紧邻多条轨道交通运营线路的超大面积深基坑设计

杨红伟

（上海市城市建设设计研究总院，上海市 200125）

0 前言

随着我国经济建设的高速发展，各地发达城市兴建了大量的建筑，越来越多的深基坑工程面临着越来越复杂的边界条件，如邻近大量市政管线、建筑和地铁构筑物等；基坑平面受场地限制有凹凸折线型等多种形状。由于工程功能要求日益复杂，支护体系种类繁多，各种施工工艺联合使用，其复杂程度对深基坑工程的理论研究、设计与施工均提出了诸多挑战。如何把握基坑变形控制、保护周边环境成为超大深基坑的设计难点。

1 工程概况

铁路上海站素有“申城陆上大门”之称，所在的不夜城地区又是上海市总体规划所确定的市级商业中心。地下空间开发依托现有的地铁1、3、4号线的站点，并结合站前广场与地块的整体改造。建成后铁路上海站北广场将火车站、地铁、城市公交、长途客运、商业酒店有机连为一体，从而实现立体换乘。整个工程基坑平面呈不规则的多边形，基坑内部阳角较多，环境保护要求极高。地下空间开发占地面积约37000 m2，基坑开挖深度约为11.68 m，属超大面积深基坑。

该工程2008年7月开工建设，根据工程的总体进度安排，北广场综合交通枢纽需在世博会之前改造完成投入使用。根据市领导的要求，2009年春运开始之前北广场地面必须恢复，作为客流集散场所。

拟建场地北靠中兴路，局部为拆迁后场地，北侧有北广场大酒店、中祥戴斯宾馆两幢高层，东侧临近地铁1号线上海火车站站及区间隧道，距离基坑边界约10 m，南侧临近轨道交通3、4号线上海火车站站地面段，距离基坑边界约10 m，既有的行包通道也需进行改造施工，西侧紧邻长途汽车客运总站。基坑总平面图见图1。

图1 基坑总平面图

2 工程地质

根据本次勘察资料，场地地基土均为第四纪松散沉积物，属第四系滨海平原地基土沉积层，主要由饱和粘性土和粉性土、砂性土组成。基坑开挖深度范围内设计主要土层为①1填土、②1粘质粉土夹粉质粘土、②3-1砂质粉土、②3-2粉砂、⑤1-1粘土、⑤1-2粉质粘土、⑥粉质粘土、⑦1砂质粉土、⑦2粉细砂。场地浅部分布有②1粘质粉土，厚约1.4 m，②3-1层砂质粉土，厚约4.1 m，②3-2层粉砂，厚约8.0 m，土体稳定性较差，地下墙施工时易发生流砂、槽壁坍塌现象，应采取适当的措施。

根据本次勘察，⑦层承压水含水层水位埋深8.95 m。根据上海市工程实践，⑦层承压水水位标高年呈周期变化，一般埋深变化范围为3.0～11.0 m，层厚10 m左右，经计算坑底地基土不满足抗承压水要求。该工程基坑底落在②3-2粉砂层。

3 基坑设计方案

3.1 基坑分区

基坑西侧及南侧临近地铁运营线路，基坑设计和施工时必须保证地铁结构设施绝对沉降及水平位移量（包括各种加载和卸载最终位移量）不大于20 mm。根据周边环境和地铁保护要求，确定临近地铁基坑保护等级为一级，其他侧的安全保护等级为二级。

由于该工程基坑面积大，基坑开挖深度较大，卸荷显著，坑底土的回弹变形不能忽视。为控制基坑土体的回弹量，减弱其不利影响，将整个基坑分区域、分阶段进行施工。在临近地铁侧基坑内设置一排临时隔断桩，形成两个狭长形的基坑（Ⅱ区），该区域在Ⅰ区基坑结构完成后进行施工。由于地处场址西南角的铁路公寓动迁进度迟缓，为满足一期基坑围护结构及时封闭的要求，环绕铁路公寓增加了临时隔断桩，该区域基坑将最后施工（Ⅲ区）。基坑分区平面见图2。

图2 基坑分区平面图

3.2 基坑设计方案

针对工程需作为春运集散地施工周期短、基坑开挖深度大、周边环境复杂、保护要求高等特点，不同的区域采用不同的围护结构方案。

（1）为解决基坑平面不规则和工期紧迫问题，Ⅰ区采用地下墙+结构板全逆作设计方案。逆作方案采用地下连续墙作为围护体，结构梁板作为水平支撑，一柱一桩作为基坑的竖向支撑体系，施工阶段在地下各层结构设置出土口，同时考虑地下室顶层梁板结构作为施工场地，大量出土口的设置以及顶层结构作为施工场地，为施工上带来极大的方便，从而缩短了工期。逆作法设计方案由于避免了大量临时支撑（施工栈桥）的设置和拆除，节省工程投资，经济效益十分明显。实施方案见图3。

（2）靠近地铁1号线和地铁3、4号线侧(Ⅱ区)采用地下墙+钢支撑明挖法设计方案。传统明挖法，施工周期短，将基坑施工对地铁设施的影响周期缩短。明挖方案采用地下墙作为围护体，利用混凝土支撑结合钢管作为水平支撑。实施方案见图4。

图3 Ⅰ区实施方案

图4 Ⅱ区实施方案

（3）原铁路公寓下设一层地下室，地下室埋深约为4.0 m，采用土钉墙作为围护结构，基础为柱下承台桩基础。Ⅲ区与地下障碍物平面关系见图5。

图5 Ⅲ区与地下障碍物平面关系图

基坑围护边界距离地铁3、4号线约为10.6 m。如采用地下连续墙，必须清除铁路公寓的底板，且场地内的砂土层在动力的作用下极易产生液化上涌，危及地铁3、4号线的正常运行。为确保轨道交通的安全运营，在该区域拟采用硬切割全套管咬合桩结合清障+周边环板逆作中心岛设计方案。实施方案见图6、图7。

图6 Ⅲ区实施方案（一）

图7 Ⅲ区实施方案（二）

3.3 围护结构内力分析

围护结构内力计算沿结构纵向取单位长度按弹性地基梁计算，按基坑开挖、回筑内部结构的施工过程和完成后的使用阶段等工况进行内力计算。

围护结构开挖阶段计算时须计入结构的先期位移值以及支撑的变形，按“先变形，后支撑”的原则进行结构分析。

3.3.1 逆作板水平支撑刚度计算

采用弹性地基梁方法计算时需先确定弹性支座的刚度，但对于该工程，支撑体系较为复杂，难以直观地确定弹性支撑刚度，故采用简化处理方法。首先，在水平支撑的围檩上施加与围檩垂直的单位分布荷载p=1 kN/m，求得围檩上各结点的平均位移（与围檩垂直的法向位移），则弹性支座的刚度为 Ki=p/δ。

按照该工程的实际结构尺寸建模。楼板采用shell63单元，混凝土标号为C35，弹性模量取3.0×107，泊松比0.167。梁采用beam188单元，每1 m为一个单元。计算模型见图8，计算结果见图9、图10。

图8 计算荷载模型

图9 顶板变形图

图10 中板变形图

通过平均位移得到逆作板的水平平均刚度：K顶板=p/δ顶板=1/（3.786×10-6）=2.641×105（kN/m）K中板=p/δ中板=1/（3.601×10-6）=2.777×105（kN/m）

3.3.2 计算结果

地下墙最大变形为16 mm<0.14%H=16.5 mm，满足一级基坑的环境保护要求。见图11～图14。

图11 计算简图（单位：mm）

图12 弯矩包络图（单位：kN·m/m）

图13 剪力包络图（单位：kN/m）

图14 变形图（单位：mm）

4 基坑开挖对轨道交通影响分析

该工程环境保护要求极高，为了较准确地预测基坑工程开挖引起周边环境的附加变形，采用通用有限元分析软件Plaxis进行基坑开挖过程的有限元数值模拟，对基坑开挖卸荷作用产生的周边环境的附加变形进行预测分析。分析时土体采用硬化模型模拟，即Hardening Soil（HS）模型。根据勘察报告提供的不同土层剖面，考虑不同的土体分层条件和重度，计算基坑开挖前土体初始应力场分布，同时采用Goodman接触单元考虑了土体和地下结构之间的相互作用。通过有限元软件的“单元生死”模拟基坑工程围护体施工、各层土体的分层开挖以及各道支撑的施工过程，根据基坑施工工况模拟基坑开挖的全过程。

4.1 基坑开挖对地铁1号线车站影响分析

计算模型包括了土体、围护体、地铁车站等结构构件，考虑了10 kPa的坑边超载，采用三角形6节点单元模拟土体，采用梁单元模拟围护体，采用弹性支座模拟混凝土支撑。计算模型如图15所示，计算结果见图16、图17及表1。

图15 计算模型

图16 土体水平位移云图

图17 土体竖向位移云图

表1 计算结果汇总表

4.2 基坑开挖对地铁1号线区间隧道影响分析

计算模型包括了土体、围护体、地铁1号线区间隧道等结构构件，同时考虑了10 kPa的坑边超载。采用三角形6节点单元模拟土体、采用梁单元模拟围护体，采用弹性支座模拟混凝土支撑。计算模型如图18所示，计算结果见图19、图20及表2。

图18 计算模型

图19 土体水平位移云图

图20 土体竖向位移云图

表2 计算结果汇总表

4.3 基坑开挖对地铁3、4号线影响分析

计算模型包括了土体、围护体，地铁3、4号线等工程结构。该工程基坑的坑边超载按照20 kPa考虑，采用三角形6节点单元模拟土体，采用梁单元模拟围护体，采用弹性支座模拟混凝土支撑。计算模型如图21所示，计算结果见图22。

图21 计算模型

该工程基坑开挖引起的近3、4号线侧最大地面沉降11.5 mm。3、4号线采用了碎石道床，适应变形的能力强于整体道床。

4.4 基坑施工过程实测数据

基坑开挖期间对周边地铁进行了全方位的监测。根据上海地铁运营有限公司监护分公司提供的监测数据，基坑开挖期间1号线车站最大上浮约9.39 mm，3号线最大沉降约19.17 mm，轨道交通设施运营正常。见图23、图24。

图23 地铁1号线沉降点数据

图24 地铁3（4）号线沉降点数据

5 结语

该工程2008年7月开工建设，2008年12月顶板结构完成，作为春运临时集散场地，2009年12月主体结构竣工。基坑设计中采用主体基坑顺逆结合、原铁路公寓区域周边环板逆作－中心岛顺作的基坑设计方案。工程实施期间，该方案妥善地解决了北广场春运期过渡使用，运营地铁线路和周边建（构）筑物变形与沉降均在允许范围内，顺利完成了“保春运”和“迎世博”两大工程建设目标，取得了明显的经济效益和社会效益。

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