上海紧邻地铁超大深基坑工程设计与实践

2024-02-27韩晓

岩土工程技术 2024年1期

韩晓

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125）

0 引言

近年来，我国城市建设快速发展，城市核心区中大型商业办公综合体项目通常地下开挖深度较大，其中部分项目紧邻地铁等市政设施，对周边环境的保护要求高。软土地区深基坑开挖易引起周边土体的扰动、邻近建（构）筑物变形开裂，而地铁结构对变形的严格要求，使得地下空间开发的难度成倍增加[1-4]，岩土工程设计和施工难度较大。

段忠辉[5]分析了深基坑开挖对下方既有地铁区间隧道的影响，提出分期开挖、分层开挖和抽条开挖方式，可有效控制地铁结构安全。陈仁朋等[6]研究了深基坑开挖对于邻近地铁周围土压力变化的影响，提出了设置分隔墙可减少地表沉降及围护墙水平位移。田雷等[7]认为跳坑施工可有效降低对既有地铁的影响，变形控制效果显著。目前，关于深基坑开挖对邻近地铁结构产生的影响已有一定的研究成果，但是针对如何开展紧邻地铁的深大基坑设计施工，使地铁结构的变形控制在保护要求范围内，仍缺少一套较完整的设计施工方法。

以上海某紧邻地铁深基坑工程为例，阐述了软土地区深基坑开挖对地铁的影响，详细介绍了基坑设计采取的主要保护措施，包括基坑分坑分时设计、与相邻在建基坑交叉施工工况统筹管理、三轴搅拌桩加固设计、支撑轴力伺服系统应用以及先远后近的盆式开挖等，基坑监测与工程实施效果均验证了该套设计方法的有效性，可为软土地区紧邻地铁超大深基坑工程设计提供借鉴与参考。

1 工程实例

1.1 项目概况

本项目基坑面积约为15227 m2，另包含地铁出入口786 m2，基坑形状为矩形。根据周边道路标高，确定基坑开挖深度为16.60～17.02 m，出入口开挖深度为8.65 m。基坑周边为市政道路（见图1），其中西侧现状道路下为地铁车站，基坑西侧边线距离现状道路边线约10 m，距离地铁车站约14.8 m。基坑东侧距离现状道路约3.0 m。基坑南侧距离规划道路边线约3.0 m，另该规划路南侧为在建地下两层项目，距离本基坑约23 m，南侧项目后期地下室施工可能与本工程基坑存在交叉施工影响。基坑北侧距离现状道路约3.0 m。基坑西侧和北侧现状道路下方分布有数量众多的给水管、煤气管、雨污水管等地下管线，其中，西侧ϕ300 煤气管与基坑最小净距17.7 m，北侧ϕ300燃气管与基坑最小净距7.2 m；东侧道路下方分布有雨污水地下管线；南侧规划道路暂无重要管线分布。

图1 基坑周边环境图

拟建基坑西侧地铁车站为地下两层侧式站台车站，主体采用双柱三跨钢筋混凝土箱形结构。车站标准段基坑深约为15.685 m（站台中心处），南北端头井基坑深约为17.385 m。车站围护结构采用800 mm 厚地下连续墙，地连墙深度为28.4 m。根据《上海市轨道交通安全保护区暂行管理规定》，拟建基坑位于轨道交通安全保护区范围内，地下车站与隧道为本工程重点保护对象。根据该暂行管理规定，本项目深基坑、桩基、降水及结构施工等各种卸载和加载的建筑活动对地铁工程设施的综合影响限度必须符合以下标准：①地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤10 mm（包括各种加载和卸载的最终位移量）；②隧道变形曲线的曲率半径R≥15000 m，相对弯曲≤1/2500；③由于建筑物垂直荷载（包括基础地下室）及降水、注浆等施工因素而引起的地铁隧道外壁附加荷载≤25 kPa；④由于打桩振动、爆炸产生的震动对隧道引起的峰值速度≤2.5 cm/s。

综上，本工程基坑周边环境相对紧张，尤其西侧紧邻地铁车站，保护要求较高，基坑设计和施工需重点关注，并采取针对性措施。

1.2 工程地质概况

拟建场地为滨海平原地貌类型，地势平坦。地基土主要由饱和黏性土、粉性土和砂土组成。场地受古河道切割，⑥层暗绿色粉质黏土缺失，代之为沉积厚度较大的⑤3、⑤3t层。勘察揭示，场地⑦2层层面起伏较大，⑨1层层面稍有起伏。

场地地下水分为浅层孔隙潜水和承压水。④2、⑤3t、⑤3-2层为微承压水含水层，⑦2和⑨层为承压含水层。勘察期间测得④2层微承压水水位埋深为2.85～3.00 m。⑤3t层微承压水水位埋深为4.12～4.21 m。

场地土层主要物理力学参数见表1。

表1 土层主要物理力学性质参数表

2 基坑设计

2.1 基坑支护形式

本工程属于超大规模地下空间开发，紧邻地铁车站，基坑周边环境保护要求高，地质条件较差，根据上海市地方标准《基坑工程微变形控制技术标准》（DG/T J08-2364-2021），确定本工程基坑安全等级为特级，临近地铁侧基坑环境保护等级为一级，其余侧为二级。综合考虑基坑场地条件和周边环境等因素，并结合基坑自身特点，支护设计采用刚度大、安全性高的地下连续墙作为围护结构，以保证基坑变形受控。考虑到场地④2、⑤3t、⑤3-2层为微承压水含水层，故地连墙设计长度需隔断微承压含水层，切断承压含水层的水平补给，减小坑外土体沉降变形。具体基坑设计采用地下连续墙+3 道钢筋混凝土支撑的形式，基坑典型支护剖面见图2。

图2 基坑典型支护剖面（单位：mm）

2.2 基坑分区、分时设计及效果

（1）分区、分时设计

为减小基坑开挖施工对西侧地铁车站的不利影响，根据“时空效应”原理[8]，对基坑采用分区、分时施工，即根据轨道交通保护相关要求，将整个基坑由东向西分为A-D 五个区块（见图3）。远地铁侧A、B 两区块基坑总面积将近10380 m2，结合本项目的施工进度要求，为了确保东侧的超高层塔楼施工进度，同时考虑控制基坑变形，减少单次基坑开挖量，降低施工风险，于A、B 两区块间沿地铁纵向增设封堵墙，将其分为两个基坑。考虑到地铁目前为运营线，兼顾保护地铁设施和实施工期的要求，邻地铁侧区块单独划出约20 m 宽窄条基坑C，并进一步将C 坑分为C1 和C2 两个小基坑，以控制该两个临轨基坑面积不大于1000 m2。整个项目基坑施工顺序为A→B→C1→C2→D，并要求当前基坑地下结构施工至±0.00 后，方可开挖下一工况基坑，以避免一次性大面积开挖引起的太大坑内土体回弹和隆起，进而对西侧地铁车站产生不利影响。

图3 基坑分坑平面图

本工程基坑边线距离三侧道路边线均为3 m 左右，西侧又紧邻地铁车站，整个场区施工空间狭小，采取分区施工，既满足了施工空间要求，又减小了施工对周边环境的影响，一定程度上也缩短了支撑与土方开挖施工的绝对工期。

（2）分区、分时效果

由于A 坑距离地铁车站相对较远，A 坑支撑布置采用角、对撑结合边桁架的布置形式，并设置栈桥，以保证施工堆场及土方开挖的顺利实施。B 坑距离地铁车站相对较近，采用刚度更大的十字对撑的布置形式，以保证基坑变形可控。

通过对A、B 区不分区和分区工况下的围护结构内力进行计算，验证远离地铁侧基坑分区的合理性，具体围护结构内力计算见表2 和表3。

表2 A 区和B 区不分区时围护结构内力计算结果

表3 A 区和B 区分区时围护结构内力计算结果

根据计算结果对比，远离地铁侧A、B 区的合理划分更有利于控制基坑变形，既优化了围护结构的受力，也避免了超长混凝土支撑的不利收缩变形。

2.3 相邻基坑交叉工况设计

由于南侧项目基坑与本项目基坑存在交叉施工情况，两超大地下空间交叉开发施工，其地下土体受力机理及支护系统之间相互影响十分复杂。为了确保两个基坑的安全，设计时应保证相邻基坑的安全距离，加强相邻侧支护结构；相邻基坑的支撑体系在竖向布置上基本一致，以确保两侧支撑水平力的一致性；加强相邻侧的各道支撑体系，本项目以正交支撑为主，以提升支撑体系的水平刚度。

施工时应避免相邻基坑同时开挖的工况，即：本项目A 区基坑开挖与南侧项目1 区基坑开挖可以同时施工；本项目A 区基坑开挖与南侧项目2 区基坑开挖要错开施工，挖深高差尽量控制在一层高度以内，本项目A 区B2 层顶板施工完成，南侧项目2 区基坑方可开始开挖；南侧项目2 区基坑底板施工完成，本项目B 区基坑方可开始开挖。顶板、底板的浇筑亦有利于两个基坑的变形控制。

两项目在施工过程中需加强统筹管理，密切沟通、协调，紧密合作，并加强监测数据信息互通，对施工质量和安全管理把控从严，确保双方基坑安全。

2.4 临地铁站基坑设计

为减小地下连续墙施工对地铁车站的影响[9]，于C 区基坑地连墙内外两侧槽壁采用水泥搅拌桩加固，兼做止水帷幕。考虑本工程基坑开挖范围内的地层大部分为流塑状态的淤泥质粉质黏土或淤泥质土，为提高基坑被动区土体抗力，控制基坑开挖过程中及开挖以后围护桩的变形，C 区基坑西侧边采用三轴水泥土搅拌桩裙边加固。C 区基坑内部设置6 m 间距抽条加固，加固深度为坑底以下4 m。坑底以上采用弱加固的形式。D 区采用三轴水泥土搅拌桩按3 m 间距进行抽条加固，加固宽度为14.8 m，加固范围为坑底以下5 m 至坑底以上3.15 m，两道支撑之间采用弱加固形式。

C 区沿竖向设置1 道混凝土支撑+3道ϕ800×20 mm 钢支撑+水平换撑（ϕ609×16 mm）。其中钢支撑采用伺服系统，支撑轴力伺服系统24 小时工作，并及时根据基坑监测数据，自动调整钢支撑轴力，将基坑变形严格控制在设计报警值之内，减少对地铁、管线以及道路的影响。

另外，为更有效地控制基坑变形，于C 区坑底设置300 mm 厚C30 素混凝土垫层，垫层内设置H300×300×10×20 mm 型钢支撑，每幅墙两根，每根型钢支撑预加轴力300 kN。临地铁侧基坑支护剖面见图4。

图4 邻地铁侧基坑支护剖面（单位：mm）

2.5 土方开挖

根据基坑的形状、挖深和周边环境要求，按照距离地铁“先远后近”分区开挖支撑施工，各区按照“分层、分区、尽早形成支撑或底板、留土护壁、盆式开挖”原则[10]指导开挖，明挖顺作法施工。按设计场地移交次序（A 区→B 区→C1 区→C2 区→D 区）由东至西退挖施工。根据支撑布置形式，A、B 区基坑分块从中心向四周开挖，C、D 区分块间隔开挖。基坑A、B 区竖向分4 层开挖，C1、C2 区竖向分5 层开挖，第1 层为大开挖，第2-5 层土为分块盆式开挖。临地铁侧基坑沿地铁侧留土宽度不少于4 倍的单层挖深，且最后挖除，单块土体的开挖支撑总施工时间控制在24 h 以内，以控制围护结构的位移和坑底回弹，在挖土完成7～10 d 内完成全部底板施工。