深基坑开挖对邻近既有地铁高架的影响分析

田全红

上海市建工设计研究总院有限公司 上海 200235

随着我国经济飞速的发展，城市更新建设的步伐也随之加快。焦骞欧[1]对天津地区紧邻既有地铁车站的深基坑开挖工程进行了总结，并提出了应急措施。徐腾飞[2]对紧邻南昌地铁线的深基坑工程进行风险量化，并且对各影响因素进行风险评估。宋晓凤等[3]以北京某深基坑为背景，对相互位置关系、结构围护形式等进行研究。李明等[4]利用有限元软件研究深基坑开挖在不同施工工序和支护形式等参数下对高架桥墩的影响。孙明祥[5]结合实际工程案例，对深基坑周边的建筑物、地下水等监测数据进行整理分析，得出基坑开挖对周边环境影响较小。田卫明等[6]针对不同围护形式的基坑开挖对邻近地铁车站结构的印象程度进行比较，均满足设计要求。笔者以上海虹口区某邻近地铁的深基坑为例，对其基坑开挖对邻近地铁高架桥墩的影响进行了计算，分析设计方案的可行性及安全性，以指导工程的基坑支护设计、施工及满足工程的实施要求。

1 工程概况

背景项目位于上海市虹口区江湾镇，用地范围东至轨交3号线，西至三观堂、南至万安路、北至仁德路（图1）。该项目包括1幢13层办公塔楼和5层商业裙房，1幢4～5层商业楼，及地下3层汽车库。

图1 周边环境示意

建筑±0 m相当于绝对高程＋4.60 m，平整后场地地面标高－0.70 m，基坑形状呈规则多边形，基坑开挖面积约7 630 m2，周长约360 m（东西向长86.6 m，南北向长116.0 m）。地下车库区域基坑开挖深度15.9 m，基坑内集水井、电梯井局部落深1.5、3.0 m。因基坑大面积开挖深度为15.9 m，根据上海市地方标准，基坑安全等级为一级。

2 地质条件及周边环境

2.1 土层分布情况

拟建场地原为工业厂房，后改为轻纺市场，勘察外业进场时发现，浅部填土存在较多混凝土地坪、基础承台和块石等障碍物。拟建场地地势较平坦，勘察期间测得的场地地面高程一般为3.58～4.23 m；平均高程为3.95 m。

本工程基坑开挖深度范围内涉及①杂填土、②1粉质黏土、③1淤泥质粉质黏土、③2黏质粉土、④灰色淤泥质黏土、⑤1层黏土、⑤2层砂质粉土、⑤3层粉质黏土、⑧1层粉质黏土等土层，如基坑坑底主要位于④层。

2.2 地下水分布情况

上海浅部潜水位埋深一般为0.3～1.5 m，年平均地下水位埋深0.5～0.7 m。建议本场地高水位埋深可采用0.50 m，低水位埋深可采用1.50 m。设计计算时可根据安全需要选择相应的水位值。

场地内微承压水赋存于⑤2层，该层夹较多薄层粉砂，渗透性相对较好，水平渗透系数一般为2.03×10-4cm/s，属中等透水层，水位埋深为地面下3.45～4.11 m。承压水主要含水层为⑨1粉砂，为上海市第二承压含水层，属良好含水层，富水性好，渗透性好，水位埋深的变化幅度一般在3.0～11.0 m。

2.3 周边环境概况

本项目基坑东侧邻近轨交3号线大柏树站—江湾镇站区间高架桥墩、淞沪铁路铁轨路基。基坑开挖边线距建筑用地红线最近6.7 m，距铁路铁轨边线最近11.1 m，位于1倍基坑挖深范围以内。

基坑开挖边线距轨交3号线高架桥墩基础边线最近18.0 m，位于两倍基坑挖深范围以内，处于地铁30 m保护区范围以内，高架桥墩基础形式为桩基＋承台，φ800 mm钻孔灌注桩，桩长47.0～55.5 m。

3 基坑围护方案

3.1 围护方案的总体思路

围护墙采用地下连续墙挡土兼止水的结构形式，邻近轨交侧的墙厚1 000 mm，其他侧的墙厚800 mm。考虑到本项目周边环境较复杂，为了减小基坑施工对周边环境的影响，同时保证成墙质量，地下连续墙施工前采取槽壁加固措施，采用φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩进行槽壁加固处理，坑外套打施工，坑内搭接施工。邻近地铁侧的典型剖面如图2所示。

3.2 基坑开挖施工工序

为了减小基坑开挖对周边地铁的不利影响，考虑到基坑开挖的时间效应和空间效应，将本工程基坑分为2个区先后施工（图3）。先进行1区开挖施工，待1区地下结构施工出±0 m后，施工2区。具体施工工序如下：

图2 邻近轨交侧典型剖面

图3 基坑分区示意

1）施工准备、机械进场、场地内障碍物处理。

2）三轴搅拌桩槽壁加固，导墙、地下连续墙、高压旋喷桩、立柱桩施工，养护达到设计强度，管井施工降水。

3）第1层土方开挖至－2.55 m，施工圈梁及第1道支撑并养护，强度达到设计强度的80%后，开挖第2层土方。

4）第2层土方开挖至－7.90 m，施工腰梁及第2道支撑并养护，强度达到设计强度的80%后，开挖第3层土方。

5）第3层土方开挖至－12.90 m，施工腰梁及第3道支撑并养护，强度达到设计强度的80%后，开挖第4层土方。

6）第4层土方开挖至基底、施工垫层、底板及传力带并养护，强度达到设计强度的80%，方可拆除第3道支撑（集水井、电梯井等落深区必须在大底板垫层施工结束，并且养护强度达到设计要求之后才能开挖土方并进行结构施工）。

4 基坑开挖对既有地铁车站的影响分析

4.1 数值模型建立

综合考虑分析问题的合理性和计算速度，采取二维平面应变有限元模型进行分析。

基坑围护分析过程中，针对不同分析对象采用不同的单元类型和本构关系，具体如表1所示，分析模型的竖向底部采用全自由度约束，侧面采用法向约束。由于基坑周边行走挖土车辆，数值模拟过程中采用均布面荷载来模拟基坑周边超载，超载为20 kPa。

4.2 结果分析

有限元分析结果显示，基坑围护墙侧向变形值22.6 mm，引起的地面沉降为11.5 mm，根据上海市地方标准DG/T J08-61—2010《基坑工程技术规范》的规定，支护结构侧向水平位移的限值为30 mm，地面沉降限值为25 mm，基坑开挖安全性得到了保证。由于基坑开挖引起的轨交高架桥桥墩水平与竖向变形均在10 mm以内，整体最大倾斜在0.4%以内，给轨交高架桥带来的影响较小，在可控范围内，保证了基坑开挖期间轨交的正常运营[6]。

表1 分析单元类型与本构模型

5 结语

以上海虹口区某邻近既有地铁高架桥墩的深基坑为背景，借助通用有限元分析软件，建立了二维基坑开挖数值模型，对深基坑开挖造成的邻近敏感性构筑物的变形进行了研究。主要结论如下：

1）深基坑开挖随着坑内土的卸载，围护结构的侧向水平位移沿着顶部往下，逐渐增大，直到达到最大水平位移，呈现出“大肚子”形状。

2）围护结构侧向水平位移最大变形值为22.6 mm，最大变形发生在坑底以上附近；地面沉降为11.5 mm，均满足规范设计要求。

3）基坑开挖引起高架桥墩基础的水平位移为8 mm，竖向沉降为2.4 mm，均满足地铁控制限值10 mm要求；桥墩桩基础最大整体倾斜为0.02%，满足地铁控制限值0.4%的要求。

4）本工程利用数值分析结果作依托，与基坑施工期间的轨道交通监测数据相对比，计算数值大于监测数值，满足轨道交通运营变形控制要求。综上所述，本工程技术方案安全可行，选用计算模型与实际工程相符合，为今后类似工程提供案例支撑。