘[4]也展开了和徐中华等[3]类似的研究，依托基坑采取了分区顺做、板式支护、多道支撑的支护结构；丁智等[5]根据已有的临近地铁的基坑实测数据，研究了施工全过程中深层土体侧向位移与地铁隧道变形之间的规律，分析了基坑开挖的危险施工节点与重点影响区域；魏纲等[6]对临近基坑的隧道的水平位移、竖向位移及水平收敛进行了监测，分析了影响规律及加固效果；张立明等[7]就软土地区深基坑对临近地铁结构影响进行了实测分析。现场实测可作为数值分析的比较手段，验证数值计算的合理性[8-10]。

通过对国内基坑近接地铁实测研究查阅、分析，现场实测案例主要集中在基坑临近地铁隧道，同时近接车站和隧道的实测案例很少。本文以现场监测为手段，分析同时临近地铁车站和隧道的软土深基坑施工中深层土体位移、地面沉降、地下水位变化及支撑受力情况，并对盾构裂缝尺寸及分布进行统计分析，力求丰富临近深基坑近接地铁的研究。

1 工程背景

1.1 工程概况

依托项目为综合体，包含3层地下室，各楼板面标高分别为-6.0，-9.6，-14.8 m，采用钻孔灌注桩作为基础。基坑在平面上近似矩形，尺寸约为265 m×130 m，开挖深度15.8～16.3 m，电梯井处更深，属超大超深基坑。基坑北侧临近1，4号线换乘车站及1号线区间，基坑及其与地铁的关系如图1所示。基坑范围的盾构线长约为210 m，地下室外墙距离地铁结构及盾构线外边沿最小距离约15.4～17.7 m，基坑北侧临近地铁1号线部位开挖深度15.8～16.3 m。基坑深度、长度以及基坑与地铁的距离因素，决定了基坑对地铁影响较大，尤其是对距离最近的1号线区间右线的影响十分明显。

图1 基坑与地铁结构平面位置关系

1.2 围护方案及施工顺序

基坑划分为Ⅰ基坑和Ⅱ基坑(Ⅱ-1基坑和Ⅱ-2基坑)，各分基坑之间设置分隔墙。地铁侧基坑围护结构为地下连续墙，墙外侧设置隔离桩，坑外主动区和坑内被动区均进行了加固。基坑其他侧围护结构为钻孔灌注桩+三轴搅拌桩。土方开挖遵循“分层、分段、分块、限时开挖”和“先撑后挖、限时支撑、严禁超挖”的原则进行。先进行Ⅰ基坑开挖，待Ⅰ基坑地下室结构施工完成后，Ⅱ-1基坑先施工，待Ⅱ-1基坑施工至底下1层楼板后，开始Ⅱ-2区块的土方开挖，最后施工Ⅱ基坑地下室结构。

Ⅰ基坑设3道混凝土支撑，Ⅱ基坑第1，2道设置混凝土支撑，第3，4道采用可调节内力钢支撑。部分位置位于淤泥质土层，坑内被动区采用三轴搅拌桩加固。

为控制基坑开挖对地铁结构的影响，施工中采取垫层加强、增设型钢支撑、支撑拆除与换撑控制、隔离桩保护、控制止水帷幕质量、减少基坑暴露时间、增加监测频率及北侧地铁周边的施工荷载控制等措施。

2 地质条件

2.1 工程地质条件

项目所在区域地表以下68 m深度内可划分为8个工程地质层，细分为 13个工程地质亚层，自上而下分别是：①杂填土、②黏质粉土、③砂质粉土、⑤砂质粉土夹粉砂、⑥-1淤泥质粉质黏土、⑥-2淤泥质黏土、⑧ 黏土、⑨-1粉质黏土夹粉砂、⑨-2圆砾、⑨-1粉质黏土夹粉砂、⑩-a全风化泥质粉砂岩、⑩-b强风化泥质粉砂岩、⑩-c中等风化泥质粉砂岩。坑底以下为淤泥质土，影响整体稳定和变形控制。基坑范围内上面9层土体参数列于表1中。

表1 土体物理力学参数

2.2 水文地质条件

孔隙潜水主要赋存于填土及黏质粉土、砂质粉土层中。地下水位一般埋深于地表下1.2～2.9 m左右，水位年变幅在1.0～2.0 m左右。该潜水水位升降主要受大气降水、周边河道等影响，并随季节性变化。

孔隙承压水主要贮存在圆砾层中，承压水埋深-37.98 m左右(绝对标高)，承压水位标高-2.80 m(绝对标高)，水头35.18 m。承压水随季节变化，水位年变幅在1.0～2.0 m左右。

基坑开挖范围内存在大厚度的粉土层，渗透系数大，地下水对基坑开挖影响较大，临地铁侧做好止水措施，且不允许地铁侧进行降水施工。

3 基坑现场监测与分析

3.1 监测布置

基坑监测内容包括深层土体位移、坑内外地下水位、支撑轴力及地面沉降，具体监测数量列于表2中，其中，深层土体位移为土体的水平位移。现场布置如图2所示。

表2 基坑监测项目

图2 基坑监测平面布置

3.2 基坑监测结果分析

3.2.1 深层土体位移

分别在基坑东南西北4个方向上各选取1个测点进行分析，分别是CX20，CX30，CX35，CX39，其中CX20为近地铁侧的测点。不同施工阶段深层土体位移曲线如图3所示，Ⅱ基坑施工对距其较远的CX30，CX35，CX39测点影响较小，未继续对3个测点深层土体位移进行监测。

图3 不同施工阶段深层土体位移分布曲线

CX20，CX30，CX35，CX39测点最大监测值分别为27.70，29.99，22.71，25.78 mm，由于土体的流变效应，CX30，CX35，CX39测点深层土体位移在Ⅱ基坑施工期间和施工后将继续发展，CX20测点后期深层土体位移变化量约10 mm，可大致判断其他3个测点未监测的后期深层土体位移变化量超过10 mm。比较CX20测点与其他3个测点，说明分区开挖方法能较好地控制基坑周边土体变形。CX20测点最大监测值所处深度始终在3 m左右，而其他3个测点最大监测值所处深度随着基坑向下开挖逐渐下移，Ⅰ基坑地下室结构施工后，最大监测值所处深度为6～7 m。以CX30，CX35，CX39测点为基础，综合其他与Ⅱ基坑较远的测点深层土体位移监测结果，Ⅰ基坑地下结构施工阶段，各测点的深层土体位移变化较大，该阶段是土体变形控制的重要阶段。

3.2.2 地面沉降

在44个点的深层土体位移监测中，CJ9—CJ23测点布置在Ⅰ基坑侧，CJ1—CJ8、CJ24测点布置在Ⅱ基坑侧，选择CJ9—CJ23测点监测结果进行分析，不同施工阶段地面沉降监测结果如图4所示。由图4可知：

1) Ⅰ基坑2层开挖后，地面沉降最大为6.53 mm，15个测点地面沉降平均为2.68 mm；

2) Ⅰ基坑3层开挖后，相对于Ⅰ基坑2层开挖，地面沉降有一定幅度的增大，增大幅度在3.94～7.28 mm。Ⅰ基坑3层开挖后地面沉降最大值和平均值分别为11.17和8.21 mm；

3) 相对于Ⅰ基坑3层开挖，Ⅰ基坑地下室结构施工地面沉降变化非常明显，增大幅度在26.41～34.62 mm，地面沉降最大值和平均值分别为44.55和39.82 mm。

3.2.3 地下水位变化

在25个点的地下水位监测中，SW5—SW16测点布置在Ⅰ基坑外侧，SW1—SW4，SW17测点布置在Ⅱ基坑外侧，SW18，SW19布置在Ⅱ基坑内，SW20—SW25布置在Ⅰ基坑内。Ⅰ基坑外侧测点不同施工阶段地下水位监测结果如图5(a)所示(Ⅱ基坑施工及以后未进行监测)，Ⅱ基坑外侧测点不同施工阶段地下水位监测结果如图5(b)所示，地下水位用正值表示，含义为距地表的距离。

图5 不同施工阶段地下水位监测结果

Ⅰ基坑外侧坑外降水点初始水位普遍低于Ⅱ基坑外侧坑外降水点初始水位。由图5(a)可知：

1) Ⅰ基坑外侧12个测点中有10个测点地下水位随基坑开挖下降，在下降过程中，以Ⅰ基坑2层开挖阶段变化最为显著；

2) SW10，SW12测点地下水位均经过了“先降低，再上升”的过程，SW10测点最终水位与初始水位基本一致。SW12测点初始地下水位6.06 m，Ⅰ基坑开挖后变为4.63 m，水位变化量为1.43 m；

3) Ⅰ基坑外侧12个坑外测点最大水位变化量为1.824 m，大多数测点水位变化均大于Ⅱ基坑外侧测点水位变化，说明分区分块开挖，对地下水位变化的控制效果明显。

由图5(b)可知：Ⅱ基坑外侧4个测点地下水位随基坑开挖逐渐下降，Ⅰ基坑地下室结构施工阶段地下水位变化明显，施工完成后一段时间，地下水位也有一定变化，整个施工过程中地下水位最大变化量为0.79 m。

3.2.4 支撑轴力

Ⅰ基坑3道支撑、Ⅱ基坑4道支撑均进行了轴力监测。Ⅰ，Ⅱ基坑1道、2道、3道支撑累计变化量控制指标分别为±8 000，±10 000，±12 000 kN，Ⅱ基坑第4道支撑累计变化量控制指标为±14 000 kN。部分支撑轴力最终监测结果列于表3中，通过对68组支撑轴力情况进行分析可知：Ⅰ，Ⅱ基坑量测的支撑轴力满足控制标准，且有一定的安全余量；Ⅰ基坑3道支撑轴力大于2道支撑轴力，1道支撑轴力小于2，3道支撑轴力；Ⅱ基坑支撑轴力大于Ⅰ基坑同道支撑轴力。

表3 部分支撑轴力最终监测结果 kN

4 1号线上行线监测结果分析

4.1 位移监测结果

1号线上行线距离基坑最近，受基坑施工影响最明显。自车站端部开始，从右至左在1号线上行线内部布设了44个监测断面。本文以1号线上行线为对象，分析了不同施工阶段竖向位移、差异沉降、水平位移及收敛变化情况，结果如图7所示。

图7 Ⅱ基坑施工后盾构隧道新增裂缝典型情况

由图6(a)可知：①Ⅰ基坑2层开挖后，除1号测点-0.8 mm和8号测点0.2 mm外，其他测点竖向位移均在0.7～1.7 mm；②Ⅰ基坑3层开挖对各测点竖向位移影响不大，其中左侧测点变化幅度稍大于右侧测点；③Ⅰ基坑地下室结构施工阶段，右侧部分测点竖向位移变化十分明显，其原因是在Ⅱ基坑施工前右侧基坑边界与1号线的距离小于左侧；④Ⅱ基坑施工阶段各测点的竖向位移变化较小，表明分区施工对控制隧道竖向位移作用明显；⑤基坑施工完成后，各测点竖向位移继续增大，但变化幅度不大。

由图6(b)可知：各测点差异沉降在基坑横向上分布呈“波浪”特征，且随着施工进展变化无明显规律，在-1.5～2.5 mm变化。

由图6(c)可知：①Ⅰ基坑2层开挖后，各测点水平位移相差不大，均在-0.8～1.1 mm范围内；②Ⅰ基坑3层开挖阶段，16—24号测点水平位移增大，两侧测点稍有增大或减小；③Ⅰ基坑地下室结构施工阶段，16—24号测点水平位移继续大幅度增大，两侧测点变化稍有增大或减小；④Ⅱ基坑施工对各测点的水平位移影响不大。

由图6(d)可知道：①收敛值在基坑横向上呈现“中间大，两边小”的特征，其中以20号测点收敛最大；②Ⅰ基坑2层开挖后，大部分测点收敛值均在1.0～1.8 mm范围内；③Ⅰ基坑3层开挖后，各测点收敛均有小幅度增大；④Ⅰ基坑地下室结构施工阶段，4—36号测点收敛值有明显变化，其中以20号测点变化幅度最大，增大了13.7 mm；⑤Ⅱ基坑施工对收敛影响很小，但Ⅱ基坑施工完成后，由于土体流变效应，各测点收敛继续增大。

4.2 隧道变形控制效果分析

《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202—2013)对地铁隧道安全控制指标值做了规定，其中水平位移、竖向位移及径向收敛均要求小于20 mm，差异沉降要求小于4 mm。由图6可知，最大竖向位移为-6.6 mm，最大差异沉降为2.4 mm，最大水平位移为4.0 mm，最大收敛为20.9 mm(20号断面)，其中竖向位移、差异沉降、水平位移均满足控制要求，但20号断面的收敛超过了控制要求。

5 盾构隧道裂缝情况

5.1 裂缝数量及空间分布特征

在Ⅰ基坑和Ⅱ基坑地下室结构施工完成后，对距离基坑最近的1号线上行线隧道内进行了现场巡查，对2个阶段盾构隧道的新增裂缝情况进行了详细记录，Ⅱ基坑地下室结构施工完成后盾构隧道新增裂缝典型情况如图7所示。

不同施工阶段新增裂缝情况如图8所示，新增裂缝全部在盾构隧道上半部分。Ⅰ基坑地下室结构施工后盾构隧道新增了74条，主要分布在12点钟位置，该位置裂缝条数占比63.5%，9点钟、10—11点钟位置分布有6条和5条裂缝，其他位置裂缝在1～4条。Ⅱ基坑地下室结构施工后，新增裂缝51条，12点钟位置裂缝数量占全部数量的41.2%，相对于Ⅰ基坑地下室结构施工后有所减少，11点钟、11—12点钟位置裂缝数量增加，占比分别为23.5%，13.7%，表明Ⅱ基坑施工阶段盾构隧道裂缝顶部集中效应减弱。

图8 Ⅱ基坑施工后裂缝位置分布

5.2 裂缝尺寸特征

以Ⅱ基坑施工后1号线上行线盾构隧道新增裂缝为研究点，宽度分布及收敛值分布如图9、图10所示。由图9可知：①Ⅱ基坑施工后新增裂缝宽度主要在0.6 mm以下，约占总数的92.6%。0.6～0.8 mm宽度范围内无裂缝。0.8 mm以上裂缝宽度相对较少，约占总数的7.4%；②整体上，裂缝数量与宽度成反比关系，宽度越大的裂缝出现的概率越小。由图10可知：新增裂缝收敛值基本都大于3 mm，大部分在6 mm以上，其中6 mm以上占比约为78.4%，3～6 mm收敛值范围占比约为19.6%，收敛值在3 mm以下仅有1条。