張 麒，孫加齊，張 杰，張旭斌，楊志欣

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

0 引言

近地鐵深大基坑工程多采用化整為零的方法，采用遠大近小、遠深近淺的分倉設計原則，一般設置分隔墻將基坑分成遠離地鐵隧道的大基坑及緊鄰地鐵隧道的多個小基坑，再將近地鐵隧道的小基坑采用間隔、跳倉法進行開挖。分坑分倉跳挖雖能有效控制基坑及地鐵變形，但工期長、增設分隔墻圍護結(jié)構(gòu)，大大增加近地鐵工程開發(fā)建設成本。對近地鐵基坑施工，加快施工速度是降低基坑風險最有效的控制措施。

1 工程概況

1.1 整體概況

首創(chuàng)·天閱海河項目位于天津海河與京杭運河交匯處，是全國首例在運營地鐵兩側(cè)進行結(jié)建上蓋的站城一體化綜合體。總建筑面積為43.6萬m2， 基坑群橫跨運營中的天津市地鐵6號線(預留北運河站)，該區(qū)域內(nèi)與地鐵6號線北運河站有4個結(jié)建口，是在時速60km/h的運營地鐵兩側(cè)進行不同深度基坑開挖的項目。

1.2 基坑與地鐵的關(guān)系

項目總占地面積10.9萬m2，基坑與地鐵平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑與地鐵車站平面關(guān)系(單位：m)

基坑范圍內(nèi)含先期預留的北運河站體，長194m，隧道區(qū)間長105m，車站主體結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)區(qū)上方2層結(jié)建結(jié)構(gòu)先期修建完成，其他附屬設施與項目同期建設，地鐵采用44.0m深、厚1.0m的地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)及外墻，與基坑共用。根據(jù)規(guī)劃，地鐵左側(cè)建設2層地下室，右側(cè)建設3層地下室。地鐵隧道外徑6.2m、內(nèi)徑5.5m，襯砌厚0.35m，管片環(huán)寬1.5m，隧道覆土厚約18m。地鐵站西南方向有先期建設的地下2層建筑，位于隧道上方，埋深16.3m，并在下方設置φ700mm鉆孔灌注樁。

運營地鐵西側(cè)基坑開挖深度為11.8m，東側(cè)開挖深度為17.1m，兩側(cè)開挖深度相差5.3m，深坑一側(cè)開挖深度超出盾構(gòu)區(qū)間頂標高1.4m。

1.3 地鐵變形要求

因基坑工程與運營地鐵零距離接觸，對變形控制要求極高，豎向變形報警值12mm，水平變形報警值車站部分為7mm、盾構(gòu)部分6mm，差異沉降報警值為2mm/10m。

1.4 水文地質(zhì)條件

項目地處富水軟土地區(qū)，上部土主要以雜填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土為主，影響基坑水層為潛水層和第一承壓水層，運營地鐵結(jié)構(gòu)處于第一承壓水層。

1.5 周邊環(huán)境

項目位于天津市河北區(qū)，東側(cè)為已施工完成的新建小區(qū)，距離40.0m；南側(cè)為富堤路及京杭運河，距離52.0m；西側(cè)為建筑物和市政道路，分別距離10.0，7.0m。本工程距西南側(cè)的既有建筑物最近約10.0m，距外側(cè)富堤路約7.0m，地下管線距深基坑較遠，分布于東側(cè)新建道路上。

1.6 基坑特點分析

目前近地鐵類的結(jié)建工程多與地鐵同期建設，或地鐵運營后采用單側(cè)結(jié)建的方式，而該工程是在運營地鐵兩側(cè)結(jié)建，且于地鐵兩側(cè)不同深度軟土處開挖深基坑，屬全國首例，無相關(guān)經(jīng)驗借鑒。

運營地鐵兩側(cè)基坑開挖深度差異較大，基坑受開挖期間不均衡側(cè)向土壓力影響，引起地鐵側(cè)向位移?；娱_挖卸荷導致地鐵結(jié)構(gòu)隆起，基坑降水帶動地鐵結(jié)構(gòu)沉降，導致豎向變形。站體為剛性結(jié)構(gòu)，隧道區(qū)間管片為柔性結(jié)構(gòu)，兩者接駁處差異較大，基坑內(nèi)外兩側(cè)的盾構(gòu)隧道受開挖及降水影響也產(chǎn)生差異沉降。

造成地鐵變形事故的主要因素如下：①土方開挖階段地鐵兩側(cè)卸載，原地鐵周圍荷載變動，易引發(fā)地鐵豎向、水平位移變形發(fā)展；②開挖順序和開挖工藝不合理，不當?shù)拈_挖工藝或開挖順序加劇地鐵豎向、水平位移發(fā)展；③當?shù)叵滤毓嗍┕r，回灌過程增加地下水，促使地鐵上浮。

2 基坑分倉設計分析

分倉方案比選階段圍繞地鐵變形控制指標，經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有運營地鐵結(jié)建項目多將大基坑化整為零，采用跳倉法施工，通過控制每個小倉的變形，整體控制地鐵變形。

將整個建設區(qū)域分為13個小倉，整體建設周期約7年，不滿足4.5年的總體建設工期，且該工程緊鄰北運河，土層含水豐富，分倉數(shù)量越多，越不利于控制地下結(jié)構(gòu)滲漏，同時不利于工程后期使用。小倉設計方案如圖2所示。

圖2 小倉分倉設計

2.1 大倉小挖分倉設計

近地鐵基坑施工時，加快基坑施工速度是降低基坑風險最有效的控制措施。在保證地鐵變形受控的情況下，盡量加大分倉面積，再設計每個分倉區(qū)域內(nèi)的內(nèi)支撐體系，將大倉分成多個獨立單元。通過限定單次開挖面積，開挖分倉內(nèi)部分區(qū)域，實現(xiàn)小挖，由此形成大倉小挖的設計方案，如圖3所示。

圖3 大倉小挖分倉設計

基于以上思路，從設計角度優(yōu)化支護體系及模擬工況，驗證設計方案及施工方案的可行性。通過優(yōu)化分倉布置，減少基坑分倉數(shù)量，很大程度上節(jié)約建設工期，同時，為控制地鐵變形，需結(jié)合分倉布置合理的圍護結(jié)構(gòu)，減少復雜水文地質(zhì)對基坑的影響。

根據(jù)模擬結(jié)果，按工程建設分期進行分倉，每個倉通過設置對撐形成多個獨立的開挖單元。在建設周期、成本投入、變形控制預計效果方面，通過對比多重設計方案，分析各方案的可行性，在施工周期和變形控制預演中，大倉小挖方案的各方面效果都優(yōu)于初步小基坑間隔跳倉開挖方案：①工期 小基坑間隔跳倉開挖方案建設周期約7年，大倉小挖方案施工工期約4年；②地鐵變形 通過三維有限元模擬分析，按大倉小挖方案施工，地鐵隆沉約9.29mm。

2.2 大倉圍護結(jié)構(gòu)設計

地鐵兩側(cè)基坑采用同步對稱的施工方式，整體施工順序為1期→2期→3期→4期，大倉方案分倉設計平面如圖4所示。車站西側(cè)2A，3A期基坑深11.8m，采用直徑800～1 000mm鉆孔灌注樁+2道鋼筋混凝土桁架支撐。車站東側(cè)2B，3B期基坑深16.6～17.1m，采用1 000mm厚地下連續(xù)墻+3道內(nèi)支撐。

圖4 大倉方案分倉設計平面

基坑采用800mm厚水泥土攪拌墻止水，與既有車站地下連續(xù)墻形成封閉的止水帷幕，坑內(nèi)降水。止水帷幕墻底隔斷第一承壓含水層，第二承壓含水層無突涌風險,水泥土攪拌墻長30.6～41.0m。在基坑止水帷幕與地鐵車站及隧道止水帷幕連接處，施作φ1 800mm MJS超高壓旋噴樁封堵，確保接縫止水效果。

2.3 大倉內(nèi)支撐體系設計

為實現(xiàn)預期控制效果，采用對撐+角撐及邊桁架形式，如圖5所示，使基坑分成多個獨立單元，支護體系為整體設計，但通過分塊、分段開挖，實現(xiàn)各對撐間的獨立性，使各單元開挖期間不對相鄰單元產(chǎn)生附加應力。

圖5 基坑整體內(nèi)支撐平面

以2期基坑為例，2A期內(nèi)支撐設計為混凝土環(huán)撐，出土棧橋采用臨時坡道+鋼棧橋形式；2B期基坑設計為微膨脹混凝土對撐。對撐及貼近地鐵結(jié)構(gòu)一側(cè)均設計加強板，并作為出土棧橋板使用，加強地鐵水平結(jié)構(gòu)控制效果。2A期支護采用換撐+對撐形式，根據(jù)現(xiàn)場情況，2A期南環(huán)直徑不足以設置出土坡道，故只在北環(huán)設置出土坡道，如圖6所示。對撐采用簡易鋼棧橋連通兩個環(huán)，實現(xiàn)快速出土。

圖6 大倉撐橋一體設計平面

2B期一側(cè)地鐵變形較大處設置內(nèi)扶壁地下連續(xù)墻，阻止地鐵結(jié)構(gòu)向2B期基坑一側(cè)傾斜。南北側(cè)車站與支護結(jié)構(gòu)連接部位、盾構(gòu)隧道與車站分界處設置內(nèi)扶壁地下連續(xù)墻(π形)，如圖7所示，以增加圍護剛度，并進行留土護壁。

圖7 內(nèi)扶壁地下連續(xù)墻設計平面

由于開挖深度不同，在2B期最后一步土方開挖高度設置間隔5.0m的鋼斜撐，以阻止地鐵結(jié)構(gòu)向2B期基坑一側(cè)傾斜，如圖8所示。并于鋼斜撐下部設置加筋墊層，輔助控制地鐵側(cè)向位移變形。

圖8 鋼斜撐設計剖面

2.4 大倉降水設計

基坑降水方案綜合考慮地質(zhì)條件及基坑圍護結(jié)構(gòu)。降水整體采用坑內(nèi)疏干降水方案+減壓備用井的形式，坑外設置一定數(shù)量的觀測井，以便及時掌握坑內(nèi)外水位變化。

由于基坑內(nèi)有地鐵穿過，對降水要求較高，坑內(nèi)降水應盡量減少對坑外的影響?；觾?nèi)降水井遵循淺埋原則，加大井底到止水帷幕底部的距離，進而延長地下水的繞流路徑，同時加大下部承壓水向上的越流補給路徑，減小基坑降水對坑外淺層水和下部承壓水的影響。

根據(jù)大倉小挖分倉模擬數(shù)據(jù)，確定2，3期基坑水位采取動態(tài)控制方式，單井有效疏干面積按250m2考慮，并預留10%的備用井，分為降水和回灌部分，共同作用以控制地鐵變形，降水井分布情況如圖9所示。通過設置淺層疏干井、減壓井控制基坑施工過程中地下水頭高度，且地鐵結(jié)構(gòu)兩側(cè)基坑開挖深度不同，會導致地鐵結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，在地鐵結(jié)構(gòu)兩側(cè)設置回灌井作為水位動態(tài)控制井，通過調(diào)節(jié)地鐵兩側(cè)水頭高差輔助控制地鐵側(cè)向位移。

圖9 基坑降水井布置平面

2.5 小挖施工方法

以2期基坑為例，基于時空效應理論，確定兩側(cè)基坑采取對稱、平面分塊、豎向分層、優(yōu)先形成對撐的島式開挖方式，以減少土方開挖對地鐵變形的影響。按基坑開挖卸荷對地鐵影響程度，整體劃分為近地鐵區(qū)和遠地鐵區(qū)，按支撐體系對基坑進行分層、分塊。2A，2B期基坑分分別劃分為3，4層，如圖10所示。

圖10 基坑開挖分層

土方開挖順序由遠地鐵向近地鐵開挖，優(yōu)先形成對撐，單次開挖面積控制在600m2內(nèi)，單次開挖量控制在2 500m3內(nèi)，施工段劃分如圖11所示。開挖時嚴格遵循預定方案，結(jié)合監(jiān)測、降水深度情況綜合動態(tài)調(diào)整開挖步序，避免不均衡開挖導致地鐵扭曲變形。

圖11 施工段劃分示意

為防止基坑開挖到一定深度后，由于坑底下土體受未隔斷承壓水頂托突涌引發(fā)側(cè)向位移，因此深基坑應按需、定量降水，確?；邮┕ぐ踩?。

2B期靠近地鐵20m范圍內(nèi)采用抽條開挖，每20m為一段，自南向北逐段抽條開挖，每段開挖完成后及時進行墊層施工。墊層施工完成后，方可開挖下段土方。隨抽條開挖及時進行墊層施工，減少基底暴露時間?；跁r空效應理論，嚴格控制開挖面積、開挖量，限制開挖卸荷量。

3 實施效果

以2A，2B期基坑開挖為例，通過設計和施工措施，控制地鐵豎向隆起在10.3mm，控制上行線(向2B期一側(cè))地鐵側(cè)向位移在4.8mm(報警值為6mm)，差異沉降控制在0.17mm/10m，降水導致基坑周邊沉降2mm，總體相對穩(wěn)定?；邮┕み^程中，因措施得當，地鐵車站主體和盾構(gòu)隧道變形始終受控，且變形趨勢穩(wěn)定，承壓水水位降深等值線如圖12所示。

圖12 承壓水水位降深等值線

通過大倉小挖設計使工程直接節(jié)約成本約3 500 萬元?，F(xiàn)場方案實施效果良好，體現(xiàn)方案的優(yōu)越性。同時采用分塊、分段開挖實現(xiàn)大倉小挖，縮短工期約3年。

4 結(jié)語

運營地鐵兩側(cè)基坑群大倉小挖分倉設計是通過分析、模擬特級風險基坑的施工變形風險，以主動控制為出發(fā)點，對比工期、施工難度等方面，進而形成的設計思路，單從變形控制角度進行分析，基坑間隔調(diào)倉設計變形控制要較大倉小挖分倉設計容易，但從工期角度出發(fā)，再結(jié)合風險控制措施，達到同樣變形控制條件的同時，既節(jié)約建設成本，又節(jié)約建設工期，是新設計思路。