时空效应技术在紧邻地铁超深基坑工程中的应用与研究

金 勇 姜 欣 周 想 曹 鹏 张友杰 薛 宁 钦伟轩

中国建筑第八工程局有限公司总承包公司 上海 201204

1 工程概况

1.1 总体概况

本工程基坑面积18 000 m2，分为6个基坑（图1），基坑大面积开挖深度为17.8～18.1 m，局部最大开挖深度为20.1 m。基坑安全等级为一级，环境等级为邻地铁侧一级、其余二级。

图1 基坑分区

1.2 地质概况

根据工程勘察报告，场地土层主要由黏性土、粉性土和砂土组成。场地无⑦层承压水，因此承压水对本工程基坑无影响。坑底位于③层灰色淤泥质粉质黏土层。

1.3 周边环境

工程周边环境比较复杂，场地北侧为上海轨道交通17号线（下称“轨交17号线”）诸光路站，距基坑边线仅24 m；场地南侧及西侧为在建工地；东侧为诸光路，地下分布有雨水、电力、燃气、军用电缆等11条管线。基坑开挖阶段对周边环境的保护要求极高（图2）。

图2 项目地理位置

2 基坑围护设计

2.1 围护体系及坑内加固

本工程邻近轨交17号线，为减少基坑大面积开挖对地铁的影响及考虑场内待建建筑物分布情况，将基坑分为6个小坑。根据本工程环境保护要求，围护结构采用地下连续墙，外围护地下连续墙厚度为1 000 mm，中间分隔墙厚度为800 mm。地下连续墙两侧采用φ850 mm@600 mm三轴搅拌桩槽壁加固；基坑裙边加固为φ850 mm@600 mm三轴搅拌桩，邻地铁侧裙边加固采用φ1 000 mm@700 mm三重高压旋喷桩。集水井、电梯井等落深区采用φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩进行深坑周边加固，深坑封底采用φ800 mm@600 mm双重高压旋喷桩加固。

2.2 支撑体系

A1-2及A2-1区设置4道混凝土支撑；A1-1、A2-2、A3、A4区设置1道混凝土支撑及4道钢支撑，钢支撑采用轴力自动补偿系统。

3 工程重难点

1）工程基坑面积约20 000 m2，大面积开挖深度为18.3 m，土方开挖总量达27.6万 m3。

3）基坑北侧25 m范围内为轨交17号线诸光路站站台，站台上盖为玻璃顶棚，需要尽可能避免土方开挖卸荷作用对地铁的扰动影响。

4）根据基坑支护设计要求，基坑开挖引起的最大深层水平位移不大于25 mm（地铁侧）、54 mm（其他侧）。

5）本工程基坑与围墙间距离较小（约5 m），无法形成环路，交通组织难度大，现场平面布置困难。紧邻国家会展中心，道路管制多，出土困难。

4 施工流程及开挖设计思路

考虑到对地铁运营的影响，先开挖A1-1及A1-2区，待A1-1及A1-2区地下1层结构完成后再开挖A2-1及A2-2区，待A2-1及A2-2区地下1层结构完成后再开挖A3区，待A3区地下1层结构完成后再开挖A4区。

1）利用基坑变形的时间、空间特点，考虑应用“分层、分块、平衡、对称、限时”的施工方法，充分发挥土体在一定时间、空间条件下自身抗变形的能力，限制土体的流变变形。

2）土方开挖过程中，遵循时空效应原理，按照“先撑后挖、随挖随撑、加强监测”的原则，分层分段开挖，并及时进行支撑施工。

3）实时监测围护结构和周围环境的变形、受力情况，实现深基坑土方开挖施工过程信息化管理。

她坐在了身边的一把椅子上，将自己脸的侧面对着我，我觉得她的呼吸很重，她的两条腿摆来摆去的，和刚才的手一样找不到位置，我就说：“萍萍，你今天是怎么了？今天我来了，你也不给我倒一杯水喝，也不给我削一个苹果吃，你是不是讨厌我了？”

4）为减小土方开挖对地铁沿线围护结构位移和土体变形的影响，远离地铁基坑采用盆式开挖，从边坡土方开挖到支撑浇筑并与已形成的支撑对接完毕控制在48 h内。邻近地铁侧小坑区域，按分区顺序进行抽条开挖，每个小分区从土方开挖到钢支撑形成控制在12 h内。

5 土方开挖施工

5.1 盆式开挖

A1-2区及A2-1区第1层土方采用大开挖，第2层及以下土方采用盆式开挖，A1-2分为7个区（图3），A2-1区分为6个区（图4），总体原则为先开挖中部土方，形成中部支撑，再限时对称开挖邻近围护结构的土方。边坡留土，坡顶宽4H（H为开挖深度），高宽比1∶1.5。基坑开挖时应分层开挖，并做到随挖随撑[1-2]。

图3 A1-2区土方分块

图4 A2-1区土方分块

考虑时间效应，土方开挖完成48 h内完成混凝土支撑施工，确保围护结构不会产生较大位移。

5.2 抽条开挖

A1-1、A2-2、A3、A4区第1层采用大开挖，第2层及以下采用抽条开挖，分别分为3个区、10个区、8个区、9个区（图5～图8），从西向东抽条开挖。随挖随撑，严格控制基坑变形。考虑时间效应，土方开挖完成12 h内完成钢支撑施工，确保支护结构及地铁运行的安全稳定。

图5 A2-2区土方分块

图6 A3区土方分块

图7 A4区土方分块

图8 A1-1区土方分块

6 支撑施工

6.1 混凝土支撑

A1-2、A2-1区设4道混凝土支撑，邻地铁小坑首道支撑为混凝土支撑。支撑混凝土等级C40，第2～4道支撑上设φ28 mm@1 500 mm的吊筋，与地下连续墙主筋焊接。

6.2 钢支撑

A2-2、A3及A4区钢支撑采用φ609 mm×16 mm钢管，预加轴力初始值分别为400、1 500 kN，A1-1区钢支撑分别采用φ609 mm×16 mm及φ800 mm×20 mm钢管，预加轴力初始值分别为1 200、2 000 kN。

钢支撑施工时注意挖土至钢支撑设计标高以下50 cm左右，分别在基坑两边对应凿出预埋件或地下连续墙钢筋，量出2个相应接触点间的支撑长度，校核地面上已拼装好的支撑。施工至最后一道钢支撑时，复核钢支撑的标高，要确保最后一道钢支撑底距坑底不小于3.2 m，以免挖机无法行走造成超挖现象。

施加应力时以500 kN为一级分级施加，钢支撑预应力每级施加后停顿3～5 min，直至达到设计值。

钢支撑智能自动调节系统具备支撑轴力实时监控、报警和自动补偿功能，系统可根据事先设定好的每根钢支撑的轴力设定值及上、下限值进行相应的轴力动态调整。即当支撑的实测轴力低于设定的下限时，系统会自动启动，将目标支撑的轴力加载到设定值，反之亦然。系统也可根据现场具体实际要求，进行轴力的手动增大或减小操作。

7 结构回筑

7.1 中隔墙换撑

本工程采用“中隔墙换撑工法”进行换撑施工。即在一侧结构施工完成之后，通过在中隔墙上开洞使主梁提前贯通的方法来取代发挥临时支撑作用的内支撑结构体系，从而保证临时性内支撑拆除后，工程施工能继续安全顺利地进行。其实质是应力的安全有序调整、转移和再分配。通过换撑受力体系的计算，使用结构主梁换撑工法确保围护体系的稳固，不仅减少了换撑施工工序，而且还无需进行换撑、拆撑等施工工作，避免出现工期延长、造价增加等问题。其具体工况如下。

1）在破除后施工基坑第4道支撑的同时，在地下室结构主梁位置对应的中隔墙上破除一部分混凝土，使之形成一个略大于主梁截面的洞口（每边外扩20～500 mm）。然后将这些梁通过这个洞口全部贯通，作为一种换撑方式（图9）。

图9 楼板换撑示意1

2）类似地，在浇筑后施工基坑的地下1层底板时也应将主梁贯通（图10）。

图10 楼板换撑示意2

3）待地下室结构施工至－0.10 m后再开始大面积破除中隔墙，然后将剩余的梁和板对接起来。

7.2 后浇带换撑

本基坑面积大，后浇带多，为使换撑型钢能够回收利用，将换撑型钢从后浇带内部改为在后浇带上部焊接，确保后浇带两侧力的传递。换撑型钢采用H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm，在型钢支撑两端设置预埋件（图11）。

图11 后浇带换撑示意

8 监测情况

本工程委托了第三方监测单位对其变形进行监测。实时监测了土方开挖对地铁隧道的变形影响，监测报表表明，基坑变形控制稳定，实施情况较好。

9 结语

本工程紧邻地铁深基坑，根据距地铁的远近划分了不同区域，采取了盆式开挖和抽条开挖2种方式，并采用了混凝土和钢支撑2种支撑方式，支撑施工满足了设计时限要求，结构回筑采用了中隔墙换撑和后浇带换撑，并在施工过程中采用了实时监测技术以确保施工过程受控。这些技术的运用，有效解决了上海软土地区复杂周边环境下超深超大基坑的变形控制问题，保证了轨交17号线的正常运营，为近地铁群坑土方开挖的设计和施工提供了参考。