邻近地铁基坑不同工况对周边环境的影响分析

易 娟

上海智平基础工程有限公司 上海 200072

现今城市建设用地有限，地铁线路也密布整个城市，城市发展地下空间越来越多，故深大基坑也越来越多，周边环境复杂且紧邻地铁。为保证周边环境的安全性，尤其是地铁，挖深较深且开挖面积较大的基坑往往采用分坑技术进行施工，而开挖工况常规都是大基坑出±0 m后，依次开挖邻近保护性建（构）筑物或地铁的小坑，而该开挖工况工期往往都很长，与建设单位希望快速交付的意愿相违背[1-3]。

上海普陀区真如社区某项目的周边环境复杂，原设计按常规大坑出±0 m后依次开挖小坑的工况进行土方开挖，由于本工程工期紧的问题，如果在大坑出±0 m前可以先开挖小坑，则能解决工期紧的问题。本文通过前期的验算及后期施工策划来验证了此工况的可行性。

1 工程概况

1.1 基坑概况

本工程建设用地总面积约41 862.3 m2，总建筑面积420 976.85 m2，其中，地上304 020.85 m2，地下116 956 m2，地下3层。基坑共分为5个区域，图1为本工程基坑分区，基坑挖深及开挖面积如表1所示。

图1 基坑分区示意

表1 基坑挖深及开挖面积

1.2 周边环境

本工程位于普陀区真如社区。基坑南至规划路（建设中），下设综合管廊（埋深2.3～5.6 m），且分布有较多管线，开挖边线距离南侧管线最近12 m；东北侧紧邻为盾构区间，盾构区间宽度约52.6 m，基础埋深23.0～24.2 m；西侧为已有地铁出入口，开挖边线距离地铁出入口最近6 m；场地西南侧有220 kV高压线塔，高压线高度约32.6 m，开挖边线距离高压线塔最近为9 m。故基坑施工期间，对已建地铁、管廊、高压电力线的保护尤为重要。

1.3 工程水文地质条件

基坑施工范围内的土层从上至下依次为①1杂填土、①2浜底淤泥、②粉质黏土、③黏质粉土夹淤泥质粉质黏土、④淤泥质黏土、⑤黏土、⑥粉质黏土、⑦1砂质粉土、⑦2粉砂、⑧1粉质黏土。

本项目基坑一般开挖深度为17.3～19.0 m，场地存在⑦1层和⑦2层承压水，最浅埋深27.46 m，勘探期间水位埋深约3.0 m。当基坑开挖至13.2 m时，刚好满足抗突涌要求；外围采用厚1 m、深45 m的地下连续墙，墙底进入了⑧1层隔水层，隔断了坑内外⑦1层和⑦2层承压水水力联系，基坑开挖过程中仅需针对⑦1层和⑦2层进行疏干降水。

2 施工难点分析

2.1 原设计工况不满足工期要求

本工程工期紧，原设计各分区开挖施工顺序如下：首先开挖施工A区（远离地铁侧大面积基坑）；待A区回筑至±0 m后，开挖施工C1区、C3区；C1区及C3区回筑至±0 m后，方可开挖C2区；C1区回筑至±0 m后，开挖施工D区。该方案整体工期较长，不满足业主实际工期要求。

2.2 中隔墙受力复杂

A区向上回筑，C区向下开挖，因此中隔墙双向受力，需验算其在最不利工况下的受力安全。

2.3 周边环境复杂，需做好土方开挖策划

本工程紧邻盾构区间，且周边分布有众多管线，A区开挖面积较大，约14 177 m2；C区为紧邻地铁侧的3个小坑，开挖卸载过程中对周边环境的影响较大，故需做好合理的土方分区。

3 针对工期紧的措施

为满足业主工期要求，本工程对原设计工况进行了优化，施工前对原设计工况和优化后的工况进行了有限元模拟分析对比。

3.1 原设计工况概况

A区回筑出±0 m，C1/C3区表层土方开挖并施工支撑栈桥（工况1，图2）→A区核心塔楼地上施工，C1/C3区第2层土方开挖并施工第2道钢支撑（工况2）→A区核心塔楼地上施工，C1/C3区第3层土方开挖并施工第3道钢支撑（工况3）→A区核心塔楼地上施工，C1/C3区第4层土方开挖并施工第4道钢支撑（工况4）→A区核心塔楼地上施工，C1/C3区开挖第5层土方并施工第5道钢支撑（工况5）→A区核心塔楼地上施工，C1/C3区开挖到坑底，随挖随浇筑垫层（工况6，图3）。

图2 原设计开挖工况1示意

图3 原设计开挖工况6示意

3.2 原设计工况有限元分析

本项目采用2D Plaxis有限元软件对原设计工况进行了模拟分析，来预测基坑开挖对地铁的影响情况。

Plaxis软件是常用的有限元分析软件，本工程计算，采用尺寸为7 m×50 m，土层采用强化土模型，内聚力、内摩擦角等的值均取自地勘报告，地下连续墙及支撑采用线弹性模型。

采用Plaxis有限元模拟分析原设计工况的变形情况，结果显示地铁侧的水平位移最大值－5.14 mm；竖向位移最大值5.34 mm。

3.3 优化后的施工工况概况

原设计工况虽然能满足保护周边环境的要求，但由于C1/C3区需待A区出±0 m后方可开挖，工期较长，不满足业主的工期要求。计划采用A区与C区交叉开挖施工的工况来节约工期。

交叉开挖施工工况：A区分层开挖至坑底并施工底板→C1/C2区首层土开挖并施工第1道混凝土支撑（工况1）→A区拆除第4道支撑并施工地下3层顶板，C1/C2区第2层土方开挖并施工第2道钢支撑（工况2，图4）→A区拆除第3道支撑并施工地下2层顶板，C1/C2区第3层土方开挖并施工第3道钢支撑（工况3）→A区拆除第2道支撑且邻C区侧同步浇筑临时混凝土换撑，C1/C2区第4层土方开挖并施工第4道钢支撑（工况4）→A区拆除第1道支撑并施工地下1层顶板，待地下1层顶板养护至设计强度后，拆除邻C区侧的临时混凝土换撑，C1/C2区第5层土方开挖并施工第5道钢支撑（工况5）→A区核心塔楼地上施工，C1/C3区开挖到坑底，随挖随浇筑垫层及施工底板（工况6，图5）→C1/C3区地下室出±0 m。

图4 优化后工况2示意

图5 优化后工况6示意

3.4 优化后的施工工况有限元分析

采用Plaxis有限元模拟分析优化后工况的变形情况，结果显示地铁侧的水平位移最大值－5.23 mm；竖向位移最大值5.34 mm。

3.5 两工况对比分析

通过对比分析可知，优化后的施工工况与原设计工况的变形几乎一致，对周边环境（特别是地铁）的影响很小，可保证周边构筑物及地铁的安全，且可缩短施工工期，满足业主的工期要求。

4 中隔墙受力复杂的措施

由各施工工况可以看出，中隔墙最不利工况为工况6，即A区完成地下室回筑，C区开挖至坑底。结合基坑支撑受力的计算结果，将本工况简化成静力计算模型，如图6所示。

图6 中隔墙最不利工况简化模型

在A 区基坑开挖阶段，中隔墙的弯矩设计值为－1 467.9～2 580.1 kN·m，而在“A区回筑、C区开挖”阶段，中隔墙的弯矩为－806.841～759.279 kN·m。中隔墙厚度为1 200 mm，经强度验算，配筋可以满足中隔墙双向受力要求。

5 土方开挖策划

为保证周边环境的安全，尤其是地铁的安全性，施工前对土方开挖进行了前期策划。

5.1 A区土方开挖要求

1）A区主要采用盆式开挖，先开挖中间部位的土方，再对称开挖周边土方，开挖顺序为A-1区→A-2→A-3区→A-4区→A-5区A-6区。周边边坡留土，坡顶宽12 m（地铁侧不小于20 m），高宽比≤1∶1.5，每层开挖深度不大于3.5 m。

2）坑边土方开挖、支撑施工及与中部支撑相接的时间需控制在36 h内。

3）坑中坑土方需在大面积垫层施工完毕后，方可开挖；垫层浇筑需控制在24 h内，无垫层暴露面积需控制在200 m2内，且需在7 d内完成底板施工。

5.2 C区土方开挖要求

1）C区土方采用对称开挖。

2）土方开挖、支撑施工需控制在12 h内。

3）垫层浇筑需控制在24 h内，无垫层暴露面积需控制在100 m2内。

4）C区第2—5道支撑均为φ609 mm钢管支撑（带油压泵轴压自动伺服系统），可保证地铁运营安全。第2—5道钢管支撑以及临时钢管换撑的油压泵支撑压力预设值依次为1 800、1 800、2 200、2 000 kN；A区基坑开挖过程中，需及时反馈地下连续墙侧向变形的监测情况，调整油压泵支撑压力设定，确保地铁设施安全。

5）挖土完成后7 d内应完成底板施工。

6 监测数据结果统计

基坑按照优化后的工况进行施工，出±0 m后，对施工过程中地铁的监测数据进行了整理分析，地铁的变形位移值均在规范要求的范围内，特别是地铁变形值很小，几乎无扰动。

7 结语

本工程为普陀区真如社区某分坑工程，为节约工期，采用交叉开挖的施工工况，节约工期约90 d。监测数据结果表明，改进后的施工工况对周边环境影响很小，变形值均在规范范围内，可以为类似的基坑工程提供一定的施工依据。