邻近运营地铁的深基坑开挖风险及控制措施*

黄军华，周志健，刘鑫坤，张士腾，石笑笑

(中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

0 引言

在地铁上盖建(构)筑物的深基坑土方开挖工程，导致邻近地铁周围原状土体变形，从而影响城市地铁隧道结构。尤其是深基坑土方开挖过程中，存在多种潜在环境风险因素，需准确辨析识别深基坑土方开挖环境风险，针对性地采取专项措施控制相关风险。基坑开挖各工序、开挖时间、围护形式、开挖深度等均对地铁隧道变形有一定影响，通过分析各因素控制要点，确保深基坑施工和城市地铁隧道结构安全，有重要意义。

在中穿软土层基坑群、已正运营城市地铁隧道的深基坑工程中，通过收集深基坑在土方开挖阶段的各项指标数据，阐述深基坑不同环境风险因素对运营城市地铁的影响程度，针对不同风险因素采取专项应对控制措施，分析施工过程中需重点把握的方向。

1 工程概况

1.1 项目概况

天阅海河项目位于天津市河北区地铁6号线北运河站，占地面积10.91万m2，总建筑面积43.595万m2，由南北A，B街坊共6期地块组成，包括住宅、酒店式公寓、地下车库、写字楼及相关附属设施等。地下室及地上商业为框架结构，地上主楼为剪力墙结构。

1.2 中穿地铁基坑群概况

天阅海河项目是通过城市连廊系统，将地铁、商业、办公、住宅无缝对接，在软土地区与时速60km运营地铁结建上盖的站城一体化综合体，第三方评估风险等级为特级。运营地铁中穿2A，2B，3A，3B期基坑群。其中地铁西侧2A，3A期为地下2层，深度11.8m；地铁东侧2B，3B期为地下3层，深度17.1m。地铁车站主体为地下3层，长度为189m，盾构区间为地下2层，长度为100m。

1.3 水文地质条件

天阅海河项目地处富水软土地区，上部主要为粉质黏土和杂填土，影响基坑水层有潜水层和第一承压水层，并且运营地铁隧道区间处于第一承压水层。经勘测，水位埋深2.00～5.00m，相当于标高-0.740～1.440m，同时静止水位埋深1.10～3.10m，相当于标高0.430～2.330m。

表层地下水属潜水，主要由大气降水补给，以蒸发形式排泄，水位随季节有所变化，一般年变幅为0.50～1.00m。

1.4 周边环境

项目位于河北区辛庄大街，东侧为已施工完成的新建小区，南侧为富堤路及京杭运河，西侧为建筑物和富堤路，北侧为待建的3A，3B期空地，在2A，2B期地下结构完成后方可施工。2A，2B期工程距西南侧既有建筑物最近约10m，距南侧富堤路约5m，距北运河西侧、南侧约52m。本工程地下管线距深基坑较远，分布在第1，5期东侧新建道路上。深基坑土方开挖对既有管线不产生影响。

1.5 地铁、基坑变形控制指标

1)地铁变形主要控制指标如表1所示。

表1 地铁变形控制指标

2)基坑变形控制指标如表2所示。

表2 基坑变形控制指标

2 基坑风险分析

2.1 运营地铁两侧同时开挖不同深度基坑

本工程2A，2B，3A，3B期横跨地铁6号线，第1，4期在地铁保护区内。地铁两侧基坑高差5.3m，基坑不对称开挖难度巨大，对深基坑变形控制和运营地铁隧道区间变形控制要求极大。

2.2 降水工程易引起基坑、地铁区间变形

项目南侧及西侧紧邻北运河，开挖前要保证水位达到开挖要求并维持稳定，如遇突变，需采取有效应对措施。深基坑开挖范围内为淤泥质土，开挖过程中，盾构段两侧土体隆起及支护水平位移控制要求严格，因此对基坑降水要求较高，需对降水进行专项设计，并做到按需降水、同期降水。

在富水软土地区，运营地铁结构在周围工程活动以及自身渗漏等条件下会产生明显变形，给地铁结构使用功能和安全性能带来不利影响。在地下水较高的地区进行基坑开挖需采取降水措施保证基坑稳定，大面积降水将引起周围地面沉降，并导致邻近地铁结构变形。基坑开挖期间受抽降地下水影响，水位下降引起邻近地铁隧道产生附加应力，会引起地铁发生沉降变形。在地铁两侧同时施工基坑受不均衡降水影响，地铁两侧产生水头差，还会引起地铁侧向扭曲变形。

2.3 运营地铁两侧深基坑位移控制难

基坑开挖卸荷影响土层原有应力状态，导致变形增大，继而传递至邻近地铁隧道结构，引起地铁隧道结构变形，过大的变形导致管片连接张开、错台、轨道翘曲变形，影响地铁运营安全，进而造成沉降差异。近地铁施工期间，基坑与地铁相对位置关系直接影响地铁变形趋势和大小，基坑距地铁越近，随土方开挖卸荷后地铁变形越大、变形速率越灵敏，近地铁基坑开挖卸荷对地铁产生水平位移、竖向位移、隧道结构收敛变形。基坑开挖期间，地铁隧道位移变化规律取决于围护结构及土体变形发展，变形最大位移出现在基坑开挖面附近，基坑距地铁越近，基坑开挖带来的地铁安全风险越大。

2.4 深基坑外部结构施工质量导致渗漏风险

本项目外部围护结构为止水帷幕与地下连续墙，止水帷幕施工存在垂直度把控不严格等情况，导致偏位严重，搭接存在质量缺陷，导致渗漏风险；止水帷幕施工孔深把控不严格，出现深度不足情况，导致渗漏风险；旋喷注浆过程中未达到设计压力，提管速度过快，将导致成活质量效果差，影响止水帷幕施工质量，存在渗漏风险。

地下连续墙施工过程中，如相邻两幅地下连续墙存在垂直度偏差，造成地下连续墙开叉，存在渗漏风险；相邻两幅地下连续墙施工过程中，接口处未清刷干净易导致接缝处渗漏；施工过程中极易出现塌孔、墙体夹泥渣等地下连续墙质量通病，以上均将造成乃至加大深基坑渗漏风险。

2.5 深基坑坑底突涌风险

本项目2B期基坑开挖深度为17.1m，因地下基坑存在承压水，当承压水水头压力大于不透水层承载压力时，将导致坑底突涌。该风险将破坏地基强度，给深基坑开挖造成极大困难。

2.6其他风险因素

由于基坑施工时间长，支护结构累计变形大，可能引起止水帷幕开裂、周边道路变形、周边管线变形等风险。开挖过程中，抽降水造成基坑周边减压水头变化，导致周边环境沉降，使周边管线发生不均匀沉降，导致变形、爆裂事故；周边构造物出现不均匀沉降，亦导致结构开裂等病害。

3 基坑风险控制措施

因运营地铁两侧深基坑开挖存在风险，同时近地铁施工，在深基坑施工中采用如下控制措施：①通过BIM技术及三维有限元模拟技术，确定分仓施工和支护设计方案；②针对本工程特点进行有限元模拟，分析区间隧道水平位移、车站主体水平位移、站体与隧道水平差异沉降、基坑周边沉降和地铁隆沉情况；③通过地铁变形情况动态调整开挖步序，总结分析变形原因，土方整体采用岛式开挖方式，竖向分层、平面分块，按照分层、平衡、限时开挖原则，2道撑以下土体整体由远地铁向近地铁开挖，2A，2B期基坑第3步土方对称平衡开挖完，2B期第4步土方由远及近开挖，预留12m宽被动反压土，近地铁区域采用抽条开挖；④设置动态水位控制井，作为第2道地铁变形控制防线，当发生隆沉时，在水头高度上规避，基坑开挖卸荷引起地铁结构上浮，通过承压水抽排平衡地铁结构上浮，结合疏干井和水位控制井，整体控制水头高度，保证开挖降水深度，通过水头高度耦合部分地铁变形；⑤在地铁变形控制中，采取地铁区间反压重物保证地铁隆沉不超预警值，在2A，2B期基坑区间上方地铁盾构区间及站体位置，采用堆载土、堆载砂和型钢相结合的方式进行堆载反压，堆载区域如图1所示；⑥建立智能检测系统；⑦做好地铁风险应急预案，通过动态水位控制井及堆载反压实施。

图1 堆载反压区域

3.1运营地铁两侧深基坑位移控制措施

施工过程中，选用自动化监测系统、测量机器人等进行数据监测，同时使用地铁安全智能平台及微信群每日监测数据进行总结共享，预判关键风险点，并采取控制方法。

深基坑开挖过程中的位移控制措施如下：①通过地铁变形情况动态调整开挖步序，总结分析变形原因；②设置动态水位控制井，作为第2道地铁变形控制防线，当发生隆沉时，在水头高度上进行规避，动态调整坑内外水头高度控制坑内外隆起，平衡地铁沉降和隆起；③在地铁变形控制中，使地铁区间反压重物保证地铁隆沉不超预警值，并且动态调整坑内外水头高度，平衡地铁沉降和隆起。同时在2B期采取高压旋喷施工加强基坑底部整体性的方法，防止基坑底部隆起(见图2)。

图2 高压旋喷抗浮区域平面

3.2 降水工程引发地铁区间变形控制措施

降水工程施工前进行充分的调研和试验，以设计合理的降水方式。设置止水帷幕避免基坑外降水，同时设置回灌井系统保护邻近地下水位。本项目以无压回灌为主，根据监测结果调整回灌方式，回灌前设定初始回灌水头，水头低于初始水头后启动回灌，达到初始水头或略高于初始水头后，回灌自动停止(见图3)。整个过程采用自动化控制装置，只需人工定期巡视即可。2A期分别设置第1,2层承压水回灌井，回灌井交叉布置，其中车站范围间距10m，对应隧道区域间距5m，2B期开挖深度较深，降水井深度进入第一承压水层，因此不设置第一承压水层回灌井，考虑设置第二承压水层回灌井，车站范围间距15m，对应隧道区域间距8m，在2A，2B期南侧端头按6m间距设置第一承压水层回灌井。回灌井设置为钢管井，自井底至地面回填优质石英砂等滤料，并用黏土封孔。回灌量为1.5～2.5m3/d，由于土方开挖卸荷量大，产生的隆起变形远大于抽降地下水产生的变形，在基坑分界处的地铁结构两侧产生较大差异变形，利用坑外设置的回灌井采用伺服一体化系统进行加压回灌，使坑外地铁结构在水压力作用下少量上浮，以减小分界位置差异变形。

图3 回灌系统流程

3.3 基坑渗漏风险预控及应急措施

深基坑围护结构施工中的质量控制包括止水帷幕钻孔施工定位准确，钻机位置准确保证钻孔垂直度，旋喷注浆过程中准确控制转速、提速及喷射压力等，同时注浆完成后及时增补浆液，保证止水帷幕完整性。检测范围包括地下连续墙和支护桩等围护结构的渗漏情况，通过检测，发现渗漏点较少，对渗漏位置进行注浆堵漏，开挖后通过观察观测井的水位变化验证相关情况。

地下连续墙施工过程中，应注意地下连续墙导墙的准确定位及开槽过程中的垂直度和泥浆密度，防止出现塌孔、墙体夹泥渣等情况，同时在相邻两幅地下连续墙施工过程中，注意接茬处的清刷，保证接茬处干净，减少渗漏风险。

1)止水帷幕渗漏检测 对深基坑支护体系止水帷幕渗漏缺陷的检测方法有电阻率法、示踪剂法、降水井法、高密度电法、自然电场法、温度示踪法、超深三维成像技术等。本工程采取电阻率法检测支护渗漏。

2)高压旋喷封堵 根据检测结果对渗漏部位采用高压旋喷提前封堵，封堵合格后进行土方开挖。

3)预埋注浆管 根据渗漏检测结果，提前对潜在渗漏风险部位预埋注浆管，以备出现险情及时启用。

4)轻度渗漏可采用花管引流处理(见图4)。

图4 花管引流

5)渗漏较大时，坑内灌注桩表面剔凿出主筋，然后在桩间支设模板，并加焊钢筋对模板利用水不漏将花管周边封堵，将水有组织引出。坑外进行双液加固，直至坑内导流管水流可控时关闭导流管阀门，注浆压力控制值达到2MPa时，施工现场停止注浆，对渗漏点部位进行查看，否则需要再补注。

6)严重渗漏时进行坑内导流、外侧加固，若达不到封堵效果，应及时采用坑内素土进行回填反压，若仍不能阻止渗流，则采取混凝土反压措施直至控制渗漏。

3.4 基坑突涌风险控制措施

1)预控措施 基坑底部与电梯井等较深区域，采用高压旋喷桩对坑底进行封底加固；保护减压井，保持减压井的完好性；降水电源进行双电源配置，保障降水延续性，防止断电，在土方开挖过程中关注勘探孔附近情况，如出现突涌现象时，能及时判断突涌原因，并采取准确的应急措施。

2)应急措施 启动减压井降水，针对突涌部位，使用编织袋或麻袋装土，四周码砌并围成井状，同时使用反滤料进行铺填。必要时对土体突涌点采取局部高压注浆补救措施，断开管涌路线，快速对突涌部位进行填土反压，严重时可直接浇筑混凝土进行反压，压住涌水处。

3.5 围护结构变形过大

1)预控措施 支护体系变形过大可能导致止水帷幕开裂渗漏，拟采取如下措施控制基坑变形：①严格控制坑边的影响荷载，以达到设计限载要求；②动态调整土方开挖工况及进度，减少坑底隆起及支护变形；③针对外围支护桩间土体，挂设钢板网、喷射快速凝固的混凝土，以防止雨季期间的支护桩间土体流失；④土方开挖阶段，可加快垫层混凝土施工速度，加厚垫层混凝土或在垫层加设一定配筋，以对基坑及时封底、支撑加固。

2)应急措施 立即停止施工，分析数据是否有加大趋势，及时采取坑外卸载、坑内回填素土的方法，如不能有效控制变形，则采用混凝土填土反压；启动应急预案，可临时加设应急支撑体系，以防止基坑变形和位移进一步增大。

3.6 降水引起环境风险控制措施

1)预控措施 本基坑承压含水层的厚度较大，减压降水方式对基坑周边环境影响大，拟采用如下措施适当减少不利影响：①减压井降水时，应根据土方开挖深度，将地下水位降至开挖面以下1m，并根据工程实际情况控制水头高度，不能过度抽降；②加快施工进度，缩短降水周期；③加强水位监测，动态调整降水运营。

2)应急措施 停止开挖、组织应急抢险，分析原因、组织专家论证尽快确定加固处理方案。

4 结语

通过分析土方工程的深基坑风险和应急管控，针对深基坑变形等问题，采取相应应急措施，以确保土方和地下结构顺利施工。

1)经过对地层注浆加固，增加土体强度、刚度和抗渗性，满足基坑工程要求。

2)设置水位控制井，动态调整水位高度，保持车站及隧道范围承压水水位稳定不下降。

3)总结站城一体化综合体施工成套技术，积累总承包管理经验。

4)采取对称、分层、分块、限时、抽条的土方开挖方式，一定程度上在深基坑土方工程、降水实施过程中，有效降低对城市地铁隧道结构的变形影响，严格控制运营地铁两侧土方开挖对称性和同时性，保证连续性施工，控制地铁车站及围护结构变形。