复杂周边环境下地铁深基坑变形控制技术应用研究

2021-10-15李鸿浩

建筑施工 2021年5期

李鸿浩

腾达建设集团股份有限公司上海 201204

城市中深基坑开挖工程越来越多，且位置多处于城市繁华区域。基坑开挖过程会对周边建筑、地下结构及管线等保护对象造成影响，一旦造成损坏，后果将十分严重[1]。国内外许多学者对类似问题进行研究：张杰[2]通过对现场监测数据的分析，合理设置挖土顺序及底板浇筑流程，调整深坑的支撑体系，减少挖土及底板施工时间，以此确保基坑的安全。廖锦坤[3]认为在深基坑施工中，必须根据监测数据及时调整施工方法和施工顺序，严格控制支撑时间，才能更好地控制基坑变形。江岩明[4]认为深基坑施工中钢支撑轴力伺服系统能够有效弥补钢支撑轴力易损伤的缺点，将钢支撑的轴力由被动受压和松弛的变形转变为主动加压调控变形，能有效控制基坑变形，进而控制周边建筑物沉降。吴绍升[5]以地铁工程为依托，开展了深层承压水抽灌一体化试验，发现回灌井运行后地面沉降速率有减小趋势，是一种控制地面沉降，保护周边环境的措施。本文结合上海轨道交通18号线（简称轨交18号线）莲溪路站工程实际和监测数据，分析了深基坑变形控制多项技术的具体联合应用，为类似工程深基坑变形控制和周边环境保护提供借鉴。

1 工程概况

上海轨交18号线莲溪路站位于浦东新区北蔡镇，沿莲溪路南北向布置，与运营中的轨交13号线莲溪路站换乘。车站总长143.9 m，标准宽度25.0 m，为地下3层双柱3跨14.0 m的岛式站台车站，覆土深度4.66 m。基坑开挖深度25.4～27.2 m，属于超深狭长形基坑（图1）。

图1 总平面示意

车站围护结构采用厚1.2 m、深55 m的地下连续墙，为十字钢板柔性接头，地下连续墙槽壁加固采用深12 m的φ650 mm@450 mm三轴搅拌桩。车站底板以下3 m采用抽条旋喷加固。基坑采用7道水平支撑，第1、5道为混凝土支撑，第2、3、4、7道为φ609 mm、壁厚16 mm的钢支撑，第6道为φ800 mm、壁厚20 mm的钢支撑。

由于基坑长度较长，开挖深度较深，现场采用厚1.2 m、深55 m的地下连续墙将主体基坑分隔为北区基坑和南区基坑这2个较小的基坑进行开挖。开挖顺序为先开挖北坑，待北坑主体结构封顶后再开挖南坑，均采用明挖顺作法施工。

车站基坑西南侧为正德医院，地面4、5层，地下2层，与车站基坑最近距离6.9 m。西侧为丝届商业楼4、5层，与车站基坑最近距离25.8 m。西北侧为上海汽车空调配件有限公司2层办公楼，与车站主体基坑最近距离38.8 m。东北侧为中电绿色科技园水泵站，与车站基坑最近距离7.8 m。东侧为中电绿色科技园1层配电室，与车站主体基坑最近距离11.8m，东侧3层办公楼与车站基坑最近距离10.3 m，东南侧5层办公楼与车站基坑最近距离13.2 m。

基坑两侧为临排市政管线，详见图2。东侧与基坑最近的管线为临排污水管，距离基坑约2.8 m，西侧与基坑最近的管线为临排信息管，距离基坑约7.1 m。

图2 结构与周边管线相对关系

根据基坑深度及环境条件，车站主体基坑安全保护等级为一级，环境保护等级为一级，基坑开挖期间，围护结构最大水平位移≤0.14%H（H为基坑开挖深度）。

2 工程水文地质

经勘察揭露，本车站地基土在80.0 m深度范围内均为第四纪松散沉积物，属第四系滨海平原地基土沉积层，主要由饱和黏性土、粉土和粉砂组成。本工程地层受古河道侵切影响，缺失坚硬的⑥层土场地。

对本工程有影响的含水层为浅层的潜水层和深部的承压含水层。潜水主要赋存于浅层土中，在验算时考虑取地下高水位埋深0.50 m计算。

根据本次勘察，揭露的第⑤1t、⑤2-2、⑤32b层为微承压水含水层，第⑦2层为承压含水层，第⑤32b层和第⑦2层存在水力联系。根据上海市工程实践，（微）承压水水位埋深年呈周期变化，第⑤1t、⑤2-2层微承压水一般埋深变化范围为3.0～11.0 m，第⑤32b、⑦2层承压水一般埋深变化范围为3.0～12.0 m。

3 工程重、难点

1）周边建筑物及管线距离基坑边线过近，周边环境保护难度较大，对基坑变形控制要求较高。

2）本工程基坑开挖深度较深，开挖及支护工序较多，开挖时间较长，造成基坑无支护暴露时间过长，易造成基坑及周边环境变形累计值超过警戒值。

3）传统钢支撑支护形式中，钢支撑轴力因易受温差、预应力损失等因素影响而出现较大损失。

4）本工程项目地层受古河道侵切影响，缺失坚硬的⑥层土。

5）本工程周边建筑物受到轨交18号线莲溪路站基坑分坑多次开挖及（微）承压水降水影响，保护难度较大。

4 基坑变形控制技术

4.1 土方开挖施工技术

以北坑为例，如图3所示，对基坑每层土方进行分段（仓）划分，对每段进行分块划分，对块进行编号，先挖中间通道土，再挖两侧护壁土。根据上海软土施工经验，规定每层每段土方开挖及支撑工作时间，减少无支撑暴露时间。

图3 基坑开挖分块

1）根据上海工程经验，上海③、④层软土流变的时间一般为24 h，根据本工程所处地层情况、施工效率、土体流变性质以及土层地应力大小，对无支撑暴露时间的基坑变形进行分级控制，具体如下：

① 对于第1、2层土，在每个工作时段内开挖1仓（3根支撑），务必在24 h内架设完毕。

② 对于第3、4层土，在每个工作时段内开挖1仓（2根支撑），务必在18 h内架设完毕。

③ 对于第5、6层土，在每个工作时段内开挖1仓（2根支撑），务必在16 h内架设完毕。

2）为保证基坑开挖安全、有序、高效，对基坑土方进行分层、分仓开挖。考虑土方车运输方向，基坑由北向南开挖。

3）每一仓进行开挖时，先开挖中间通道，利用两侧盆边留土提供的被动土压力提供一定时间的变形抑制作用，然后迅速开挖两侧盆边土。根据坑外挖机作业半径，一般留土宽度为5～6 m，根据朗肯被动土压力计算，在支撑架设前，盆边土提供1 600～2 700 kN的土压力，有利于一定的基坑变形控制。

4.2 基坑降水与回灌

坑内布置21口疏干井，成孔直径均为600 mm，管径273 mm。采用真空深井对基坑进行降水疏干，基坑开挖前降水，降水后水位应达到开挖面以下1.0 m后进行开挖。

坑内设置14口降压井，井深50 m，观测井及备用降压井2口，井深50 m。坑外设置10口回灌井兼观测井，井深54 m。经抗突涌验算，基坑开挖深度超过19.69 m时开始启动降压井。井位布置如图4所示。

图4 基坑降水井平面布置示意

由于基坑转角处地下连续墙为“Z”字幅，地下连续墙厚1.2 m、深55 m，单幅钢筋笼近90 t，整幅无法加工，现场拆分为2幅钢筋笼分别吊入。转角“Z”字幅成槽，

地下连续墙槽壁不易稳定，地下连续墙浇筑时易夹泥。此外，由于场地分段交地原因，现场南坑地下连续墙亦分多次施工，地下连续墙施工间隔较长，新老接缝较多，存在渗漏隐患。因此在基坑开挖前，认真对待抽水试验，其中在南坑进行了3次抽水试验，南坑抽水试验结果如图5～图7所示。

图5 坑内降压时坑外观测井水位埋深-时间曲线（第1次抽水试验）

图6 坑内Y2、Y3抽水运行时坑外观测井水位埋深-时间曲线（第2次抽水试验）

图7 坑内Y2、Y3抽水运行时坑外观测井水位埋深-时间曲线（第3次抽水试验）

根据表1，历次抽水试验分析与处理情况如下：

表1 南坑观测井历次抽水试验统计对比

1）由于第1次抽水试验东侧坑外观测井水位下降较大，对转角幅地下连续墙接缝处施打φ2 200 mm的与地下连续墙同深MJS加固桩体，经过加固后进行第2次抽水试验，坑内观测井水位迅速下降，从5口井抽水运行减少到启动2口井即可，抽水时间缩短到1 h即可满足坑内降压的要求。

2）发现各承压观测井水位下降差异较大，对新老地下连续墙接缝处经过再次施打φ2 200 mm的与地下连续墙同深MJS加固桩体后，第3次抽水试验坑内观测井水位下降与第2次相比仍然呈继续下降趋势，抽水不到1 h即可满足坑内降压要求。

3）经第3次抽水试验观测，各承压观测井水位差异缩小不明显，经专家判断为地层原因。需在坑外贴近建筑物处设置2～3口回灌井，为避免对坑内抽水的影响，井远离抽水中心设置。单井回灌量4.5 t/h，回灌量∶出水量＝1∶3。

4.3 钢支撑选型

钢支撑原设计为φ609 mm、壁厚16 mm的钢管，根据同类工程加载经验，最大承载轴力为1 800 kN。对于本工程最深达27 m的超深基坑，要达到一级变形控制要求，力有不逮。

经查询，φ800 mm、壁厚12 mm的钢管，单位长度质量与φ609 mm、壁厚16 mm的钢管相同，经比较分析，两者刚度有差异，根据压杆稳定性公式对轴向承载力进行简算可知：现场采用φ800 mm、壁厚12 mm的钢管替代φ609 mm、壁厚16 mm的钢管，更具承载优势。

4.4 钢支撑自动伺服技术应用

考虑到基坑开挖深度较深、基坑较长，当采用传统钢支撑支护形式时，不利于周边环境风险控制，基坑易发生变形。因此，现场采用钢支撑轴力自动补偿系统。

现场采用φ800 mm的钢管，因此，钢支撑承载力值需重新调整。根据现场钢支撑加载试验及基坑监测变形数据进行调整，每层钢支撑实际加载值如表2所示。

表2 伺服钢支撑轴力加载值

采用钢支撑轴力自动补偿系统时，应做好钢支撑预拼工作。坑内采用激光测距，提供精确长度以选取钢支撑预拼，从而取消支撑活络头、简化支撑，形成一端伺服千斤顶，一端法兰盘与预埋钢板贴合的形式，减少了因活络头变形而造成的轴力损失。

5 监测数据分析

本工程在基坑围护结构及周边布置了地下连续墙围护测斜点、沉降监测点等。在地下连续墙围护结构中共布置35孔测斜孔，编号P01—P35；在周边建筑物角点及伸缩缝等处布置76个房屋沉降观测点，编号F01—F76；基坑周边管线每15 m间距设置1个监测点，共设置200个。

开挖时基坑及周边建筑物监测数据如图8～图11所示，具体分析如下。

图8 北坑地下连续墙测斜

图9 南坑地下连续墙测斜

图10 北坑开挖阶段周边建筑物沉降曲线

图11 南坑开挖阶段周边建筑物沉降曲线

基坑分为2个基坑分别开挖，北坑于2018年3月27日开始开挖，于2018年7月15日基坑底板浇筑封底。此阶段地下连续墙最大水平位移累计值为34.94 mm，发生在地下30 m深度处。周边建筑物最大下沉值位于东北侧，最大沉降值为－59.57 mm；南坑于2018年11月24日开始开挖，于2019年5月15日基坑底板浇筑封底。此阶段地下连续墙最大水平位移累计值为38.98 mm，发生在地下28.50 m深度处。周边建筑物最大下沉值位于东南侧，最大沉降值为－63.80 mm。

基坑开挖期间，北坑及南坑围护结构最大水平位移均满足≤0.14%H（H为基坑开挖深度）。由于钢支撑自动伺服系统技术、钢支撑选型及基坑开挖技术等的应用，在第1道支撑至第5道支撑开挖深度范围内，围护结构侧向变形值为较小的负值，在第5道支撑深度以下范围内，由于土压力的增大而增长为较小的正值，基坑变形控制达到要求。同时，虽然围护结构侧向变形较小，但是由于本工程地层缺失坚硬的⑥层土下卧层，周边建筑物仍然产生了一定的沉降。根据实测结果可知，得益于基坑降水与回灌等技术的应用，周边建筑物差异性沉降小，并逐渐趋于稳定，周边环境安全尚在风险控制范围内。