软土地区紧邻地铁的深大基坑土方开挖技术

朱 健 侯海芳 范垚垚 赵培龙 杜高帅

1. 同济大学 上海 200092；2. 中国建筑第八工程局有限公司上海分公司 上海 200433

1 工程概况

1.1 基坑概况

上海市航空服务中心X-1地块项目位于徐汇区黄浦江南延伸区，基坑南邻龙耀路，东侧及北侧分别为规划云谣路和龙启路，西侧平行于云锦路和轨交11号线云锦路—龙耀路区间隧道。基坑总面积约31 700 m2，划分为7个分区，其中地下2层区域（4、5、6、7区）开挖深度11.5 m，地下3层区域（1、2、3区）开挖深度15.7～15.9 m，塔楼区域（处于1区）开挖深度18.6 m，塔楼局部电梯井深坑开挖深度达24 m。基坑西侧的轨交11号线区间隧道与围护地下连续墙净距离为8.3～10.9 m（图1、图2）。

1.2 地质条件

拟建场地地基土为第四纪松散沉积物，属第四系滨海平原地基土沉积层，主要由饱和黏性土、粉性土以及砂土组成，具有成层分布特点。该场地受古河道切割，⑥层和⑦2层缺失，代而沉积为厚度较大的⑤3层、⑤3t层。

场地内④2-2、⑤3t（分布有2层）层为微承压含水层，微承压水水位一般埋深变化范围为3.0～11.0 m；⑨1、⑨2层为承压含水层，该2层连通，⑨1、⑨2层承压水水位一般埋深变化范围为3.0～12.0 m。勘察期间测得④2-2层微承压水水位埋深为4.66～4.89 m，⑤3t层微承压水水位埋深为5.87～6.87 m。④2-2、上层⑤3t层微承压水对坑底有突涌影响。

图2 基坑与西侧轨交11号线相对位置

1.3 支撑体系及土体加固

远离地铁的面积较大的分区（1～3区）采用3道钢筋混凝土支撑，平面布置采用“井”字形对撑＋边桁架的形式。近地铁窄条形小坑（4～7区）采用首道混凝土支撑＋2道钢管对撑的形式，钢支撑采用轴力自动补偿系统。

坑内利用φ850 mm@600 mm三轴搅拌桩加固被动区土体（图3）：1区、2区沿地铁侧中隔墙裙边加固，加固宽度8.05 m，深度至坑底以下5 m；4～7区坑内满堂加固，加固深度至坑底以下5 m；1～3区除地铁侧以外各边采用裙边或暗墩加固，加固深度至坑底以下5 m。1～3区坑内深坑采用高压旋喷桩加固。

2 远离地铁大坑土方开挖技术

2.1 远离地铁大坑土方工程特点

1）开挖面积大，单坑面积为8 300～110 000 m2，开挖深度深，土方量大。

2）采用3道钢筋混凝土支撑，对撑＋角撑＋边桁架的支撑形式，支撑制作并达到土方开挖条件所需时间较长。

3）大坑底板面积大、底板厚，又分布有较深的电梯井深坑，大坑底板钢筋和混凝土工程量大，施工周期长。

4）大坑开挖土体卸荷引起坑底隆起量大，造成深层土体产生位移，且由于软土的蠕变性，坑底隆起和深层土体位移随着土方开挖的进行持续发展，直至底板浇筑达到稳定[1-3]。

2.2 远离地铁大坑土方开挖要点

为控制基坑变形，需应用时空效应原理，分区分块，留土护壁，加快施工速度，减少基坑无支撑暴露面积和时间，并及时完成底板压载。具体方法上，一般采用盆式开挖法（图4、图5），即先开挖中部土方，再限时对称开挖盆边土方并及时形成对撑。

图3 坑内加固平面示意

图4 盆式开挖平面示意

图5 盆式开挖剖面示意

盆边土方因分块多、支撑密、倒运土方距离远等因素影响，开挖速度一般都比较慢，影响基坑整体开挖进度，反而不利于控制基坑总体变形。为此，对于环境保护要求较低的一侧，如除沿地铁侧以外的中隔墙侧，不留土护壁，其余侧仍留土护壁，成为所谓的半盆式开挖法（图6、图7），开挖方向为从环境保护要求低的中隔墙侧向靠近地铁和环境保护要求相对较高的外围护墙侧，从而加快整体开挖进度，有利于基坑变形控制。

图6 半盆式开挖平面示意

图7 半盆式开挖剖面示意

以1区为例说明半盆式土方开挖要点，其余2区土方开挖要点类同。

1）第1层土开挖深度较浅，不对基坑变形造成影响，采用大开挖。

2）第2、3层土方量分别为58 000 m3和57 000 m3，均采用半盆式开挖。1区西侧近地铁、南侧近龙耀路隧道，为减小围护墙无支撑暴露面积和时间，采用留土护壁，护壁土再分小块开挖，并限制每块开挖和支撑形成时间在24 h内；其余两侧为临时中隔墙，变形控制要求较宽松，采用大开挖（图8、图9）。

图8 1区第2、3层土方开挖分块示意

图9 1区第2、3层土方开挖顺序

3）第4层土方开挖至裙楼底板垫层底，土方总量约30 000 m3。为及时对坑底进行压载、控制坑底隆起，第4层土方也需分块开挖，开挖分块一般根据底板后浇带进行划分，由于西侧、南侧根据后浇带分块较大，不利于控制该两侧的基坑变形，因此通过在底板增加施工缝将西侧、南侧土方开挖分块再予以细分，整个第4层土方共分为7块开挖，随挖随浇捣垫层，并及时施工底板完成坑底压载（图10、图11）。

图10 1区第4层土方开挖分块示意

图11 1区第4层土开挖顺序

2.3 开挖实施效果分析

上海国际航空服务中心（X-1地块）项目大区基坑开挖采用此技术取得了良好的效果（图12）。

图12 1区底板完成后各侧地下连续墙测斜变形曲线

由图12可知，西侧地下连续墙侧P23点和南侧永久地下连续墙侧P21点测斜明显小于中隔墙P09、P18点的测斜，达到了牺牲中隔墙变形以加快开挖速度、保护地铁侧或永久地下连续墙侧的目的，但也需注意适当控制中隔墙变形，不能因中隔墙变形过大而导致渗漏等风险出现。另外，由P21、P23点的对比也可看出，满堂加固侧的P23点变形比非连续加固侧的P21点测斜变形要小，可见土体满堂加固也对地下连续墙变形起着至关重要的作用。

监测数据显示，在1区开挖至底板完成期间，其开挖范围内对应的地铁沉降点最大下沉1.2 mm，最大上抬1.5 mm，开挖范围内的地铁隧道自身差异沉降约10 mm，地铁总体变形较小，且趋势平稳。

3 紧邻地铁窄条形小坑土方开挖技术

3.1 窄条形小坑土方工程特点

1）基坑呈窄条状，开挖面积小，一般单坑面积在1 000 m2以内，土方量小。

2）除第1道钢筋混凝土支撑外，下方多为φ609 mm钢管对撑，不设围檩，支撑直接撑在地下连续墙上，可以实现快速支撑。

3）坑内采用三轴水泥土搅拌桩满堂加固，坑内土体强度较高。

4）近地铁窄条坑开挖均在相邻大坑地下室结构完成后进行。开挖窄条坑时，一方面通过大坑的回筑压载，稳定了深大基坑的开挖隆起，同时由于窄条坑内土体的加固作用，坑内土体的回弹较小，加之窄条坑两侧较深地下连续墙的遮挡作用，窄条坑卸荷状态下其深层土体滑移影响也较小。

3.2 窄条形小坑土方开挖要点

以6区土方开挖为例，其余分区开挖要点类同。

1）首层土方开挖深度较浅，不对基坑变形造成影响，分块开挖、限时没有要求。

2）第2～4层土方分小段开挖，做到快速开挖支撑。第2、3层土方分块结合支撑布置，每2～4根支撑划分一块（图13），每块土方开挖到支撑轴力施加完成不超过24 h。第4层土方开挖分块结合底板浇筑分块进行划分，并随挖随浇筑垫层。为进一步控制围护墙侧向位移，在坑底垫层内加设型钢支撑，并施加300 kN轴力。

图13 6区土方开挖分块示意

3）为加快挖土速度，采用2套挖土设备，每层土方由中间向两端（或由两端往中间）推进开挖；同时第2层及以下土方在起始开挖点提前抽条下挖一个操作面（下挖深度2～3 m，下挖宽度5～6 m，图14），以解决小挖机下沉缓慢的难题，加快开挖速度。

3.3 开挖实施效果分析

6区从第2层土方开挖至底板完成仅用了18 d时间，即使施工过程中遇到雨季，也比地铁公司要求的20 d提前了2 d。

6区开挖施工期间，地下连续墙测斜变形最大处仅为3.6 mm，远远小于地铁公司要求的10 mm。

图14 第2层及以下土方开挖时下挖操作面示意

4 结语

1）为控制基坑变形，紧邻地铁软土深大基坑土方开挖总体上需应用“时空效应”原理，分层分块开挖，合理安排挖土流程，限时开挖支撑，尽可能减小围护墙无支撑暴露面积和时间。

2）大坑开挖主要控制坑底隆起和深层土体位移，加快单个基坑施工速度，缩短单个基坑整体施工时间，对控制基坑变形是有利的。因此大坑开挖可采用“半盆式”开挖法，对于环境保护要求较低一侧，如除沿地铁侧以外的中隔墙侧，不留土护壁，其余侧仍留土护壁，开挖方向为从环境保护要求低的中隔墙侧向靠近地铁和环境保护要求相对较高的外围护墙侧，从而加快整体开挖进度，有利于基坑变形控制[4-6]。

3）窄条坑开挖主要控制邻地铁侧地下连续墙的侧向位移，窄条坑开挖结合基坑长条状，沿基坑长边分小段（每2～4根支撑为一段）进行开挖，做到快速开挖、快速支撑。