临近地铁深基坑支护优化设计实践分析

钱嘉，芮凯军

(1.无锡市惠山区安信检测服务有限公司，江苏 无锡 214000；2.无锡市建筑设计研究院有限责任公司，江苏 无锡 214000)

0 前言

地铁作为城市交通生命线，在城市的日常运转中发挥着重要的作用，地铁工程的安全问题社会影响面广，关系重大。近年来随着经济的快速发展，城市建设日新月异，临近地铁线路开挖深基坑的案例越来越多。多年来的研究以及工程实践表明临坑地铁的变形主要由周边基坑的坑底隆起以及支护结构的侧向位移引起，同时也与地下水位的变化紧密联系。因此临近地铁深基坑支护的重点在于对基坑坑底隆起、支护结构侧向位移以及地下水位的有效控制。

在临近地铁侧开挖深基坑，由于地铁保护线的约束，锚索的使用受到严格的限制，桩撑体系几乎成了唯一可选的支护形式。桩撑支护体系从安全性角度来看具有足够的可靠度，是如今最为常见的支护体系之一。但从经济性角度来看，桩撑体系造价偏高；从施工便捷性角度来看，因为支撑体系位于基坑内部，会影响到土方开挖及地库结构的施工，如基坑内部存在多道支撑则在基坑开挖过程中需考虑支撑的施工、拆换撑等工况，严重影响项目的施工进度。因此，对临近地铁的深基坑支护进行优化设计，在保证地铁安全性的前提下，尽可能减少支撑体系对施工造成的不便，节约支护造价，创造更高的经济效益值得探讨。

本文以无锡某临近地铁的深基坑支护成功实践为例，探讨了两层地下室，采用桩+一道混凝土支撑支护，通过加大桩径、地铁侧分区开挖施工等一系列措施弥补支撑到基坑底的净支护高度较大问题的可行性。与常规桩+两道支撑方案相比不仅节省了成本也大幅加快了项目施工进度，可为以后类似情况下基坑支护设计与施工提供有益参考。

1 项目概况

无锡某新建地下停车场位于中心城区，拟建二层地下停车库及地面附属设施，建成后可提供321 个停车位缓解周边停车压力。该基坑南北长约78m，东西宽约71m，基坑面积约6100m2，开挖深度约8.85～9.85m。

本基坑东北侧为无锡地铁三号线太湖花园站～黄山路站区间，该区间为双线盾构区间，地铁轨面标高在-19.4～-20.3m(自南向北)，隧道顶部埋深在14.5～15.4m。盾构隧道外径6.2m，管片厚度0.35m，C50 混凝土，盾构管片环向共为6 块，每环纵向宽度为1.2m，环向分块及纵向之间通过高强螺栓连接。地铁隧道与基坑基本平行分布，围护结构距离地铁区间隧道外轮廓最小净距为12.2m。

图1 基坑工程与地铁隧道关系图

2 工程地质与地下水概况

基坑场地位于无锡市中心城区，拟建场地地貌形态属长江中下游冲湖积平原。在勘探深度内为第四纪冲积层，属长江中下游冲积层，基坑地层自上而下分布为①杂填土、②1 粉质黏土、③2 粉质黏土夹粉土、④1 粉土～粉砂、⑤2 粉质黏土、⑥1 粉质黏土～黏土、⑦2 粉质黏土、⑧1粉质黏土、⑨2粉土～粉砂、⑩3粉质黏土。为无锡地区典型土层，基坑开挖影响范围内的主要土层物理力学参数表如表1 所示，典型地质剖面如图2 所示。

表1 主要土层物理力学参数

图2 拟建场地典型工程地质剖面图

本场地地下水对基坑开挖存在影响的主要是＜1＞杂填土层中的潜水，＜2-2＞层粉质黏土夹粉土层及＜3-1＞粉土～粉砂层中的微承压水。

①上部＜1＞杂填土层中的潜水，主要接受大气降水及地表渗漏补给，其水位随季节、气候变化而上下浮动，正常年变幅在0.50m 左右。水面标高在2.75～3.00m 左右。近3～5 年该上层滞水～潜水最高地下水位在3.10m左右。

②中部＜2-2＞层粉质黏土夹粉土层及＜3-1＞粉土～粉砂层中的微承压水，补给来源主要为横向补给及上部少量越流补给。水位标高在0.00～-0.23m。

3 基坑支护方案分析

3.1 基坑支护重难点分析

本基坑支护具有如下难点。

①基坑沿地铁一侧长度近80m，开挖深度9.85m，开挖后空间效应明显。

②基坑沿地铁一侧距离地铁隧道较近，围护结构与地铁区间隧道外轮廓最小净距仅12.2m。

③基坑侧壁中下部为粉土粉砂层，含水量非常丰富，易发生流砂，对基坑及地铁安全不利。

④基坑周边场地较为紧张，缺乏施工场地，出土及材料运输困难。

⑤本项目工期安排较紧，支护体系需尽可能减少对出土及地库施工的影响，满足进度计划。

3.2 基坑支护体系选择

临近地铁基坑支护设计的关键在于支护桩的侧向位移以及坑底的隆起，因为工程实践表明这两点是引起地铁隧道及其附属设施产生变形的主要原因。同时，基坑外部地下水位的变化也与地铁的变形有着密切联系。

结合场地地质情况及本项目自身特点，基坑采用钻孔灌注桩+混凝土支撑支护，根据无锡地区类似土层情况及深基坑支护工程经验，常规做法为如下支护组合，一是桩顶卸土放坡+一道混凝土支撑支护，二是桩顶直接做到地面+两道混凝土支撑支护。考虑本项目自身场地情况，不存在桩顶卸土放坡条件，桩顶需做到自然地面。但采用两道混凝土支撑支护无疑将增加支护成本，同时基坑施工过程中需增加二道撑施工及拆除工况，拖慢项目施工进度，难以满足本项目施工进度计划。而采用支护桩到顶+一道支撑支护，支撑的位置有两个选择，一是支撑位于桩顶位置，这样有利于约束桩顶位移，但支撑到基坑底的支护高度增加，净距达到8.45m，这样容易造成支护桩弯矩增大，产生鼓肚效应；二是支撑做到围护桩腰部位置，这样可以有效降低支护高度，但对于桩顶位移约束不利。为了选择合适支护桩与支撑的组合，对上述几种情况分别进行试算，分析各种工况下基坑围护桩的侧向变形情况，计算结果如表2所示。

表2 围护桩与支撑工况组合试算结果

从表2 可以看出常规的围护桩+两道支撑能够有效控制围护桩侧向变形，达到地铁关于围护桩侧向变形的控制要求。围护桩+一道支撑方案，从计算结果来看，支撑设置于腰部位置对变形控制效果明显要好于支撑设置于桩顶部位，主要是由于支撑设置于桩顶部位，支护高度增加，支撑底面至基坑底净距达到8.45m，围护桩侧壁产生鼓肚效应。围护桩+一道支撑方案虽然侧向变形较围护桩+两道支撑大，但通过加大围护桩桩径的手段也能达到控制侧向变形的目的，同时随着支护桩桩径的加大，支撑设置于顶部与腰部的变形差异也明显减小。

考虑本项目场地较为紧张，将支撑设置于桩顶，在起到支护作用的同时也可以设置施工栈桥解决施工场地紧张的问题。虽然支撑设置于顶部存在明显的围护桩鼓肚效应，可通过加大桩间距来减弱这种不利影响，从整体来看对整个项目的顺利实施是利大于弊的。

3.3 地下水处理

地下水问题的处理是基坑支护成功与否的关键，同时地下水的变化也与地铁的变形有着密切联系。本项目基坑侧壁中下部进入了＜3-1＞粉土～粉砂层，根据无锡地区工程经验，该层土含水量非常丰富，易发生流砂，处理不当将严重威胁基坑以及地铁安全。本项目综合分析考虑项目土层情况以及无锡地区工程经验，四周采用三轴搅拌桩封闭止水，坑内采用管井疏干降水，同时为确保地铁侧安全，于桩间增加一道高压旋喷桩止水。实际开挖结果显示，基坑开挖及施工阶段虽处于无锡地区雨季，但未发生流沙等险情，止水措施取得了较好的效果。

4 基坑变形控制措施

研究表明基坑支护结构具有明显的时空效应，本项目基坑沿地铁一侧长度近80m，为了尽可能减少地铁侧基坑开挖施工持续时间，从有利于地铁保护的角度出发要求基坑土方开挖及地库施工分区进行，共划分三个区域，地铁侧80m 范围基坑划分为平行的一区、二区，远离地铁侧划分为三区，如图3 所示。基坑开挖及施工顺序如下：

图3 基坑工程施工分区图

①开挖至地下室负一层；

②一区二区负二层土方保留，三区土方开挖至负二层；

③回筑三区地下室；

④开挖一区土方并回筑一区地下室；

⑤开挖二区土方并回筑二区地下室。

5 基坑开挖实测分析

本基坑从3 月中旬土方开挖到7 月中旬大部分地库结构封顶，历时4 个月。横跨了无锡地区雨水最多的梅雨季节，但整个过程总体顺利，未发生重大险情也未发现基坑侧壁明显渗漏情况，支护结构变形均在设计要求范围内，基坑安全可控，西侧开挖到底现场如图4所示。

图4 基坑施工实况

支护桩施工时同步埋设桩身测斜孔，基坑开挖到底实测深层位移曲线如图5所示。

图5 桩身水平位移实测曲线

由图5 可以看出，开挖到底支护桩最大水平位移为13.21mm，小于0.15%的变形控制要求，满足设计要求。另外从三区开挖到底与一区开挖到底围护桩深层位移曲线可知，分块施工地铁侧留土对围护桩侧向位移有着较好的约束作用，留土的存在使得最大侧向水平位移减小了61%，与整体开挖施工相比使得侧向水平位移达到最大值推迟了1 个月，尽可能地减轻了基坑开挖对地铁线路的影响。

同时为了监控基坑开挖期间基坑坑底隆起情况，在坑内设置两排6 个坑底隆起观测点，实测数据如图6所示。

图6 坑底隆起实测曲线

由图6 可以看出，基坑底最大隆起为6.42mm，满足规范要求。另外坑底隆起位移曲线在初期存在沉降现象，推测原因为坑底位于粉土粉砂层，基坑降水导致坑底短时间内产生沉降。

6 结论

①本项目采用桩+一道支撑支护，与常规桩+两道支撑的方案相比大大节省了支护成本，同时也加快了项目施工进度，将支撑设于桩顶位置并设置T 型施工栈桥，解决了施工场地不足的问题，在安全性、经济性、施工便捷性三个方面取得了平衡。

②由于采用桩+一道支撑支护，对项目的分析也发现当支撑到基坑底的净支护高度较大时易发生鼓肚情况，对于围护结构的侧向位移控制不利，此时应通过增大桩径等措施来控制变形。

③基坑结构具有明显的时空效应，基坑分块施工有助于控制围护结构侧向位移，对于地铁的保护有利。