邻江邻地铁复杂深基坑综合施工技术研究

顾卫东

上海宝冶集团有限公司 上海 200941

引言

基坑工程是比较典型的岩土工程，每一个基坑工程都有其特殊性和差异性，需综合考虑项目地质条件、水文条件、周边环境条件、基坑开挖深度、面积和平面大小等一系列影响因素[1]。面对复杂的深基坑环境，深基坑支护形式、施工分区和安全监测显得尤为重要，选择科学经济合理的支护形式；施工运用时空原理，面对复杂周边环境，科学合理进行施工部署，采取顺作法+逆作法、地下连续墙+混凝土支撑等支护形式，地下连续墙+三轴搅拌桩止水帷幕技术，为工期节点、施工质量和基坑安全提供了经济合理的施工思路。

1 项目概况

某超高层项目位于湖北省武汉市中心城区的中山大道与三阳路交叉处，紧邻长江漫滩和武汉市轨道交通7号线，项目为地铁7号线过长江隧道提供送风及排风功能（即风塔作用），并与商务办公楼相结合充分利用空间资源，项目主塔楼建筑高度229m，塔楼地上46层，地下3层，地下室埋深20m，塔楼结构形式为：圆钢管混凝土柱+钢框梁+钢筋混凝土核心筒。

2 基坑概况及周边环境

本工程基坑开挖深度为17.2m～25.3m，开挖面积为7740m2，南北方向长约95m、东西方向宽约84m。施工场地狭小，距离东侧20m处为多层住宅楼群，西侧距市政道路16m，南侧与地铁工作井共用地下连续墙（墙厚1.2m、墙深50m，工作井基坑尺寸为64.8m×52.8m、深度为27.7m，工作井采用地下连续墙支护形式、设置五层临时钢筋砼内支撑），北侧距一栋17层办公楼仅9.5m。并且项目基坑东侧距长江河漫滩约560m，周围环境十分复杂。项目基坑及周边情况如图1所示。

图1 项目基坑及周边情况图

3 项目重难点

3.1 周边环境复杂，施工部署要求高

项目基坑周边紧邻在建地铁7号线隧道和在建地铁工作井（正在施工，2018年10月1日地铁7号线运行）、超高层建筑和居民住宅、保留旧厂房，周边环境十分复杂；本项目作为地铁7号线长江隧道的通风塔，于2016年4月开工要求2018年7月1日前达到排风功能，工期紧，如何进行有效的施工部署，施工分区，保证关键工期节点，深基坑的施工显得尤为重要。

3.2 邻江邻地铁，基坑支护体系设计施工要求高

深基坑与地铁工作井（在建国内首条公铁两用跨江隧道盾构机接收井）共用一道地下连续墙，变形要求高控制难度大，北侧居民住宅又不能及时拆迁，为了保证按期达到风塔的功能。选择经济合理的基坑支护体系和施工技术至为重要。

武汉邻江区域的地下承压水与长江有着十分密切的水力关系，其承压水位受长江水位变化影响大，常年水量丰富，场地距离长江边仅550m，承压地下水位高，跨长江汛期施工，地下水控制难度大。

3.3 复杂深基坑，换撑拆撑难度大、安全性高

本工程复杂深基坑采用“外基坑套内基坑，内基坑含小基坑”，支撑拆除难度大、安全性高。基坑施工时需保证基坑支撑拆除的安全性，保证水平侧向荷载的平稳过渡。

在以往的深基坑工程中，采用地下连续墙+钢筋混凝土内支撑时需进行换撑、拆撑。而本基坑工程的复杂在于，基坑分为4个区依次施工，需要不断地换撑、拆撑、地下连续墙拆除、后浇带恢复等，且地下结构有顺作法区域、逆作法区域，地下空间狭小，换撑、拆撑转换技术显示更为复杂。

4 关键技术点

4.1 复杂深基坑“外基坑套内基坑，内基坑含小基坑”+局部逆作法综合施工技术

深基坑与地铁工作井（在建国内首条公铁两用跨江隧道盾构机接收井）共用一道地下连续墙、周边存在超高层建筑、居民住宅，周边环境复杂，为了保证超高层建筑塔楼结构（核心筒含有国内首条公铁两用跨江隧道通风塔）率先施工，保证工期。同时基坑周边需形成施工道路，深基坑开挖时需充分考虑周边地铁工作井、匝道等已有地下工程的支护安全性。在确保塔楼主线的原则、合理场布、基坑支护结构传力合理的原则，保证周边建筑、地下工程的安全性，对主塔楼基坑进行内坑支护。

4.1.1 基坑分区。本项目深基坑与地铁工作井共用一道地下连续墙，如在该共用地下连续墙内侧直接进行土方开挖，将改变已有地下连续墙的受力方式，对基坑开挖和地铁工作井造成很大的安全风险。如何确保两个深基坑在开挖和换撑拆撑施工过程中等对相邻基坑影响最小，项目在塔楼I区和工作井之间设置基坑II区，一方面减少了基坑开挖对已有工作井的影响，形成了塔楼I区与工作井之间的支护传力“缓冲带”，增加了该共用地下连续墙的安全性；另一方面减少了一次性基坑开挖工作量，保证了主塔楼的施工进度。项目基坑分区图如图2所示。

同时项目开工时，在西侧、北侧的项目红线内，即裙楼区仍有未拆迁建筑，距塔楼基坑边分别为7m、3m，而且由于Ⅱ区及Ⅲ区负二层为地铁隧道通风设备外挂机房，功能区别于Ⅳ区，综合考虑到基坑南北方向长约95m，分成两个施工区域，更便于基坑支护结构和内支撑的布置，降低基坑支护难度，故将其分为Ⅲ区和Ⅳ区两个施工区域。III区为地下轨道交通顺利运行提供条件，需先行施工。

综合考虑上述因素，本项目基坑分为4个施工区域（I区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区），通过科学合理的施工部署，形成了“外基坑套内基坑、内基坑含小基坑”的基坑工程施工布局。“外基坑”是指项目裙楼Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区，承台底标高为-17.2m；“内基坑”是指项目塔楼I区，塔楼筏板底标高为-19.6m；“小基坑”是指塔楼核心筒区域的电梯井底部,底标高为-25.3m，与塔楼筏板存在5.7m高差。

4.1.2 “顺作法+局部逆作法”。受周边复杂环境影响，基坑开挖分为四个分区，采用顺作法（Ⅰ、Ⅳ区）和逆作法（Ⅱ、Ⅲ区）相结合。

一方面保证了主楼（Ⅰ区）的率先施工，同时在Ⅱ、Ⅲ区采用逆作法（Ⅱ区及Ⅲ区负二层为地铁隧道通风设备外挂机房），保证了部分裙楼地下室与周边隧道、地铁配套用房按期交付并进行隧道通风塔相关设备的安装，为地下轨道交通顺利运行提供条件，经方案比选（顺做法、逆作法），采用地下室逆作法（半逆作法）施工技术，缩短了地下室移交时间。

另一方面结合基坑“外基坑套内基坑、内基坑含小基坑”的施工布局，裙楼Ⅱ、Ⅲ区采用逆作法可省去Ⅱ、Ⅲ区的内部支撑，大大减小了基坑变形，在保证基坑安全的基础上，即保证了工期同时节约了工程造价。

4.2 邻江邻地铁复杂深基坑支护体系设计施工技术

4.2.1 地质条件及水文情况。根据项目地勘报告，场地地貌单元属河流堆积平原，为长江一级阶地。施工范围内的土层自上而下主要有素填土、粉质黏土、粉砂土、黏土、淤泥质粉质黏土、粉土、粉砂、粉细砂1层（中软土，厚度约10m）、粉细砂2层（中硬土，厚度达20m以上），弱胶结砾岩，中等胶结砾岩层（软质岩石，设计为桩端持力层）[2]。

场地地下水主要包括以下3种：①上层滞水，基坑开挖期间采用截断处理技术，避免滞水沿坑壁流入基坑内。②粉质黏土、粉土、粉砂混合层及砂土中的承压水与长江有密切的水力联系，项目场地承压水位18.40m，承压水对基坑施工影响大，需采取降水、止水措施。③单元基岩裂隙带中的基岩裂隙水，与承压水呈连通关系[2]。

4.2.2 支护方案选择。根据武汉地区（邻江区域）深基坑工程经验及技术特点，在该地质条件下垂直开挖深度在17～20m左右的大型深基坑通常采用以下几种方案：

方案1：地下连续墙（不嵌岩）或钻孔灌注桩+二～三层临时钢筋混凝土支撑；

方案2：地下连续墙（嵌岩）+二～三层临时钢筋混凝土支撑；

方案3：地下连续墙（嵌岩）+地下三层结构梁柱支撑（即与主体结构相结合的逆作法）。

本项目采用刚度较大的“两墙合一”地下连续墙（嵌岩），地下连续墙兼作基坑支护和地下室结构用，做到严格控制变形，节省施工空间和工程成本。

4.2.2 .1 塔楼区及裙楼Ⅳ区采用方案2，采用地下连续墙（嵌岩）+三层临时钢筋混凝土支撑支护结构形式，如图3所示；

图3 塔楼Ⅰ区、裙楼Ⅳ区基坑支护平面布置图

基坑Ⅰ区（塔楼区）采用常规顺作法施工，采用临时地下连续墙+三层钢筋混凝土内支撑（内支撑的布置避开主体塔楼剪力墙核心筒和钢管桩等竖向构件，节省拆撑换撑时间，确保主体塔楼施工进度）的支护结构方案，其中靠近南侧工作井的临时地下连续墙不嵌岩落底，仅需满足支护要求，节省投资[3]。

基坑Ⅳ区（裙楼区域）也采用顺作法施工，支护结构与塔楼结构相结合设计。Ⅳ区裙房区域基坑作为最后的开挖施工区域，主要关注重点是对北侧周边建筑物的影响，根据现场实际情况，调整设计采用顺作法施工，将原设计的临时侧向支护结构和水平换撑结构调整为利用周边已完工的塔楼结构体系、其他侧利用已完工的地下连续墙作为侧向支护结构；设置二层水平支撑体系，在-2F楼板标高处设置少量斜向支撑进行临时换撑，有利于节省工期，节省支撑工程量。裙楼Ⅳ区基坑支撑如图4所示。

图4 裙楼Ⅳ区基坑支撑效果图

4.2.2 .2 裙楼Ⅱ区、Ⅲ区采用方案3，采用地下连续墙（嵌岩）+地下三层结构梁柱支撑（逆作法）支护结构形式，如图5所示。

图5 裙楼Ⅱ、Ⅲ区基坑支护平面布置图

裙楼Ⅱ区、Ⅲ区即自上而下，先施工上层大部分结构梁、板作为水平方向支撑，局部留设施工洞口；随后开挖楼板下层土方；从上到下依次进行，直到基坑筏板施工完成。

本项目基坑外围采用地下连续墙既作地下室的外墙，同时又作支护结构，起到隔水和挡土作用；内侧钢筋混凝土支撑作为水平支撑结构，内侧各分区之间的临时地下连续墙既作支护结构，同时起到施工分区作用。内侧钢筋混凝土支撑均采用临时型钢格构立柱+灌注桩作为竖向承载结构，本项目地下连续墙布置形式如图6所示。

4.2.3 模拟施工最不利工况，确定最优施工思路。预先分析基坑施工时可能遇到的各种最不利工况，及时根据实际情况进行优化部署。（最不利工况：地铁工作井、隧道匝道同步在开挖。）

措施1：裙楼Ⅱ、Ⅲ区（隧道配套用房区域）基坑逆作施工，满足与施工时与在建工作井、匝道相互之间互不影响的要求。

措施2：裙楼Ⅱ、Ⅲ区域地下室负二层为地铁跨越长江隧道的配套用房，其封顶节点要求非常严格，须在塔楼Ⅰ区结构封顶时同步投入使用，同时考虑Ⅱ、Ⅲ区地下室的位置特点，及与相邻工作井、匝道的施工工况情况，考虑相互影响要求，经过方案比选和安全模拟分析，Ⅱ、Ⅲ区域采用逆作法是该情况下最可靠、最节省时间、最可行的施工方案。基坑Ⅱ、Ⅲ区平面图如图7，剖面图如图8所示。

图7 Ⅱ、Ⅲ区基坑平面图

图8 Ⅱ、Ⅲ区基坑剖面图

4.2.4 深基坑稳定控制与变形控制的数值模拟。场地内房屋拆迁情况复杂，周边紧邻在建地铁隧道、在建地下匝道、居民小区，环境十分复杂；根据设计施工规范及相关要求，需严格控制相应的支护结构变形，确保支护结构位移变形限值要求。基坑周边围护结构采用地下连续墙（兼做地下室结构），水平支撑构件采用多层钢筋混凝土临时支撑或利用主体结构水平楼板，采用多种分析软件进行二维和三维的模拟分析，控制支护结构位移变形限值。

图9 塔楼Ⅰ区基坑开挖与工作井基坑开挖不利工况数值分析图

4.3 深厚细砂层中地下连续墙+三轴搅拌桩竖向支护技术研究

基坑开挖的范围内上部分土层呈可塑或流塑状，下部分土层为深厚细砂层，且地下水较丰富且水位较高，易出现流沙、坍塌等情况。综合考虑基坑周边严峻的环境条件（隧道工作井、匝道、历史保护建筑物等）、土层条件、水文条件及施工难度，最终选用嵌岩落底式地下连续墙+三轴搅拌桩竖向支护体系，以隔断基坑内地下水与外界联系，同时在基坑内仅设置少量的备用降水井，将基坑内的地下水疏干，同时也作为局部地下连续墙万一发生渗透时的应急降水措施，达到满足降低地下水位的要求。根据项目基坑分区施工顺序和地下水特点，优化布置降水井的位置和数量，采用降水分析软件进行计算分析，控制降低地下水引起的周边地面沉降理论计算值、沉降差，计算结果均满足规范要求[5]。

本项目先进行塔楼I区三轴搅拌桩的施工，再进行裙楼区的施工，三轴搅拌桩分区施工顺序如图10所示。

图10 三轴搅拌桩分区施工顺序示意图

4.4 复杂深基坑地下连续墙拆除及换撑拆撑技术

基坑施工时，按4个区依次流水进行，但最终地下室是贯通的，因此，各分区之间的临时地下连续墙及支撑等必须拆除，需拆除地下连续墙的长度达210m、高度达16.3m，工程量大、难度大，混凝土强度达C40P10，硬度大，而且拆除时地下室需同步形成，各分区之间进行拆撑、换撑等转换工序复杂。根据本项目的具体情况、结合周边环境因素，为减少对已完工程的保护，减少施工扰民，保护施工现场周边环境，各区结构相联通部位的地下连续墙及钢筋混凝土内支撑的拆除均采用混凝土静音切割拆除技术。

图11 基坑地下连续墙拆除及拆换撑区域示意图

4.4.1 Ⅰ区与 Ⅱ区、Ⅲ区相连地下连续墙拆除及换撑拆撑。项目Ⅱ区和Ⅲ区与塔楼I区相临的临时地下连续墙和换撑梁拆除顺序与Ⅱ区、Ⅲ区逆作法施工相配合，自上向下拆除，共分四步施工：

第1步：拆除塔楼I区地下室顶板处混凝土换撑梁。

第2步：裙楼Ⅱ区、Ⅲ区土方开挖至负一层结构板底，拆除Ⅰ区地下室负一层处混凝土换撑梁，同时临时地下连续墙同步拆除至基坑Ⅰ区、Ⅲ区负一层结构梁底。

第3步：Ⅱ区、Ⅲ区土方开挖至负二层结构板底，拆除Ⅰ区负二层换撑梁。临时地下连续墙拆除至Ⅱ区、Ⅲ区负二层结构梁底。

第4步：Ⅱ区、Ⅲ区土方开挖至负三层板底底，临时地下连续墙拆除至Ⅱ区、Ⅱ区负三层底板底及基础梁底。

图12 连续墙拆除步骤示意图

4.4.2 I区与Ⅳ区相连地下连续墙拆除及换撑拆撑。裙楼Ⅳ区内支撑随着地下室从下向上的施工，依次拆除最下道和中间道支撑，并且地下室楼板浇筑时，在楼板标高处与塔楼Ⅰ区地下连续墙连接位置设置换撑，依次交替施工至负二层顶板。随后进行Ⅰ区最上一道换撑拆除及负一层地下连续墙破除，随即Ⅳ区负一层结构和Ⅰ区第一层换撑部位结构梁板一起浇筑。最后连续墙和换撑结构从上到下依次拆除，拆换撑区域结构梁板浇筑完成。至此施工地下室贯通形成整体。

图13 Ⅰ区与Ⅳ换撑拆撑流程图

图14 Ⅰ区与Ⅳ区换撑拆撑示意图

4.5 复杂深基坑监测技术

为保证深基坑施工安全，对基坑开挖过程中基坑支护和周边建筑物进行位移、沉降变形观测，主要监测内容为：地下连续墙顶部冠梁位移、地下连续墙侧向深层水平位移、内支撑轴力、周边建筑物水平和竖向位移等。结论：基坑施工全过程结构安全，监测结果均在限值之内[4]。

表1 监测数据主要信息表

5 结束语

本项目根据邻江邻地铁复杂环境下深基坑工程经验及技术特点，综合考虑现场周边环境，基于时空效应，采用“外基坑套内基坑，内基坑含小基坑”基坑施工布局。

本项目根据各分区的使用特点，分别采用嵌岩落底地下连续墙或不落底地下连续墙；根据各分区的施工顺序优化降水井布置，确保将降水引起的地面沉降对周边环境的影响降至最低，确保基坑的安全。

本项目基于复杂深基坑的周边复杂性，综合考虑各种施工工况，选取安全有效的基坑支护形式，并采用数值模拟分析手段，分析各种可能的工况，按最不利工况进行设计，确保安全。

本项目根据复杂深基坑各分区特点，分区制订不同的施工方案，分区顺逆作施工，复杂深基坑地下连续墙拆除及换撑拆撑技术，通过BIM动画模拟，确保复杂深基坑了安全快速施工，最终确保了2018年7月1日达到通风塔的功能，为其他类似工程提供了有益的借鉴，并创造了良好的经济效益和社会效益。