软土地区邻近地铁保护范围内深基坑工程设计分析与实践

（上海地下空间院有限公司（申元岩土），上海 200040）

1 引言

随着上海城市地下空间的快速发展，大规模深基坑开挖对周边建（构）筑物的影响不容小视。深基坑开挖引起的周边环境的附加变形必须控制在一定的范围内，以满足其安全性。深基坑的设计从以强度控制为主转至以变形控制为主。

邻近深基坑的地铁作为极重要的建（构）筑物之一，其保护作用是深基坑设计考虑的重中之重。在设计过程中若存在变化，则对深基坑设计方案带来重大影响甚至是颠覆性影响，也对后期施工带来重大变化。

因而，在深基坑设计过程中，除了关注地下室规模调整（深度、面积等调整）与地质条件的变化（新探明的地下障碍物、暗浜、溶洞等）外，还要时刻关注周边环境条件的变化。本文结合工程实例，根据深基坑周边的地铁保护要求变化，采用了针对性的设计方案调整。同时，在施工过程中提出对应的施工保护措施，以保证工程的顺利实施。

2 项目概况

2.1 建筑结构概况

某商业办公项目地上部分主要由高层办公楼及裙楼构成，地下部分为2层。基坑形状成L型，开挖面积约15000m，开挖深度10.7～11.4m，集水井局部落深1.5m，电梯井局部落深3m。

2.2 周边环境概况

本基坑周边环境情况如下：

①北侧地下室外墙距离红线约6.0m，红线外为规划道路；

②东侧地下室外墙距离红线大部分区域约6.0m，红线外是宽约65m的市政主干道路，道路下有正在运行的轨道通过，红线外道路下有大量的煤气、信息、配水、供电等市政管线，距离地下室约5～30m 不等；

③南侧地下室外墙距离红线约6.0m，红线外是宽约45m的市政道路，红线外道路下有大量的信息、污水、供电、天然气等市政管线，距离地下室最近约13m；

④西侧地下室外墙距离红线约6.0m，红线外是宽约16m的市政道路，道路对面是在建项目，桩基础，下设两层地下室。

周边环境概况可参见图1。

2.3 地质概况

本工程场地第②3砂质粉土层厚较厚，基本分布在2m以下至1.5倍开挖深度范围内。该层渗透系数较大，容易引起管涌、流砂等不良地质现象，施工时也容易引起桩基坍孔扩径，风险性较高。勘察期间测得钻孔中地下潜水稳定水位埋深约0.81～2.04m。场地土的工程地质参数如表1所示(表中的c、值为勘察报告建议的直剪固快最小平均值)。

图1 基坑周边环境图

场地土的工程地质参数 表1

3 基坑设计

3.1 环境条件及设计要求的变化

基坑在设计过程中，周边环境条件发生的主要变化在东侧的地铁情况。在基坑初步设计阶段已有图纸等资料显示，拟建场地东侧道路下有正在运行的轨道通过，地铁隧道外边距离地下室外墙最近约60m，在基坑4倍开挖深度范围的影响线外（参上海市《基坑工程技术规范》），也在《上海市轨道交通安全保护区暂行管理规定》规定的地铁保护线50m之外。

东侧设计要求的变化 表2

在深化方案设计阶段，根据现场实测及更新资料显示，地铁隧道外边距离地下室外墙最近约40m，在上述的影响线及保护线之内。因而设计方案除满足基坑设计规范的相关规定外，还需满足轨道交通的安全控制要求。基坑东侧环境变化引起设计要求的变化可参见表2。

2.2 基坑支护设计方案

2.2.1 基坑安全性评估阶段设计方案概要

基坑支护结构是个系统工程，不仅要保证受力合理，而且要施工方便、工期节省。按照上海市标准，本工程基坑安全等级为二级，东侧的环境保护等级由三级调整为二级。

从安全、经济的角度出发，结合施工工艺、施工周期等因素，基坑总体思路上采用钻孔灌注桩挡土加三轴搅拌桩隔水的围护体系和两道支撑的支撑体系。钻孔 灌 注 桩 Φ800～900， 间 距1000～1200，外侧采用单排Φ850@600的三轴搅拌桩止水。支撑采用角撑加对撑的型式，支撑平面间距10m左右，围檩截面 1200～1300x800（宽×高），支撑截面800～1000×800（宽×高）。

2.2.2 基坑深化设计方案的调整

由于周边环境的条件变化，在深化设计阶段，主要作了如下几方面调整。

①围护桩的桩径桩长适当放大。

以邻近地铁侧普遍区域的剖面为例，原设计采用为Φ850@1050的钻孔灌注桩，有效桩长19.25m，单排三轴搅拌桩隔水；后调整为Φ900@1100的钻孔灌注桩，有效桩长增加了1.2m，三排三轴搅拌桩隔水。围护剖面图变化见图2，围护桩平面布置大样图变化见图3，围护剖面计算结果变化见图4。

基坑围护剖面的计算采用规范推荐的竖向弹性地基梁法，土的c、值均采用勘察报告提供的设计指标，土压力按水土分算原则取值，地面超载按实际情况考虑。从计算图可以看出，调整后的基坑围护变形计算值可减小约19.2%。

图2 围护剖面图

图3 围护桩平面布置大样图

图4 围护剖面计算位移包络图

②增加了2排搅拌桩，钻孔灌注桩套打在搅拌桩内。具体布置可参见图3。

一方面该调整可以加强隔水效果，减小基坑开挖阶段的渗漏风险。另一方面，该区域第②3层砂质粉土层较厚，钻孔灌注桩施工成孔时易塌孔、扩径，先施工灌注桩容易导致后施工灌注桩无法成桩，而在搅拌桩内套打钻孔灌注桩可以避免塌孔、扩径，提高了钻孔灌注桩成桩稳定性，也有利于提升围护桩的成桩质量，降低施工风险。

③支撑由角撑加对撑的布置型式，改为了以对撑为主的布置型式，基坑支撑平面布置图变化见图5，第二道支撑平面计算位移图变化见图6。

图5 基坑支撑平面布置

图6 第二道支撑平面计算位移图

支撑平面位移计算采用平面杆系有限元法，将围护剖面在支撑点的计算轴力作为荷载施加在支撑四周的围檩上。从计算结果可以看出，支撑的平面变形最大计算值从31.8mm到了23.4mm，减少了26.4%；一般区域的变形计算值减少了15～40%。

④邻近地铁侧坑内侧原墩式加固调整为裙边搅拌桩加固。坑内加固搅拌桩大大改善了软土的性能，能较好地控制开挖面附近的变形。大量的工程实例表明，板式围护体系的最大变形通常发生在开挖面附近，当开挖面附近的土质软弱时表明更为明显。

因此，本基坑邻近地铁侧采用裙边加固。加固搅拌桩采用φ700@500两轴搅拌桩加固，开挖面以下搅拌桩的水泥掺量取13%，开挖面以上至第二道支撑底取8%，以保证加固空搅土体的强度不低于原状土。

根据相关研究，通过结合时空效应法的坑内加固合理应用施工开挖基坑，基坑围护变形可以减小30%～50%。

⑤为减小基坑开挖对地铁的影响，减小了每个挖土分块的面积，并要求每个分块的施工周期缩短。原设计要求基坑开挖应结合支撑布置及工期要求分成不小于4个大分区，后调整为不小于8个小分区，且邻近地铁侧再进一步细分。每块沿围护边的暴露边长原要求不大于60m，后调整为不大于50m，地铁侧不大于30m。

根据相关研究，应用时空效应法，合理进行挖土分块及安排挖土流程，可以减小基坑变形30%～50%。

3 基坑施工措施及监测成果分析

3.1 施工阶段碰到的主要问题

尽量在设计阶段已对该项目进行了全面的控制，但施工中仍出现了不少难以预料的情况：

①地下障碍物过多，严重影响了围护桩及工程桩的施工质量与进度，甚至影响了周边管线的沉降，除勘察报告提出的不良地质现象外，实际施工过程碰到的地下障碍物多于已探测及了解的障碍物；

②由于现场施工工作面等因素，挖土与支撑及大底板施工的工序衔接局部存在一定的不连贯性，与拟定的挖土分块及施工流程存在一定的施工误差，因而一定程度上影响了基坑的变形；

③基坑开挖过程中遇到雨水较多时期、局部区域降水效果欠佳的情况，导致粉砂层在挖土、运土环节存在诸多困难，延误了一定的工程进度，也一定程度上影响了基坑的变形。

3.2 施工问题解决方案

基于以上几个主要问题，设计方及时协同各方解决，尽可能地减少基坑对周边环境的影响。

①在上述清障原则下深化地下障碍物处理方案，根据不同清障深度提出不同的保护要求。早期局部区域清障处理不到位时，周边管线出现了明显的沉降，个别点沉降超过12mm；加固处理后清除地下障碍物对周边管线的影响基本在5mm以内。

②根据现场的施工场地及进度安排，及时调整挖土分块与流程。在保证工期的前提下尽可能采用时空效应法合理分块挖土，并限时进行支撑施工。

③及时补充井点降水进行土体疏干，确保后续挖土、支撑或结构施工等工序的有序进行。

同时，根据上述情况导致的问题，本工程结合主体结构的施工进度，采用支撑分段拆除技术，以缩短工期，减小基坑的蠕变变形。

3.3 基坑监测成果分析

根据最终监测结果，除个别点外，围护桩测斜孔最大水平变形基本在30～60mm之间，围护桩桩顶最大沉降在10mm以内，围护桩桩顶水平位移在10～20mm之间；周边管线及地表沉降基本20～50mm之间，基坑立柱桩顶回弹基本在15～40mm之间；第一道支撑轴力基本在3000～6500kN之间，第二道支撑轴力基本在3000～8000kN之间。考虑到基坑开挖前清障影响，施工现场过程中的诸多困难对基坑及周边管线的影响，该监测结果基本令人满意。

地表沉降监测终值 表3

本次设计重点保护的东侧地铁，最终附加变形在5mm以内，达到了设计预设的效果。东侧典型监测点为：测斜孔P05与P07位移变化曲线见图7，信息管线沉降变化曲线（距离基坑约23m）见图8。东侧地表沉降监测点DB2-i和DB 3-i（i=1～5）最终沉降值见表3。监测点位置可参见环境总图。

图7 测斜孔位移变化曲线图

图8 信息管线沉降变化曲线图

4 结论

本项目基坑规模较大，基于地铁保护给设计和施工带来了挑战。该基坑工程成功的实施可作为类型项目的参考。

①基坑设计施工前应充分调查周边环境条件，尤其是地铁的保护距离及具体保护要求等。本工程在设计过程中，充分调查了解相关资料，根据环境变化确定了相应的设计变形控制标准以及相关的保护措施。这成为了设计选型及施工组织的重要依据。

②根据地铁的保护要求变化进行合理的设计调整是控制基坑变形及周边保护对象沉降的关键。在环境保护要求提高之后，设计常采取的措施：加强围护结构，采用刚度大、整体性好支撑体系，设置可靠的止水帷幕，增设坑内加固，合理安排施工流程，必要时分期施工等。

③良好的施工组织可确保基坑安全快速的实施。应对各种不良地质现象充分预估，并采取相应的施工措施。在基坑开挖前应重点突出施工质量、基坑开挖期间应重点突出施工速度，保证基坑工程有序进行。基坑开挖应根据饱和软土的流变特点，结合时空效应原理，分层、分块、限时开挖。应有完善且具有针对性的应急预案，在基坑出现异常情况能作出快速反应。

④重视信息化施工。本工程监测较准确，对基坑施工情况给出了较为准确的数据，为地铁保护提供了良好的数据支撑，并为设计及施工提供了良好的参考。