软土地区紧邻轨道交通设施的深大基坑设计与施工

2023-03-21胡帅峰成怡冲施良峰

工程质量 2023年2期

王澜，胡帅峰，成怡冲，施良峰，叶维

（1.宁波东部新城开发投资集团有限公司，浙江宁波 315042；2.浙江华展工程研究设计院有限公司，浙江宁波 315012）

0 引言

截至 2020 年 12 月，宁波轨道交通已有 4 条线路投入使用、6 段线路在建，共 103 个车站与换乘点，线路长达 154.31 km。随着城市轨道交通网络的完善，城市中的工程建设项目极有可能进入轨道交通保护区范围［1］。地铁隧道对变形控制极其严格，隧道管片的绝对位移不得超过 20 mm，变形曲率半径最小达到 15 000 m，且相对弯曲必须控制在 1/2 500 以内［2］。尽管如此，邻近地铁隧道的基坑开挖导致前者管片发生裂缝、渗漏、错台、接缝张开量、道床脱开等一系列结构病害的事件常有发生［3-5］。可见，紧邻轨道交通设施的基坑工程不仅要考虑基坑本身，还必须充分关注已有轨道交通隧道（车站）的安全问题，这也是临近轨道交通设施基坑工程实践中的重难点。本文结合紧邻宁波轨道交通 1 号线的宁波中央公园项目，探讨软土地区轨道交通控制保护区范围内深大基坑设计、施工与管理，为软土地区类似基坑工程提供参考。

1 工程概况

1.1 项目基本情况

本项目位于宁波市城东新城核心区，依托已经通车的轨道交通，旨在打造立体交通枢纽，通过该工程地下空间建设，贯通了宁波东部新城主轴和周边地下空间，提升了交通与土地利用的互动循环，缓解地面交通压力，为周边物业地下开发预留充分市政条件。

项目位置自然地坪标高为黄海高程 3.000 m，地下建设采用明挖法，基坑形状整体呈梯形，北侧长约 70 m、南侧长约 163 m、南北侧距离约 440 m；占地总面积为 74 457 m2，总建筑面积为 141 559.75 m2。整体设有 2～3 层地下室，3 层地下室区域规划为地下停车场，开挖深度最深为 15.9 m，2 层地下室区域作为下沉空间连接轨道交通设施与公交汽车站，开挖深度为 10.4～11.4 m。项目三维全景图如图 1 所示。场地所在位置土层信息如表 1 所示。

表1 工程地质参数表

图1 宁波中央公园项目三维全景图

1.2 周边环境情况

本项目周边环境情况复杂，需要考虑的主要保护设施相对位置如图 2 所示。

图2 基坑与周边设施相对位置关系图

基坑东侧距离用地红线最近 3.5 m，外侧为规划道路，再以东为正在进行上部结构施工的宁波中心项目一期工程；东南侧为正在进行施工的宁波中心项目二期工程基坑，开挖深度为 25 m，采用 1 100 mm 地下连续墙 +4 道支撑的围护形式，与本项目基坑最近距离 28 m，存在交叉施工工况；南侧紧贴红线，外侧为现状宁穿路，下方设有轨道交通 1 号线海晏北路站与 5 号线换乘通道，两者保护要求极高，是本工程重点保护对象；西侧距离用地红线约 9.0 m，外侧为规划承源路；北侧距离用地红线约 5.0 m，外侧为现状宁东路，属城市交通主干道。基坑外南、北侧布设有多条雨（污）水及燃气管等市政管线，最近距离约 4 m。

图 3 为本项目 2 层地下室基坑与轨道交通设施的位置关系。由图可见，基坑与已施工完成的连通道仅有一墙之隔，连通道宽度为 11～12 m，基坑最南侧距离轨道交通 1 号线海晏北路车站仅为 11.7 m。

图3 基坑与轨道交通设施位置关系图（单位：mm）

2 基坑技术与管理措施

基坑开挖期间轨道交通 1 号线处于运行状态，对基坑变形控制要求较高，具体如下。

1）距离轨道交通车站 50 m 以外，3 层地下室区域变形控制为 55 mm。

2）距离轨道交通 50 m 以内，3 层地下室区域变形控制为 31 mm，2 层地下室区域变形控制为 21 mm。

3）根据轨道交通相关部门的要求，轨道交通车站及隧道的控制变形要求在 10 mm 以内。

综合考虑本项目安全性与经济性，本工程主要采用的技术与管理措施如下。

2.1 支护结构加强

基坑内设置有 2～3 层地下室，整体采用地下连续墙结合 2 或 3 道钢筋混凝土水平支撑的支护结构形式，墙厚 800～1 000 mm。

轨道交通及附属设施保护考虑的加强措施如下。

1）地连墙增厚。对于基坑南侧紧邻连通道部分地下连续墙由 800 mm 增厚至 1 000 mm。

2）地连墙加长。为减小开挖卸荷对车站及连通道的影响，增加基坑南侧部分地连墙嵌固深度。

3）被动区加固。紧邻轨道交通设施区域整体采用高压旋喷桩或三轴搅拌桩进行栅格式加固。

2.2 分区分块开挖

本工程属于超大超深基坑，且周围环境较为复杂（邻近道路与轨道交通设施）。为控制周边环境变形，采用“化整为零，分区实施”的思想将基坑划分为 A、B和 C 三个大区。

A 区（3 层地下室）最近处离轨道交通设施约100 m，由于开挖面积大，使用钻孔灌注桩分成 2 个区域（A1、A2）。B 区（3 层地下室）最近处距离轨道交通设施约 30 m，对车站影响较为直接，使用地下连续墙分成 3 个小区域（B1、B2、B3）。C 区（2 层地下室）紧邻轨道交通设施且与连通道相连，对轨道交通设施的影响最为直接，使用地下连续墙分成 3 个区域（C1、C2、C3）。

严格按照“分区跳仓”开挖原则进行施工，避免基坑一次性大范围开挖卸荷对轨道交通隧道及其附属设施产生较大影响。图 4 所示为“分区跳仓”开挖施工的具体流程，阴影部分表示工况正在施工或前一部分区块顶板施工完成。

图4 分区跳仓开挖示意图

前期施工完成的连通道的地墙能对车站变形起到“隔离作用”，对轨道交通车站进行一定程度上的变形保护。

2.3 合理标段设置

项目基坑南北向跨度较大，地质条件存在差异，根据基坑与轨道交通之间的位置关系，整体划分为两个标段。其中，A 区属于第Ⅰ标段，B、C 区属于第Ⅱ标段。为缩减整体施工工期，两个标段基坑基于上节介绍的“分区跳仓”施工原则同时进行作业，整体做到各有侧重但相互协调。

根据项目标段划分及分坑情况，对基坑场平布置进行优化，具体布置情况如下。

A 区 2 个分区开挖面积大，A1、A2 在对撑西侧及角撑交汇处设置有 3 个出土口与施工平台，并在对撑中部设置施工斜栈桥。

B1 区由南向北分 4 个台阶退挖至坑底，每次开挖坡度 1∶3，B2 区自东向西、B3 区自西向东同时开挖。在设置施工平台时 B1 区两侧及北侧各设置 1 个出土口，B2 区域在西侧设置 2 个出土口，B3 区域东侧设置 2 个出土口。

C1、C2 区域向西侧出土，C3 区域向东侧出土，故在 C1、C2 区域西侧，C3 区域东侧各设置 1 个施工平台。为减少重车对轨道交通隧道及附属设施的影响，先在 C2 区西侧铺设宽约 8 m 的车道板，并使用塘渣铺设宽约 5 m 的运土道路。

2.4 交叉施工控制

本项目基坑开挖时与东南侧宁波中心二期项目地下室存在交叉施工的情况，考虑相邻基坑施工的相互影响。主要采取以下措施。

1）基坑东南侧进行被动区加固。A 区使用三轴搅拌桩进行栅格式加固，增强靠近宁波中心基坑一侧围护结构的抗变形能力。

2）遵循“先撑后挖、限时支撑、分层开挖、严禁超挖”的施工原则［6］，调整挖土与设撑的先后顺序。角部位置先行开挖，及时形成有效的支撑体系，充分利用时空效应尽量减少坑内土体无支撑的暴露时间，减小基坑变形。另外，基坑东南侧适当增加垫层厚度与配筋，使垫层在一定程度上充当临时支撑，起到控制基坑变形的作用。

3）除 B3 区域和 C3 区域场地条件不允许外，施工平台与出土方向一律设置在基坑西侧，相邻基坑间道路严格限制施工荷载。

4）实行信息化施工管理。加强相邻基坑监测单位间的联系与信息互通，及时发现施工中产生的异常因素，反馈指导施工，避免不利情况发展，为工程抢险提供时间。

3 有限元模拟

为验证上述设计与施工举措对轨道交通设施的保护价值，利用 Midas GTX 建立有限元模型进行计算分析，计算模型如图 5 所示。

图5 有限元计算模型

3.1 模型建立

据目前已有经验以及相关的研究成果，基坑分析范围边线距离基坑边的距离为 3～5H，其中H为基坑开挖深度［7］，以此确定三维数值模型东西向长度 362 m、南北向长度 636 m 的区域，标高范围 3.000～-97.000 m（黄海高程）。模型底边界约束水平和竖直方向位移，左右侧边约束水平位移，顶部边界自由。

模型中支护桩、地下连续墙与衬砌均采用板单元进行等效替代，支撑采用梁单元。

模型计算工况遵循“分区分块”开挖原则，数据自第 1 次土体开挖始计入结果。