软土地区临近地铁深基坑施工控制及监测

周丁恒 周春锋 李凤岭 刘 力

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 引言

随着城市轨道交通的快速发展，地铁沿线的商业及民用建设也随之跟进，导致高层建筑基坑越来越靠近地铁车站或隧道。基坑开挖卸载会引起周围土体的附加应力，从而对邻近的既有车站或隧道结构产生附加荷载，过大荷载时则会影响车站或隧道结构的稳定，进而影响到地铁的正常与安全运营。

针对基坑临近地铁隧道此类问题，近年来，国内外学者采用理论分析、数值计算及实测分析等手段进行了深入研究。在理论分析方面，隧道变形分析是关键，除常用的两阶段分析方法［1］外，部分学者提出了新方法，如周顺华等［2］提出了与传统算法不同的能量计算法来计算环间错台效应下基坑开挖引起的临近地铁盾构隧道变形；张世民等［3］建立了考虑软土的流变性以及地基变形的连续性的Pasternak双参数地基模型；此外，魏刚等［4］另辟方向，从荷载效应角度建立了基坑开挖引起的临近既有地铁隧道的附加荷载计算方法。数值计算是研究基坑临近地铁隧道的重要手段，张红勇［5］对不同角度工况下基坑开挖对隧道结构变形与内力影响进行了数值分析；马永峰等［6］开展渗流作用下基坑施工对隧道的影响性分析；李校峰［7］对深大基坑对地铁隧道影响进行了三维数值分析；目前部分数值分析是与实测相结合，达到以实测验证计算、计算补充实测的目的［8-11］。在单纯实测分析方面，魏纲等［12］完成了临近隧道的非对称基坑的变形、受力的监测分析工作。

相对于基坑临近隧道，基坑临近车站的工程实例相对较少，大部分为新建基坑对既有地铁车站的分析，个别涉及到基坑和车站同期建设。综上所述，目前关于基坑临近地铁结构的研究主要集中在隧道方向，少部分涉及到车站，基坑同时临近车站和隧道的工程实例及研究非常少见，本文以此为出发点，针对某深基坑临近地铁换乘站和区间隧道，在阐述施工方案及控制措施的基础上，以监测为手段，分析软土深基坑施工对车站和区间隧道的影响，以求丰富基坑临近地铁结构方面的研究。

2 工程概况及施工难点

2.1 基坑工程概况

杭州港龙城基坑基本呈矩形，平面尺寸约为265 m×130 m，开挖深度约15.8～16.3 m。基坑北侧临近地铁1、4号线彭埠站及1号线彭埠站～七堡站盾构区间，基坑与地铁结构平面位置关系如图1所示。车站基坑开挖深度16 m，围护采用800 mm厚地下连续墙，车站主体结构距基坑围护结构外边线约28 m。基坑范围内盾构线长210 m，隧道中心线埋深约16.3 m，隧道结构外边线距基坑外边线约15.4～17.7 m。港龙城基坑对地铁影响等级为一级。

根据勘察报告，港龙城基坑所在区域地表以下68 m深度内可划分为8个工程地质层，细分为13个工程地质亚层，自上而下岩土层依次为：①杂填土、②粘质粉土、③砂质粉土、⑤砂质粉土夹粉砂、⑥-1淤泥质粉质黏土、⑥-2淤泥质黏土、⑧黏土、⑨-1粉质黏土夹粉砂、⑨-2圆砾、⑨-2夹粉质黏土夹粉砂、⑩-a全风化泥质粉砂岩、⑩-b强风化泥质粉砂岩和、⑩-c中等风化泥质粉砂岩。地下水位埋深地表下1.2～2.9 m左右。

图1 港龙城基坑与地铁平面位置关系

2.2 基坑施工难点

（1）基坑开挖面积和深度大，长边尺寸超过265 m，属于超大基坑，且局部为超深基坑。对周边环境尤其是地铁车站、盾构隧道的时空效应影响非常大。

（2）场地存在较厚的粉土层，渗透系数大，地下水对本项目影响较大，临地铁侧基坑必须做好止水措施，且不允许地铁侧进行降水施工。

（3）坑底以下为淤泥质土，影响整体稳定和变形控制。

（4）基坑开挖时北侧地铁1、4号线均已运行，根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ／T 202-2013）对接近程度和影响分区的定义，并结合基坑工程范围内分布有粉土、黏土和淤泥质土，判定为基坑对1号线盾构隧道影响等级为1级，隧道保护要求高。

（5）基坑北侧存在地铁车站及出入口，基坑开挖容易造成地铁附属结构的变形和破坏。

3 基坑施工方案与控制措施

3.1 围护方案

（1）为保护地铁安全，利用基坑的空间效应，将基坑分区、分期施工，内部设置分隔墙，基坑划分两大区域：Ⅰ区块和Ⅱ区块（见图1）。其中Ⅱ区块又分为Ⅱ-1、Ⅱ-2区块，确保北侧沿盾构隧道边，基坑长边不超过100 m。

（2）靠近地铁隧道侧围护结构采用地下连续墙，围护外侧设置隔离桩，同时进行坑外主动区和坑内被动区加固。其他三侧围护结构采用钻孔灌注桩挡土，三轴搅拌桩止水。

（3）Ⅰ区块设3道混凝土支撑，第二道钢筋混凝土支撑以下土方开挖需严格按照分块施工要求进行并适当预留反压土。Ⅱ区块第一、二道设置混凝土支撑，第三、四道采用可调节内力钢支撑。

（4）部分位置位于淤泥质土层，坑内被动区采用三轴搅拌桩加固。

3.2 施工顺序优化

Ⅱ-1区块先于Ⅱ-2区块施工，待Ⅱ-1区块施工至底下一层楼之后，再开始Ⅱ-2区块开挖。

Ⅱ-1区块分5层开挖，每层又分为更小的区块，第二层土方根据分隔围护桩及抬高的三轴加固划分为2个区块，由东至西编号1～2，土方开挖顺序为：1→2。第三、四层土方根据支撑分布划分为3个区块，由东至西编号1～3，开挖顺序为：1→2→3。第五层土方根据地下室底板后浇带划分为2个区块，由东至西编号1～2，开挖顺序为：1→2。Ⅱ-2区块同样分为5层施工，每层又分为更小的区块，第二层土方根据分隔围护桩及抬高的三轴加固划分为3个区块。第三、四层土方根据支撑分布划分为5个区块。第五层土方根据地下室底板后浇带划分为3个区块。

3.3 地铁保护措施

3.3.1 加强垫层

为便于底板土方开挖后及时传力，Ⅱ区块及Ⅰ区块近地铁结构侧一定范围内垫层增加A8＠200 mm的单层钢筋网片，同时厚度增加到300 mm，混凝土强度改为C25。

3.3.2 增设型钢支撑

Ⅰ区块开挖后施工地下室主体结构。在Ⅰ区块地下室主体结构外侧，Ⅱ区块西、北侧围护为地下连续墙，东、南侧为排桩支护。Ⅱ区块内布置排桩，将其分隔为东西2个区块。

Ⅱ区块内支撑是角撑＋对撑的平面支撑体系，采用3道钢筋混凝土内支撑＋1道预应力钢支撑，其中第四道钢支撑采用H350×350×12×19 mm型钢组合式支撑，剖面如图2所示。支撑竖向立柱底部为钻孔灌注桩，开挖面以上立柱采用角钢缀板式钢格构柱，其截面尺寸为480 mm×480 mm，角肢采用∠160×14 mm角钢。两个区块围护结构荷载传递方式如图3所示。

图2 预应力型钢组合式支撑剖面图

图3 Ⅰ、Ⅱ区块围护剖面及型钢支撑示意

3.3.3 支撑换撑及拆除

由于地铁盾构线基本位于Ⅰ区块地下室三层范围内，第四道钢支撑和第三道支撑拆除对围护结构应力变形影响大。Ⅰ区块沿盾构线一侧底板设置斜向换撑，一端支撑于底板，另一端支撑于第四道钢筋混凝土围檩上。而Ⅱ区块地下室底板施工完成后，则保留第四道钢支撑。Ⅰ区块斜向换撑施工完成达到设计强度，Ⅱ区块保留第四道钢支撑的条件下，拆除第三道支撑，施工地下二层楼板。

由于第四道钢支撑和斜向换撑位于盾构隧道腰部位置，保留该道支撑和设置斜向换撑将有效控制围护结构以及盾构隧道的水平位移，确保拆撑安全。同时港龙城基坑围护结构地下连续墙二墙合一，围护结构兼作地下室外墙，保留的H型钢支撑不增加地下室施工的难度，无需设置地下室外墙穿H型钢的止水片。仅需地下室顶板施工完成后拆除。

3.3.4 隔离桩及加固措施

（1）Ⅰ区块沿盾构隧道一侧长度超过60 m，基坑面积大，施工时间长，空间和时效效应差。在Ⅰ区块沿盾构隧道一侧采用双排围护结构形式（地下连续墙外加一排大直径钻孔灌注桩），保证了围护结构控制变形所需的刚度。

（2）坑内设置被动区加固措施，在该侧钢筋混凝土支撑顶面一定范围设置钢筋混凝土板，加大了支撑的刚度，进一步减小了围护结构侧向位移。

3.3.5 控制止水帷幕质量

在本工程土质条件下，地铁结构基础对管涌和渗流异常敏感，不允许止水帷幕有缺陷。为保证地铁侧止水帷幕质量，确保其连续性，地铁侧设置地下连续墙外＋三轴水泥搅拌桩的双重止水帷幕，三轴搅拌桩同时起到槽壁加固和止水帷幕作用。

3.3.6 减少基坑暴露时间

为保证基坑及地铁运营的安全，尽量减少基坑暴露的时间，实施24 h抢工。

3.3.7 增加监测频率

加强Ⅱ区块土方开挖监测频率。

3.3.8 地铁周边的施工荷载控制措施

严格控制地铁侧施工荷载，严禁挖土、运输机械等动荷载行驶。基坑外10 m范围内、外施工荷载分别不超过15 kN／m2、5 kN／m2。

若地铁侧行驶运输车辆等重型动荷载机械时，需设置栈桥，减小机械动荷载对盾构变形的扰动影响。

4 地铁监测结果与分析

港龙城基坑施工过程中，按照与基坑距离远近，地铁隧道监测对象分别有1号线上行线、4号线入段线、4号线预留延伸段、4号线出段线、1号线出段线和1号线下行线。此外，对地铁车站亦进行了施工监测。本文以距离基坑最近的1号线上行线、4号线入段线和地铁车站监测结果为研究对象，分析港龙城基坑施工对地铁结构的影响规律。1号线上行线、4号线入段线和地铁车站监测项目均包括沉降、差异沉降、水平位移和收敛位移。

4.1 1号线上行线

1号线上行线沿基坑边缘分别布置44个测点，分别监测竖向位移、差异沉降、水平位移及收敛变形变化情况。

4.1.1 竖向位移

不同施工阶段1号线上行线竖向位移监测结果如图4所示。由图4可知：（1）Ⅰ区块开挖后，1号线上行线大部分测点竖向位移表现为隆起，少部分测点出现沉降位移，竖向位移范围为 -1.0～2.5 mm；（2）因为Ⅰ区块开挖后，地下、地上结构施工持续时间长达8个月，在土体变形时间效应主导下，各测点竖向位移发生变化，尤其是与Ⅰ区块接近的编号22～36测点竖向位移明显变化，最大变化幅度为5.5 mm；（3）Ⅱ-1区块开挖后，各测点竖向位移继续增加，但均在1 mm以内变化；（4）Ⅱ-2区块开挖至第二层土体时，各测点竖向位移变化不大，以Ⅱ-1区块和Ⅱ-2区块至第二层土体开挖引起竖向位移变化情况，可预判出Ⅱ-2区块全部开挖引起的竖向位移变化较小。港龙城基坑开挖至Ⅱ-2区块第二层土体后，各测点竖向位移测值范围为4.0～-6.6 mm。

图4 1号线上行线不同施工阶段竖向位移监测结果

4.1.2 差异沉降

不同施工阶段1号线上行线差异沉降监测结果如图5所示。差异沉降随施工阶段变化规律不明显，Ⅱ-2区块第二层土体开挖后差异沉降分布与Ⅱ-1区块开挖后差异沉降分布基本一致。4个施工阶段中，差异沉降测值变化范围为-1.2～2.5 mm。

图5 1号线上行线不同施工阶段差异沉降监测结果

4.1.3 水平位移

不同施工阶段1号线上行线水平位移监测结果如图6所示，水平位移变化存在以下特征：（1）Ⅰ区块开挖后，各测点水平位移在-0.5～1.2 mm范围内；（2）结构施工阶段，44个测点水平位移呈现“基坑中间大，两边小”的特征，且中间处测点变化明显，测值增大最大达到3.0 mm；（3）“中间大，两边小”的特征在后续施工阶段继续保持，Ⅱ-1区块和Ⅱ-2区块第二层土体开挖引起的水平位移变化较小。全过程中水平位移测值变化范围为-2.0～4.1 mm。

图6 1号线上行线不同施工阶段水平位移监测结果

4.1.4 收敛变形

不同施工阶段1号线上行线收敛变形监测结果如图7所示。由图7可知：（1）随着基坑开挖，1号线上行线收敛变形发展，Ⅰ区块开挖后收敛变形最大测值为4.9 mm；（2）与竖向位移情况相似，结构施工阶段收敛变形持续发展，最大收敛变形达到14.5 mm，土体变形时间效应非常明显；（3）Ⅱ-1区块开挖后，收敛变形进一步增大，且各点增大趋势与结构施工阶段基本一致，最大收敛变形为20.8 mm；（4）Ⅱ-2区块第二层土体开挖后，收敛变形变化很小，变化幅度小于0.5 mm，其中部分测点收敛变形有所减小。整体而言，4个施工阶段收敛变形沿着地铁结构分布形式基本一致。

图7 1号线上行线不同施工阶段收敛变形监测结果

4.2 4号线入段线

不同施工阶段4号线入段线收敛、水平位移、沉降、差异沉降监测结果如图8所示。Ⅰ区块开挖结束后，上述指标未开始监测，因此图形中未包括Ⅰ区块开挖阶段位移情况。

图8 4号线入段线不同施工阶段差异沉降监测结果

由图8可知：（1）Ⅰ区块结构施工后，各测点收敛、水平位移、沉降、差异沉降均完成大部分，Ⅱ-1区块和Ⅱ-2区块第二层土体开挖引起的上述位移指标变化相对较小，部分测点非常小；（2）由于Ⅱ-1区块开挖完成，Ⅱ-2区块只开挖至第二层土体，所以Ⅱ-1区块开挖引起的位移变化量要大于Ⅱ-2区块开挖至第二层土体引起的位移变化；（3）施工全过程中，收敛、水平位移、沉降、差异沉降测值范围分别为-1.6～3.5 mm、-3.6～2.1 mm、-3.1～3.1 mm和-1.7～1.5 mm。

4.3 地铁车站

不同施工阶段地铁车站位移监测结果如图9所示。由图9可知：（1）车站6个测点竖向位移均表现为隆起，Ⅰ区块结构施工后，竖向位移测值达到峰值，Ⅱ-1、2区块开挖阶段，竖向位移则逐渐减小，表明Ⅱ区块开挖对车站竖向位移控制有利。整体而言，结构施工阶段竖向位移较其他阶段要大。（2）差异沉降变化总体趋势为随开挖进展逐渐增大，至Ⅱ-2区块第二层土体开挖，差异沉降最大测值约为-3 mm。（3）对于水平位移，Ⅱ区块开挖和结构施工阶段测值在-1～1 mm范围内变化。但Ⅱ-1区块开挖对车站水平位移影响较大，该阶段下水平位移最大变化值约为2 mm。Ⅱ-2区块第二层土体开挖后，水平位移测值变化较小。

图9 不同施工阶段地铁车站位移监测结果

4.4 地铁变形控制效果

杭州地铁已建区间隧道变形控制标准如表1所示，对于运行期隧道，竖向沉降控制标准为10 mm，水平位移控制标准为5 mm。至Ⅱ-2区块第二层土体开挖，竖向沉降和水平位移最大测值分别为6.6 mm、4.5 mm，满足控制要求，按照基坑监测趋势，可预判Ⅱ-2区块施工完成后，位移指标亦能满足控制要求。

_表1_杭州地铁已建区间隧道变形控制标准

5 结束语

（1）在分区施工的基础上，提出了加强垫层、增设型钢支撑、隔离桩及加固、施工荷载控制等地铁保护措施，现场监测结果显示，临近基坑的地铁结构变形得到了较好控制。

（2）Ⅰ区块开挖及结构施工阶段，位移指标过大，为控制Ⅱ区块施工对地铁结构的影响，将Ⅱ区块分区施工，同时优化Ⅱ-1和Ⅱ-2区块各层施工顺序，Ⅱ区块施工监测显示地铁结构变形量相对于Ⅰ区块施工阶段要小得多，分区、分层施工控制了地铁结构变形。

（3）Ⅰ区块地下、地上结构施工阶段持续时间长，软土变形时间效应下，1号线上行线位移指标变化较其他阶段要大，实际施工过程中需要控制结构施工时间，以避免土体流变效应产生的不利影响。