楊 嵐

上海城建置業(yè)發(fā)展有限公司 上海 200030

0 引言

作為一種新興交通方式，以地鐵、輕軌為代表的城市軌道交通系統(tǒng)由于其快捷舒適、客運量大、能耗小、污染少、安全性能高等突出優(yōu)點，在我國大中城市的建設(shè)過程中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。軌道交通網(wǎng)絡(luò)的高度可達性，使得它能夠吸引各種生活、商務(wù)、商業(yè)、文化、娛樂等設(shè)施向軌交站點周圍集中，刺激站點周圍土地的高密度開發(fā)，繁榮軌道交通沿線的經(jīng)濟[2]。軌交的建設(shè)在改變著公眾出行和生活方式的同時，也帶動了軌交沿線土地的商業(yè)價值的提升，因此，近年來出現(xiàn)了大量緊鄰軌交的工程項目[3]。

與此同時，軌交作為城市交通系統(tǒng)的生命線，其重要作用不言而喻，在軌交旁進行基坑工程建設(shè)不僅要保證基坑本身的安全，更需要嚴格控制基坑變形以減小基坑開挖對軌交的影響[4]。以上海為代表的軟土地區(qū)，淺部常分布有深厚的暗浜土及淤泥質(zhì)黏土等不良地質(zhì)條件，該地層條件下的軌交區(qū)間軌道受周邊基坑開挖過程的影響更為顯著[5]。以上兩點原因使得軟土地區(qū)鄰近軌交的基坑工程設(shè)計和施工難度大大增加。

上海市徐匯區(qū)漕河涇社區(qū)196地塊基坑工程項目緊鄰上海軌交3號線高架段與地面段過渡區(qū)間，該區(qū)間地面段軌道基礎(chǔ)形式較差，且基礎(chǔ)底部分布有深厚的暗浜土，軌道變形對鄰近工程施工極為敏感。為保證基坑實施期間軌交3號線的運營安全，本工程采用了“分區(qū)順作”的總體實施方案，在此基礎(chǔ)上綜合采用復(fù)合式地下連續(xù)墻、大剛度的“十字對撐”混凝土支撐體系、坑內(nèi)被動區(qū)裙邊加固，以及結(jié)合“時空效應(yīng)”的土方開挖方式等技術(shù)手段，嚴格控制基坑開挖中鄰近軌交的變形。最后采用數(shù)值分析的方法進一步模擬分析了基坑開挖對軌交軌道的影響。

1 工程簡介

1.1 工程概況

上海市徐匯區(qū)漕河涇社區(qū)196e-06，196f-08地塊項目位于上海市徐匯區(qū)石龍路以北，武宣路以西（圖1），項目整體分為南北2個地塊，均設(shè)2層地下室。其中北地塊基坑面積約為11 400 m2，開挖深度約10.1 m；南地塊基坑面積約為5 500 m2，開挖深度約10.2 m。

圖1 基坑環(huán)境平面

本工程場地周邊環(huán)境較為復(fù)雜：北地塊西北側(cè)鄰近某在建高層住宅小區(qū)，東南側(cè)鄰近石龍支路；南地塊西側(cè)鄰近220 kV變電站，東側(cè)和南側(cè)分別鄰近武宣路和石龍路。上海軌交3號區(qū)間軌道從本工程的2個地塊之間穿過，是本基坑工程最為重要的保護對象。

1.2 工程地質(zhì)概況

場地處于長江三角洲濱海平原?；油谏罘秶鷥?nèi)土層主要為軟塑-流塑狀態(tài)的黏性土，土層從上至下依次為：①雜填土、②1粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1粉質(zhì)黏土、⑤1-2粉質(zhì)黏土夾粉性土。淺部普遍分布有厚3～5 m的雜填土，土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)松散。基坑開挖深度范圍內(nèi)均勻分布有③、④層土，具有孔隙比大、含水量高、靈敏度高、強度低、壓縮性高等不良特性，同時具有蠕變性和流變性特點。

場地地下水由潛水和承壓水組成，地下水補給來源主要為大氣降水和地表徑流。淺部地下水屬潛水類型，水位埋深一般在0.3～1.5 m。地內(nèi)⑦層分布有微承壓水，承壓水水位埋深3.0～12.0 m。⑦層面埋深最淺36.5 m，本工程基坑挖深約10.20 m，計算其抗突涌穩(wěn)定性系數(shù)為1.4 ＞1.05，滿足相關(guān)規(guī)范要求。該層微承壓水頭不會對基坑底板造成突涌影響。

2 軌交線路概況

2.1 基坑與軌交位置關(guān)系

本工程場地位于軌交3號線高架和地面段的過渡位置，東北側(cè)為高架，高架基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，西南側(cè)為地面段軌道，地面段基礎(chǔ)形式為碎石道床基礎(chǔ)。北地塊基坑與高架段軌道距離約43 m，與地面軌道最近距離為42.3 m，南地塊基坑與地面軌道最近距離為27.7 m。

2.2 軌交3號線軌道沉降及整修情況

軌交3號線于2000年12月投入運營。鄰近本工程段地面軌道最初采用混凝土整體道床基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底部分布有暗浜，雖然施工期間對其基礎(chǔ)進行了地基加固，但由于加固深度僅為10 m（樁底基本位于④層土中），在施工結(jié)束時，地面段整體道床已發(fā)生沉降，最大沉降超過6 cm，當時采取“墊高鐵墊板和采用特殊加長加粗的螺栓”的方式來解決沉降問題，但整個扣件系統(tǒng)是非常規(guī)的。

從2003年該段輕軌軌道的沉降曲線（圖2）[6]可以看出，沉降從石龍路車站端部開始加劇，地面段最大沉降已經(jīng)達到128 mm，至高架段沉降迅速減小，軌道沉降已十分微小。2004年，針對該段軌道沉降過大的情況，地鐵管理單位采用碎石道床方案對該區(qū)間軌道進行整修。碎石道床法將整體道床鑿除，改用道砟作道床。該方法雖然可以在一定程度上調(diào)節(jié)軌道沉降變形，但由于軌道基底以下存在暗浜土，軌道變形仍舊十分敏感。

圖2 3號線輕軌軌道沉降曲線

3 針對軌交保護的基坑支護技術(shù)

軌交3號線地面軌道基礎(chǔ)形式差，對基坑變形敏感。同時3號線作為上海中心城區(qū)主要的交通線路，每天承擔(dān)著巨大的運營壓力。因此保證軌交3號線的運營安全是本基坑工程設(shè)計施工的首要目標。

3.1 基坑總體實施方案

基坑開挖是一個同周圍土體密切相關(guān)的空間問題，基坑的形狀和大小對基坑支護結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境的影響十分顯著[7]。本工程北地塊與軌交共邊長度達210 m，且基坑面積較大，如果整坑實施，大面積同時開挖卸荷勢必會引起軌交3號線軌道產(chǎn)生較大的變形，為減小基坑開挖對鄰近的軌交3號線地面軌道影響，北地塊采用“分區(qū)順作”方案，南地塊由于基坑面積相對較小，采用“整坑順作”的實施方案（圖3）。北地塊結(jié)合上部建筑的布置分為東北側(cè)鄰近軌交3號線高架段的A區(qū)基坑和西南側(cè)鄰近地面段的B區(qū)基坑。圍護結(jié)構(gòu)施工完成后，北地塊A區(qū)基坑由于和南地塊平面上基本錯開，因此二者具備同時開挖施工的可能性，待北地塊A區(qū)地下室結(jié)構(gòu)施工完成后再實施北地塊B區(qū)基坑。北地塊“分區(qū)順作”可最大限度減小基坑大面積暴露開挖引起的輕軌軌道變形，在保證基坑周邊建構(gòu)筑安全的基礎(chǔ)上2個地塊具備同步施工的可能性，能有效縮短工期。

圖3 基坑實施分區(qū)平面示意

3.2 復(fù)合式地下連續(xù)墻設(shè)計

基坑開挖過程中如果圍護墻出現(xiàn)滲流，會造成墻后水土的流失，使坑外土體發(fā)生固結(jié)沉降[8]。以往的工程實踐表明，因圍護結(jié)構(gòu)滲漏引起的基坑周邊建（構(gòu)）筑物沉降量一般難以預(yù)估，且往往大于圍護結(jié)構(gòu)的變形量。因此本工程鄰近地面段軌道區(qū)域均采用地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)。地下連續(xù)墻兩側(cè)采用三軸水泥土攪拌樁進行槽壁加固，在保證地下連續(xù)墻成墻質(zhì)量的同時，兼作止水帷幕，保證基坑實施期間圍護結(jié)構(gòu)止水的可靠性（圖4）。

圖4 支護結(jié)構(gòu)剖面

在此基礎(chǔ)上，為保證永久使用階段地下室外墻同樣不會出現(xiàn)滲漏水，地下室采用了貼壁式外墻設(shè)計。外圍地下連續(xù)墻緊貼結(jié)構(gòu)墻布置，地下連續(xù)墻與結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻間設(shè)置柔性防水材料，地下連續(xù)墻抗?jié)B等級不小于P6（圖5）。

3.3 水平支撐體系

圖5 貼壁式外墻示意

現(xiàn)澆混凝土支撐由于其剛度大，整體性好，可以采取靈活的布置方式適應(yīng)于不同形狀的基坑，而且不會因節(jié)點松動而引起基坑的位移，施工質(zhì)量相對容易得到保證。本工程2個基坑豎向均設(shè)置2道鋼筋混凝土水平支撐系統(tǒng)，圍護結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置壓頂圈梁兼作第1道支撐的圍檁。水平支撐體系均采用傳力明確且支撐剛度較大的十字對撐的布置形式，且垂直于軌交3號線方向支撐水平間距不大于9 m，第1道支撐可以兼作施工棧橋使用（圖6、圖7）。

圖6 北地塊支撐體系平面布置

圖7 南地塊支撐體系平面布置

3.4 坑內(nèi)被動區(qū)加固

研究表明，基坑內(nèi)部土體，尤其是基底以下土體對圍護結(jié)構(gòu)的約束作用對控制基坑變形影響顯著[9]。但本工程基底位于④層中，基坑開挖深度范圍內(nèi)主要為軟塑-流塑狀態(tài)的黏性土，具有孔隙比大、含水量高、靈敏度高、強度低、壓縮性高等不良特性，因此該土層條件對圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向約束作用十分微弱。為了控制基坑變形，減小對軌交3號線軌道的影響，本工程2個基坑鄰近軌交3號線軌道區(qū)域均采用φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁對基坑被動區(qū)進行土體加固。加固體采用裙邊加固的形式，北地塊基坑加固體寬度約8.05 m，南地塊基坑加固體寬度約9.85 m。加固深度為第1道支撐底至基底以下5 m，加固體在第2道支撐底標高以上水泥摻量為10%，第2道支撐底標高以下水泥摻量為20%。

3.5 結(jié)合時空效應(yīng)的土方開挖方式

基坑變形受基坑開挖過程的“時空效應(yīng)”影響顯著。對于上海地區(qū)的軟土地層，在基坑工程實施過程中，由于土體的應(yīng)力松弛會引起圍護結(jié)構(gòu)主動區(qū)的土壓力隨時間不斷增加。同時軟土的蠕變性和流變性使得基坑周邊土體在一定的應(yīng)力水平下，應(yīng)變會隨著時間而不斷增長[10]?；娱_挖過程中采取分層分塊的開挖方式，減少每步開挖過程中的無支撐暴露時間，可以顯著降低基坑應(yīng)力水平、控制流變位移，從而減小基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。以本工程南地塊為例，南地塊第2層土方開挖，分別按照圖中①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧的順序依次進行（圖8），首先開挖遠離軌交3號線的①區(qū)并及時形成支撐，然后依次開挖②～⑧分區(qū)并保證在24 h內(nèi)完成各小分區(qū)內(nèi)的土方開挖和支撐澆筑。

圖8 南地塊第2層土方開挖分塊示意

4 基坑開挖對輕軌影響的數(shù)值分析

為分析本基坑工程對于鄰近軌交3號線軌道的影響，本文采用Plaxis2D有限元分析軟件對基坑開挖全過程進行模擬分析（圖9）。計算模型包括了土體、圍護結(jié)構(gòu)、水平支撐、軌交3號線軌道。模型側(cè)邊約束水平位移，底部同時約束水平和豎向位移。土體采用6節(jié)點三角形實體單元模擬，地下連續(xù)墻、軌道及基礎(chǔ)采用板單元模擬，水平支撐、樓板結(jié)構(gòu)采用錨定桿單元模擬。土體采用土體硬化本構(gòu)模型（H-S模型）進行模擬，該本構(gòu)模型既可適用于軟土也適用于較硬土層，可以同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，并采用Mohr-Coulomb破壞準則。以往研究表明，H-S模型應(yīng)用于基坑開挖對周邊環(huán)境分析時具有較好的精度[11]。

圖9 計算模型示意

水平及豎向位移計算結(jié)果（圖10、圖11）顯示，基坑開挖至基底時，南地塊基坑圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為15.8 mm，北地塊基坑圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移19.9 mm，輕軌軌道最大水平位移1.1 mm，最大沉降3.1 mm。本基坑的支護結(jié)構(gòu)能滿足對軌交3號線的保護要求。

圖10 基坑開挖至基底時土體水平位移云圖

圖11 基坑開挖至基底時土體豎向位移云圖

5 結(jié)論

在軌交旁進行基坑工程建設(shè)不僅要保證基坑本身的安全，更需要嚴格控制基坑變形以減小基坑開挖對軌交的影響。本文結(jié)合鄰近上海軌交3號線的上海市徐匯區(qū)漕河涇社區(qū)196地塊基坑工程，分析梳理了軟土地區(qū)緊鄰軌道交通設(shè)施的基坑支護技術(shù)手段。主要結(jié)論如下：

1）基坑的形狀和大小對基坑支護結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境的影響十分顯著。當基坑面積較大時可結(jié)合基坑形狀及主體結(jié)構(gòu)情況，采用“分區(qū)順作”實施方案，最大限度減小基坑大面積暴露開挖引起的鄰近軌道設(shè)施的變形。

2）基坑開挖過程中如果圍護墻出現(xiàn)滲漏，會造成墻后水土的流失，使坑外土體發(fā)生固結(jié)沉降。應(yīng)嚴格控制基坑實施期間圍護結(jié)構(gòu)止水的可靠性以及永久使用階段地下室外墻的防水性能。建議鄰近變形敏感的軌道交通設(shè)施區(qū)域采用貼壁式外墻設(shè)計。

3）現(xiàn)澆混凝土支撐剛度大，整體性好，而且不會因節(jié)點松動而引起基坑的位移，施工質(zhì)量相對容易保證。而對于鄰近軌道交通設(shè)施基坑支撐的布置，建議采用傳力明確且支撐剛度較大的十字對撐形式。

4）基底以下土體對圍護結(jié)構(gòu)的約束作用對控制基坑變形影響顯著。當基底存在孔隙比大、含水量高、靈敏度高、強度低的軟黏土?xí)r，采用水泥土攪拌樁對基底被動區(qū)土體進行加固可更為有效地控制基坑變形。

5）基坑變形受開挖過程的“時空效應(yīng)”影響顯著。軟土地區(qū)，軟土的蠕變性和流變性使得基坑周邊土體在一定的應(yīng)力水平下，應(yīng)變會隨著時間而不斷增長。采取分層分塊的土方開挖方式，減少每步開挖過程中的無支撐暴露時間，可以顯著降低基坑應(yīng)力水平、控制流變位移，從而減小基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。