紧邻三线地铁的超大型深基坑施工控制措施研究

凌旭辉

上海建工一建集团有限公司 上海 200120

伴随着国内经济长期的高速发展，城市化进程的不断深入，越来越多的城市地下空间被开发利用，特别是近年兴起的将各类住宅、商业、酒店、办公、公共项目同轨道交通车站相互贯通，从而形成城市商业综合体的模式成为一种大趋势。这种组合方式不断开工兴建也使得相应的基坑工程日益庞大，这些由多个在空间上相邻、交叉、叠合的基坑组合而成的庞大工程，无论是施工技术、工程风险、相互影响，还是对周边环境产生的危害，都比单一基坑要复杂数倍。因而，这些复杂基坑群的施工过程对工程本体及周边环境的危害，已经成为城市基坑工程建设者们关注的新焦点，也逐渐成为工程技术领域一个非常重要的研究方向[1]。

本文以这类工程为研究背景，重点探讨基坑开挖引起的主要风险点和控制措施方法。

1 工程概况

上海前滩21号地块属于超大型综合体项目，基坑占地面积近64 000 m2，整体地下4层（邻近地铁侧地下2～3层），地上由2栋分别高200、150 m的办公塔楼，4栋高150 m住宅及5层群体商业裙房串联组成，总建筑面积近60万 m2。

周边紧邻运营中的上海轨道交通6号线、8号线、11号线区间隧道，普遍挖深达20 m（图1）。

图1 工程周边环境

本工程开挖深度至⑤2粉土层（图2）。其中⑤2粉土、⑦粉砂层中的承压水对本基坑开挖有突涌风险，承压水头埋深3～11 m。

图2 基坑典型剖面示意

根据本工程周边环境、开挖深度及土层条件，1区、2区、3区基坑围护采用厚1 000、1 200 mm地下连续墙＋4～5道钢筋混凝土水平内支撑的围护体系；4区、5区基坑围护采用厚800、1 200 mm地下连续墙＋1道钢筋混凝土水平内支撑＋2道钢支撑的围护体系。迎土面采用φ850 mm@600 mm套打三轴水泥土搅拌桩止水帷幕（桩长30～40 m，水泥掺量20%）；地下连续墙接缝在止水帷幕以下部分设置φ2 200 mm的MJS旋喷桩止水。

2 超大深基坑主要风险点分析

1）本项目地下空间开发体量巨大，整体土方开挖量达100万 m3以上。如此大体量的基坑卸载，势必引起坑底土体产生大范围向上隆起，同时又叠加基坑围护结构的侧向变形和坑周地层移动引起的变形，从而导致基坑周边区域地面和邻近轨交隧道区间的水平和竖向位移变形[1]。

2）多个相邻、相接基坑同时或先后实施期间，工序较复杂，相互之间的影响工况较多，需确定有效的限制工况，既要确保基坑开挖、回筑的安全，又要有利于整个开挖周期。

3）由于项目地处前滩区域，地层复杂，特别是⑤2层微承压水和⑦、⑨层承压水间无隔水层，全部相互连通，而围护体系插入深度无法全部隔断承压水，大体量坑内疏干及减压，势必会引起邻近轨交隧道区间和周边道路、管线等沉降变形。

3 项目的分区筹划和组织

以往工程的经验表明，轨交隧道的变形主要是由深大基坑坑底隆起、基坑围护体系变形、较长时间抽取地下承压水所引起，并与基坑卸载量的大小和施工时间的长短有关。因此，目前有效的控制方法是将大面积基坑区域划分为若干个独立的基坑，分阶段、分时段进行基坑开挖施工。故综合考虑本项目建筑物的类型、工期、安全、场地内交通组织等因素，最终将本工程划分为18个基坑（图3），分5个分区、4个主要阶段进行实施，主要流程如下：

图3 基坑分区示意

1）优先实施2栋超高层办公塔楼所在的1a、1c区基坑，为了更有利于加快项目推进，基坑与互不影响基坑的桩基、基坑围护施工穿插进行，故将1a、1c区基坑四周无论分隔墙还是外地下连续墙，均设计并施工有效的止水帷幕体系，减少坑内减压对周边环境的风险及影响。

2）待1a、1c基坑出±0 m后，开挖150 m住宅所在的1b、1d区基坑。

3）待1b、1d基坑出±0 m后，开挖2a、2b区基坑。

4）待2a、2b基坑出±0 m后，开挖3a、3b区基坑裙房基坑。4区、5区小坑穿插进行。

4 典型基坑实施数据分析

4.1 1c区基坑实施数据

项目1c区基坑地处项目东南侧，紧邻轨交6号线、11号线区间隧道，是项目基坑第1批次开挖基坑。地下4层，5道钢筋混凝土支撑。基坑从11月1日开挖实施至次年1月27日完成底板浇筑，用时88 d。

从整个实施过程来看，均采用常规施工控制措施，并在较为正常的工期内完成了至底板的所有工作。但此期间经历了15～20 K温差的二次寒潮。最后，在该基坑底板完成后，监测数据表明，轨交侧地下连续墙变形、轨交隧道沉降及收敛变形均较大（图4）。

图4 地铁侧内、外地下连续墙侧向变形曲线

1）整个开挖阶段，靠地铁侧大坑地下连续墙侧向变形20 m深度以下最大达68 mm，地铁侧小坑最外侧地下连续墙20 m深度以下最大达45 mm。

2）取3口1C区轨交侧坑外降水观察井数据，如图5所示。

图5 坑内降压与坑外降压观察井数据变化曲线

3）取基坑中间部位支撑轴力与开挖深度和二次寒潮降温后的数据变化，如图6所示。

图6 第4、第5道支撑轴力变化

4）整个基坑开挖阶段，离本基坑最近的轨交6号线、11号线下行段隧道的收敛数据、沉降数据，分别如图7～图10所示。

图7 轨交11号线下行线隧道收敛变化曲线

图8 轨交11号线下行线隧道沉降变化曲线

图9 轨交6号线下行线隧道收敛变化曲线

图10 轨交6号线下行线隧道沉降变化曲线

4.2 数据分析

以上汇总曲线数据表明：

1）本基坑开挖深度15 m以下，即第4道支撑以下开挖开始，图4中地下连续墙测斜出现了明显增加趋势，测斜数据从25 mm变化到了底板完成后的68 mm；再分析图7～图10中轨交6号线、11号线收敛、沉降曲线数据图，也可较直观看到，第5道支撑开挖后，隧道收敛、沉降也呈大斜率的线性增长。2组数据均表明本基坑在15 m以下施工控制出现了较大的变化。初步分析原因，认为15 m以下正处于紧邻轨交隧道区间位置深度范围，该深度较大面积开挖对隧道周边土体扰动后，隧道敏感性较大，同时1c区底板施工期间土方开挖较快，但底板结构施工跟进较慢，在没有有效控制封底措施的情况下，增加了大面积暴露时间，降水减压也拉长，故易引起地下连续墙侧向变形和隧道各项数据的较大变化。

2）图6中第4、第5道位于基坑中部区域的某点支撑轴力曲线图显示出一个较明显、需引起重视的问题，本基坑第5道支撑及底板施工期间经历了2次15 ℃以上的急剧降温，在降温后，随开挖深度的增加，第4道、第5道支撑轴力增加幅度很缓慢，甚至在寒潮当天出现了轴力下降的异常数据。这说明在急剧降温情况下，不对支撑采取有效防冻措施时，支撑轴力发展很慢，甚至不发展，从而加剧了后期地下连续墙的侧向变形。

3）因地下连续墙仅能隔断⑤2层微承压水，无法隔断⑦层承压水，故从图5中3口邻近地铁侧坑外减压观察井降水曲线图上可以看出，基坑在开挖底板前按需开启了⑤2、⑦层减压井后，虽然地铁侧回灌井同步开启，但坑内减压降水对坑外水位仍旧有不小的直接影响，减压延续时间越长，数据变化越明显，这也附加引起隧道的沉降变形。

4）从图8、图10中又可清晰看出，地铁隧道一旦受到较大扰动，隧道沉降的变化趋势就将长时间存在，不是简单地完成该区域底板、停止大规模减压后即改变变形的趋势，所以要注重前期措施保证，确保少扰动、少干扰。

5 后续改进控制措施

1）因需兼顾项目开发整体工期，超大型群坑开发虽划分了多个基坑施工，但面对分坑后大基坑，普遍面积仍达10 000 m2左右，整体卸载量仍达20万 m3以上，故采用时空效应快速施工仍是一个重要的方法，当位于地铁隧道同等高度或以下开挖深度进行施工时，对地铁隧道影响更大；特别是在底板施工阶段，基坑暴露时间长，无法马上回筑压载，为了使后续基坑开挖过程中对地铁隧道等的影响尽可能减小，基坑靠地铁侧范围内改用厚300 mm配筋垫层并设置施加预应力的型钢等措施，延缓底板回筑期间基坑的变形。同时在围护设计时考虑在地铁侧坑底以下足够宽度的被动区进行较高强度的土体加固，减少土体隆起量。

2）钢筋混凝土支撑荷载水平高，布置不受限制，适应性强，但需混凝土养护达一定强度以后才能整体形成支撑作用，同时因混凝土材料本身收缩变形大，影响支撑内力的增长，在温度急剧变化的情况下，支撑轴力发展较慢，这些问题会引发较大的变形，故在冬季基坑施工期间，需要对混凝土支撑进行保湿保温措施，如用棉被覆盖。另外，本项目在后续1 d区基坑实施期间，第4、第5道支撑研发采用了1套钢筋混凝土伺服系统（图11）布置于地铁侧地下连续墙位置；该系统是对现有的围檩体系进行改造，做成锯齿带凹槽形构造，将带有630 t千斤顶的液压伺服器安放于围檩凹槽内（每幅地下连续墙2套），在混凝土强度未养护达到设计强度前，与传统围檩结构一样，由该围檩体系凸出混凝土墩受力，为线荷载受力形式；当混凝土支撑系统养护达到设计强度后，使用自动控制伺服系统分步加载千斤顶受力，使其让地下连续墙和混凝土支撑围檩体系完全分离，受力形式变为由千斤顶受力的点荷载受力。该套系统在实施后，取得了不错效果，大坑地铁侧地下连续墙变形控制在了2‰以内。后续将进一步在其他基坑更大范围应用，积累数据。

图11 混凝土伺服系统构造示意

6 结语

针对复杂基坑群的施工过程对地铁隧道及周边环境的危害，本项目通过合理分区、分时段施工，并对基坑开挖过程中的相关数据进行分析，总结经验教训，同时采取一系列改进措施和研发新型伺服控制系统后，取得了较好的实施效果，总结的经验可供工程技术人员进一步思考与实践参考。