邻近地铁边深基坑工程设计与施工实践

赵永洪,鲍志杰,姬耀斌

(1.浙江中材工程勘测设计有限公司,浙江 杭州 310022；2.浙江省工程物探勘察院 ,浙江 杭州 310005)

随着城市地下空间的开发,各建构筑物之间,距离越来越近,因此相互之间的影响不容忽视。为确保安全,深基坑工程对邻近地铁隧道的影响成为需研究的重点问题。

工程界和学术界也进行了很多专题讨论和学术交流。比如：李云安等[1]讨论了土体参数对基坑变形计算的影响；王照宇[2]介绍了软土地区深基坑开挖对周围环境引起的影响和危害, 并提出了相应的环境保护原则和方法；刘艳等[3]讨论了土体的粘弹性特性,采用了等效土体水平基床系数来反映基坑变形随时间的变化情况；周兆平等[4]从施工角度讨论了如何减小地铁侧基坑变形的技术措施；吕超等[5]利用模糊综合评判法,建立超大超深基坑风险识别模型,对施工阶段风险进行识别和评估,提高了对超大超深基坑工程的风险控制能力；丁智等[6]研究了浙江地区软弱土深基坑侧向变形特点；薛彦琪等[7]分析了上部开挖卸荷对地铁变形的影响；黄茂松等[8]对国内外软土地下工程研究现状进行系统概括和评述,讨论了软土地下工程施工的环境土工效应问题。在这些研究成果与实践的经验总结之下,相关地区[9]陆续出台了一些地铁保护原则性规定和程序性文件,对地铁隧道周边施工,特别是深基坑工程从设计到施工方面都提出了严格要求。对控制基坑变形,采用分坑施工、设置地中壁等利用时空效应和加强围护刚度均有良好效果[10-11],而对减小周边地铁变形可采用微扰动注浆等方式进行主动控制[12-14]。

本文以位于杭州市地铁1号线边的国芳基坑工程设计施工为例,较系统地介绍了该项目的设计施工全过程,特别是对施工中出现的问题，采取的措施和取得的效果进行了介绍和总结,这对类似深基坑工程对邻近地铁隧道的保护和实现设计施工信息化，具有重要参考意义。

1 工程概况

工程场地位于杭州市区,周边紧邻城市道路。按平面可分A/B两个区块,其中A区块邻近地铁1号线,A区基坑工程周长约为388 m,基坑开挖面积8 258.5 m2,基坑开挖深度14.550 m。B区基坑工程周长约为579 m,基坑开挖面积约为20 152 m2,基坑开挖深度19.15 m。基坑总平面布置见图1。

A区基坑为临近地铁隧道基坑,其北侧地下室边线距地铁轨道线17.80～19.20 m,轨道直径为6.20 m,轨道顶埋深18.245～21.527 m,设计时应严格控制该侧围护体的位移量,确保地铁轨道的安全性。B区基坑在A区基坑东侧,距地铁轨道线较远,本文主要讨论靠地铁较近的A区基坑。

图1 基坑平面图

本工程地下室开挖范围内土层为①1素填土、②1黏质粉土、②2砂质粉土、②3粉砂、③1淤泥质粉质黏土。从地层上看,本基坑的特点是,基坑上部为粉砂土,下部分布有深厚软土 ,地铁隧道位于软硬交接的部位,受力情况复杂(图2)。加上隧道上地面堆有弃土,导致其既有变形较大。场地西侧地下室开挖边线在轨道交通规划控制区边线范围内,距离轨道交通特别保护区边线最近约15.0 m。由于基坑规模较大,距离地铁较近,为更好地控制变形,设计考虑采用分坑支护分坑开挖方式,严格控制地铁隧道变形。

设计采用分坑方式将大坑划分为四个小坑,按B1—B2—A1—A2顺序先后施工,坑边围护采用地连墙(排桩)+混凝土内支撑方式。邻近地铁边采用隔离桩+地连墙+混凝土内支撑方式,其剖面见图2。

图2 临近地铁隧道剖面图

具体做法是,先施工一排混凝土灌注桩,桩底进入粉砂层,作为地铁隧道隔离桩,然后采用厚度1 000 mm 的混凝土地下连续墙作为坑壁支护体,采用三道混凝土现浇支撑作为内支撑。并在第二、第三道主撑上设置板带,以增强支撑刚度。

对坑壁土体进行改良,先采用三轴水泥搅拌桩对坑壁进行加固,加固范围为隔离桩与地连墙之间区域,增加门式体围护结构刚度；第二是设置被动区加固,加固区域为第二道支撑至坑底以下5.00 m,加固宽度约6.00 m,并对地连墙两侧用搅拌桩做导墙,减小地连墙施工期坑壁变形。

经三维有限元计算,基坑开挖对地铁隧道变形的影响(最大值)见图3。

注：图中X方向为沿隧道轴向,Y方向为垂直于隧道轴向,Z方向为竖直方向,各方向位移取最大值。

图3中各工况对应状态如下。工况1为初始状态：地铁隧道已经施工完毕,土体应力初始化,位移归零；工况2为地下围护结构施工,添加施工荷载；工况3为A-1开挖第1层土方,施工压顶梁、第1道支撑；工况4为A-1开挖第2层土方,施工第2道支撑；工况5为A-1开挖第3层土方,施工第3道支撑；工况6为A-1开挖第4层土方至坑底；工况7为A-2开挖第1层土方,施工第1道支撑；工况8为A-2开挖第2层土方,施工第2道支撑；工况9为A-2开挖第3层土方,施工第3道支撑；工况10为A-2开挖第4层土方至坑底。

采用有限元分析表明,在围护结构施工期地铁的变形主要是沉降为主,引起变形的因素主要是施工超载。地下室开挖阶段,变形主要体现在侧向位移上,随着挖深的增加,侧向变形逐渐加大,当A-1区块开挖到底后,侧向变形趋于稳定。在开挖A-2区段时对最大变形值的影响较小。计算的困难表现在此阶段难以考虑施工引起的土层损失和结构性扰动对变形的影响,土体参数取值有一定经验成分,所以实际的变形如何需要在实施过程中监测,并采取应对调整措施。

2 项目实施过程及变形情况

2.1 围护结构施工中变形情况

A区于2017年5月27日开始围护结构施工,至2017年8月3日时地铁隧道出现了变形报警,此时三轴水泥搅拌桩已经施工完成,地连墙施工完成约50%,地铁隧道变形情况见表1。

表1 地铁隧道监测变形情况(2017-08-03)

变形过大的主要原因是城市临时施工管控造成部分墙体开孔到底后等待浇筑时间过长,有些甚至超过了12 h,导致软土地层变形加大,甚至孔内部分区域可能坍塌,土层流失导致变形加大。另外上部地层主要为砂质粉土和粉砂,黏粒含量低,护壁泥浆的质量不理想,护壁效果较差。为了减小后期可能的变形,除调配更好质量的泥浆,保证及时浇筑混凝土外,在设计上采取了如下措施对围护体进行了加强(图4)：

1)增设支撑板带,加强支撑体系刚度。

2)将一期、二期分隔的围护桩临近隧道的部分,调整为连续墙,增加一二期分隔围护体的刚度,进一步控制A 区基坑中部的围护体变形。

3)在A 区一期、二期靠近盾构隧道一侧均匀设置总计6片地中壁连续墙,采用素混凝土连续墙(或根据施工需要设置少量构造钢筋)底标高为坑底以下15 m,顶标高至地面,随挖土同步进行地中壁的破除。施工过程注意控制施工分层厚度和地中壁两侧的土方高差,确保地中壁两侧的土压力平衡,避免出现局部坍塌情况。

4)结构调整为连续墙、地下室外墙两墙合一,避免出现肥槽,加大换撑时的结构刚度。

5)增加被动区数量,设置条带状被动区,形成坑底加固带,增加被动区土体m值,进一步控制围护体的变形。

图4 基坑被动区调整平面

2.2 地下室开挖施工期隧道变形情况

至2018 年4 月1 日止,A 区围护连续墙、三轴水泥搅拌桩、被动区加固、地中壁加固、压顶梁及第一道内支撑均已施工完毕；A 区块一期开挖至第一道支撑。此时隧道变形第二次报警。上行线(邻近基坑侧)出现显著的沉降变形,最大沉降量约7.2 mm,超过预警值(图5)。

根据变形发生的时间节点与施工工况的对比及历次会议的专家分析,报警的主要原因为：

1)连续墙成槽施工使槽周围土体的应力状态由原来的K0状态改变至液压平衡状变形。由于槽壁中各深度的泥浆压力小于原始土体侧压力,槽壁土体因此产生变形。

2)隧道埋深主要影响区域的土体为淤泥质土层,地连墙成槽施工扰动该层土,使其强度降低,变形增加,从而使盾构隧道产生附加变形,且由于软土的流变效应,该变形不易收敛,盾构隧道的附加变形较大。因此土层特性和连续墙施工过程的综合因素为变形超标的主要因素。

3)A区施工过程中,隧道上方及附近存在重型车辆通行的情况(场地原堆土外运和施工荷载),也是造成隧道变形的另一重要因素。

图5 隧道最大变形时程曲线

3 控制变形的措施及效果

根据变形情况,决定采取微扰动注浆加固方式控制隧道变形,加固区域沿隧道方向位于A区基坑中部,长度约60 m范围,加固剖面见图6,2018 年5 月开始注浆,直至A -1区块底板施工完成,第三道内支撑拆除。

图6 注浆剖面图

注浆过程为：

1)2018年5—6 月上旬,进行微扰动注浆加固(6 次)；

2)2018年7月下旬,进行微扰动注浆加固(4 次)；

3)2018年10月1日至12月2日,微扰动注浆施工点增多,累计完成143 孔。

图7 注浆前后水平位移曲线对比

图8 注浆前后沉降曲线对比

注浆前后隧道的位移曲线(图7、图8)更为直观地反应了隧道变形的变化情况,根据注浆前后曲线的对比分析,可以发现：

1)临近隧道的变形随着基坑的开挖,在5—10 月有显著增加,该时间段,注浆加固量较少且间断进行,效果不明显,基坑变形主要受土方开挖影响。

2)2018 年10 月之后,注浆连续进行,效果显著。该工况下,基坑开挖第二道支撑以下土方,并施工底板,同步进行微扰动注浆。该阶段,围护体挖土对隧道的影响较大,但同步进行的微扰动注浆对隧道变形起到了良好的控制作用,总体隧道的位移、沉降、收敛值均在好转。

3)2018 年12 月,一期地下室底板已经施工完成,且已经拆除第三道支撑,一期最不利工况结束,对应区域隧道变形趋于稳定。

4)微扰动注浆对于隧道的各项变形数值均有显著作用,并对隧道周边土体起到了一定的加固作用,注浆取得一定效果。根据注浆过程监测报告,注浆效果如下：

水平位移改善2.4～6.5 mm；

沉降变形改善值-3.3～3 mm(+值为隆起,-值为沉降)；

收敛变形改善-0.1～5 mm(+值为径向减小,-值为径向增大)。

5) 目前A区一、二期地下室已施工完成,根据监测情况隧道竖向位移最大值为 -10.2 mm,水平位移最大值为 -11.9 mm,相对收敛最大值为- 8.7 mm。基坑开挖过程中水平位移、竖向位移、 相对收敛均在后续控制值以内,微扰动注浆基本达到整治目标。

4 结 语

1)本基坑邻近运营地铁隧道,对变形控制特别严格,在基坑设计过程中采用分坑方式划大为小,并在邻近地铁侧采用隔离桩和地连墙方式进行变形控制,是合理可行的。

2)基坑在地连墙施工期间,出现了未开挖但邻近地铁变形已经预警的情况,说明地连墙施工在软土地区其施工扰动造成的土体变形较大,但这部分变形在设计中难以计算,需要根据实际情况做好设计和施工控制措施。为减小围护结构施工期变形,可以设置隔离桩，采用较小地连墙断面和分幅，设置导墙加固(搅拌桩导墙宜穿透软土层)，采用优质泥浆、优化施工组织减小成孔后浇筑等待时间等方式控制。

3)采用设置地中壁,用搅拌桩加固地连墙被动区,加强支撑刚度等措施，可以减小开挖时地连墙的变形,设置两墙合一可以避免因换撑不当造成的变形增加。但均属于被动控制措施,不一定能满足控制变形的要求。若要严格控制邻近地铁的变形还可以考虑主动控制措施。

4)设置微扰动注浆可以对施工期微变形进行主动调整,对过大变形进行一定程度的恢复,对周边变形要求严格的工程能起到主动控制作用；但微扰动注浆需要严格控制好注浆压力和由此产生的注浆变形,需要进行实时监测,对施工控制要求较高。微扰动注浆后位移有一定量的回弹损失量,为取得较好效果,对过大变形需要分区、分段、分层多次多点进行。