复杂环境条件下深大基坑围护结构设计

陈丽萍

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430000)

1 工程概况

星港街隧道配套(轨道交通)预留工程东方之门站位于苏州轨道交通1号线东门之门站以北。该站为苏州轨道5号线与1号线换乘的地铁车站。项目与拟建苏州工业园区星港街公路隧道和人行天桥的紧邻，为避免项目多次施工对该区域的影响，需考虑同步建设东方之门站、星港街公路隧道和人行天桥。本项目基坑开挖中面积为8 729 m2，其中地下三层段基坑面积3 836 m2，基坑开挖深度约为23.6 m，端头盾构井深度约25.7 m；地下两层段基坑开挖面积1 103 m2，开挖深度16.8 m；其余均为地下一层，基坑开挖深度9.6 m。本项目基坑距离已运营的苏州轨道1号线区间隧道约17 m，基坑与北侧的公路隧道距离约为12 m，东侧紧邻公路隧道，局部位置需与公路隧道采用共用围护结构。如图1所示[1]。

图1 工程总平面

2 工程特点与难点

(1)本项目地下三层段基坑开挖深度达23～25 m，二层段基坑开挖深度约16.5 m，均属深大基坑工程。在高地下水位的软土地区开挖如此深的基坑工程存在着较大风险性，需选用合理的围护结构型式。

(2)整个基坑开挖深浅不一，并且基坑与星港街公路隧道、过街天桥同时施工，为减少几个项目同时施工带来的相互影响，确保工程安全、按期推进，整个工程需要统筹考虑，合理分区。

(3)环境保护、地铁保护要求高。项目紧邻已运营的盾构区间，在基坑围护工程设计施工中应采取合理、有效的保护措施，确保区间隧道的正常运营。

(4)基坑与公路隧道在同一个区域范围，其中部分地下一层段基坑与公路隧道共用围护墙，基坑设计中应采取合适的支护结构，保证两侧基坑的安全。

综上所述，如何有效、合理解决本基坑工程面临的诸多问题，特别是解决多项目之间的相互制约，制定合理的工程分区及对南侧轨道区间隧道的保护是本基坑围护设计之关键。

3 基坑围护结构设计

3.1 基坑围护结构选型

基坑施工采用成熟、明挖顺作法施工。由于该基坑开挖深度大，周边环境复杂，运营地铁的保护要求严格，同苏州已建和在建的类似深基坑项目类比，地下三层段、地下两层段及东侧邻近公路隧道段均围护形式选择刚度大、挡土能力强、止水效果好的地下连续墙，墙缝采用H型钢接头；整个项目基坑形状均为长条形基坑，支撑平面布置均采用受力明确的支撑对撑形式。支撑体系采用混凝土支撑+钢支撑体系；为加强支护围护结构刚度，所有基坑第一道支撑均采用混凝土支撑； 基坑安全等级均按照一级考虑，由于南端头井区紧邻已运营的1号线隧道区间，适当的提高了基坑变形控制等级,限定围护结构最大水平位移≤0.10 %H(H为基坑开挖深度)。

3.2 基坑分区及施工工序

为确保深、浅基坑的安全，且与星港街公路隧道等工程综合考虑，将基坑分区实施。分区原则：基坑先深后浅、相邻项目尽量不同时开挖；本项目基坑分区:三层段车站主体基坑(A区)、二层段车站附属结构(B区)、单层段车站附属基坑(C区)。施工分区及施工工序为：

图2 基坑分区

(1)A区南端头井紧邻已运营的地铁1号线区间隧道，为了减少基坑开挖对区间隧道的影响，将地下三层基坑分区，在南端头井处设置分隔墙，将基坑分为A1、A2、A3区。首先施工A1区，待A1区底板完成浇筑并达到强度后，回筑拆撑时开始开挖A2区，A3区在A1区车站主体结构施工完毕前严禁土方开挖。

(2)施工车站2期即B区基坑，同步实施公路隧道Ⅱ-4和公路隧道Ⅱ-5。

(3)施工车站3期即C区基坑，同步实施公路隧道Ⅲ-4、公路隧道Ⅲ-5、公路隧道Ⅲ-6、公路隧道Ⅲ-7。

3.3 针对临近区间隧道的专项保护措施

图3 基坑支撑平面布置

拟建场地临近轨道交通1号线东方之门站及盾构区间，盾构区间对沉降及变形较为敏感。设计中采取了如下措施。

(1)根据地方对地铁保护的相关标准，制定严格的基坑位移控制指标及施工过程中地铁结构保护指标。①基坑施工过程中，车站及区间沉降及水平位移≤10 mm；②隧道变形曲线的曲率半径R≥15 000 m；③隧道的相对变曲≤1/2 500；④地铁结构变形速度≤0.5 mm/d，且不得影响正常使用，隧道和车站的差异沉降控制在5 mm以内。

(2)为有效控制临近地铁侧的基坑在开挖过程中的侧向变形及大基坑开挖产生沉降，对整个基坑方案进行有针对性的设计：①对地下三层段基坑进行分区，将大基坑小块化[2]，先开挖临近区间隧道的A1区小基坑，充分考虑“时空效益”，缩短施工工期，从而有效控制基坑土体隆起和坑外的地基沉降；②支撑体系采用混凝土支撑与钢支撑轴力伺服系统[2]相结合的对撑布置体系，支撑轴力伺服系统根据实际监测情况，调整预加轴力，控制基坑变形，以达到有效控制区间隧道变形，保护地铁运营。③对连续墙采取槽壁加固，并采用H型钢接头，可以有效的减少连续墙渗水、漏沙的情况出现，保证了基坑安全；④对靠近区间隧道侧盾构区的软弱土层进行地基加固处理，增强被动土区域的力学参数，有利于减少基坑开挖过程中地铁结构的位移；⑤对抗承压水设计不满足要求的区域的连续墙进行加深，隔断承压水土层，避免大范围降承压水对地铁结构的影响。⑥加强车站及盾构区域的监测，根据监测结果反馈指导基坑围护结构的设计及施工，做好信息化施工。⑦主体结构采用复合墙，有利于减少使用期间的长期的渗漏水，减少对地铁的影响。⑧基坑工程施工阶段对该侧基坑外侧严格限制任何形式的施工荷载，一方面消除施工重载对已建1号线区间隧道的影响，另一方面减少围护体变形进而控制对地铁车站的影响。

3.4 基坑有限元计算

为了较准确地预测本基坑项目开挖引起周边环境(区间隧道)的附加变形，采用岩土工程专业有限元软件Plaxis对基坑开挖过程数值模拟，对图4所示典型剖面进行计算分析。其中土体材料采用Harding Soil硬化模型[3] 、[4]，地下连续墙采用线弹性模型模拟。水平方向按照实际的基坑尺寸关系建模，水平向尺寸为100 m，考虑一定的开挖影响范围，深度则取至足够深度，为地表以下50 m。对左边界施加X向位移约束，底边界施加X、Y向约束，对称边施加对称约束边界条件。计算模型中根据实际工况模拟基坑开挖情况，根据计算结果(图4、图5)，基坑开挖对邻近隧道产生的最大水平、竖向变形、总位移均小于5 mm。根据理论预测结果并结合已有的工程经验，本方案采用的支护结构及支撑方案可以有效控制区间隧道变形在较小范围内，同时后期在实际施工中结合监测数据，采用钢支撑轴力伺服系统对位移进行实时控制，做到信息化施工。

图4 基坑计算剖面A-A

图5 基坑有限元计算结果

4 结束语

星港街隧道配套(轨道交通)预留工程东方之门站基坑紧邻已运营的苏州轨道交通1号线东方之门的区间隧道及出入口通道，并与拟建的星港街公路隧道、过街人行天桥紧邻并同期实施。设计中有针性的对基坑合理分区，并统筹考虑各项目之间施工工序，较好的解决了项目同期施工的相互影响的难题。并对车站三层段端头井基坑分区卸载，在南端头盾构段采用钢支撑轴力伺服系统等有效措施，可达到有效控制基坑围护变形，从而保护紧邻运营区间隧道安全。通过数值模拟分析，区间隧道各项位移参数均能满足地方轨道保护要求。该设计方案可为苏州地区后续线路或其他城市类似的工程提供借鉴。

[1] 中铁第四勘察设计院集团有限公司．星港街隧道配套(轨道交通)预留工程东方之门站[R]．2014

[2] 贾坚. 控制深基坑变形的支撑轴力伺服系统[J] .上海交通大学学报,2009,43(10)

[3] 沈珠江.粘土的双硬化模型[J] .岩土力学,1995,16(1)

[4] 北京金土木软件技术有限公司.PLAXIS版本8材料模型手册[M]