紧邻地铁车站超深基坑变形控制及实例分析

苏子将，陈俊驰，刘 波

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122; 2.中电建重庆勘测设计研究院有限公司,重庆 401329)

1 研究背景

随着经济的快速发展和城市化进程的加速,我国正处于以城市轨道交通建设为主体的地下空间大规模开发时期,大规模建设必然造成线路交叉甚至多条线交叉;而临近既有线或与既有线交叉时不可避免地面临保护轨道交通线路正常运营的困难[1-4],对深基坑支护也提出了更高的要求[5-6]。

本文以临近既有车站的某轨道交通车站超深基坑为依托,对基坑开挖引起既有地铁车站的变形特性进行分析研究。该超深基坑与既有车站近距离、全车站平行,施工难度和风险极大,通过开挖方案设计、支撑系统加强、降水止水结合和综合利用各种既有线沉降控制措施,成功实现了基坑开挖期间既有线的安全运营,同时为国内与既有线平行布置的超深轨道交通车站基坑提供了工程实例的支撑,可供借鉴和参考。

2 工程概况及开挖方案

2.1 工程概况

某新建轨道交通18号线骡马市站为地下6层、双柱三跨岛式换乘车站,南北向布置;新建10号线车站为地下5层,东西向布置;既有1号线为地下2层双柱岛式车站,南北向布置,既有4号线东西向布置。

新建18号线车站明挖基坑长182.6 m,宽28.4 m,深约45.0 m,围护结构采用钻孔桩+内支撑方案,降排水采用坑外管井降水结合坑内明排方案;新建10号线车站主体基坑长165.8 m,宽35.2 m,深约35.0 m。18号线车站与既有1号线车站平行布置,且车站基坑距离既有1号线车站侧墙距离仅5.3 m。车站平面及立面关系详见图1,图2。

场地地层自上而下依次为:填土、粉质黏土、粉细砂、稍密—密实卵石,强—中风化泥岩;其中基坑底位于中风化泥岩层中,既有车站结构底板位于卵石层及粉细砂层,地下水位主要为卵石层中潜水,水位埋深为地面下2 m～5 m。

2.2 工程重难点及应对措施

既有1号线车站底板埋深约16.5 m,侧壁土层为填土、粉质黏土、稍密—中密卵石层,且底板下部分区域存在约2.0 m粉细砂层,超深超近距离基坑的开挖对既有线沉降影响非常敏感;新建车站基坑深度约45.0 m,深于既有车站底板约28.5 m,且既有线基坑底约13 m范围内的泥岩具有遇水软化、崩解,强度急剧降低,属软质岩、弱膨胀岩。因1号线车站已投入运营,如果施工不当,就可能引起既有车站的结构破坏、过大沉降或不均匀沉降,甚至影响既有线的安全运营。

为保证既有线结构安全及变形满足要求,施工时采取多项措施:基坑开挖前对既有1号线车站两侧对称、阶梯式管井降水,且根据地质情况尤其是粉细砂层进行一井一设计,基坑与既有车站之间的土层采取预注浆;基坑开挖按照要求分部开挖,及时施作支护措施,对既有车站底板下粉细砂层采取跟踪注浆;由于风化岩层遇水软化、具有膨胀性,且地层中存在基岩裂隙水,因此各工序需紧凑施工;同时对既有车站及区间采用自动化24 h监测,监测布点以3倍基坑深度范围作为重点监测区域,并对监测数据及时统计分析。

2.3 支护方案

根据新建车站与既有线车站的相对关系以及计算结果,支护方案采用桩+支撑围护结构形式;为加强支撑体系的水平向刚度,有效减小既有线基底标高位置、土岩交界面位置的侧向变形,第一、三、五道支撑采用混凝土支撑,其余四道支撑采用钢支撑结构,并在中部设置钢格构立柱。

2.4 开挖方案

土方开挖遵循水平分段、竖向分层,台阶式、快速开挖、快速支撑、随挖随撑、严禁超挖的原则,充分利用“时空效应”,减小变形量(见图3)。

新建基坑开挖采用纵向分段、竖向分层+垂直开挖方案,分流水段进行作业。具体开挖方案为:18号线由北向南分层逐步开挖施工并及时施作钢支撑与混凝土支撑;当不能利用马道出土后,18号线土方采用电抓斗进行垂直土方开挖,形成台阶开挖,由南北向中部开挖,基坑开挖至基坑垫层以上300 mm时,进行基础验收并人工开挖至设计标高。

3 既有线变形控制

3.1 既有线结构调查

施工前对既有线的现状进行检测评估,既有线结构顶、底板及侧墙未出现裂缝,结构混凝土强度及浇筑质量均正常。

3.2 数值模拟计算分析

3.2.1 计算模型

为预测18号线开挖对既有1号线车站结构的变形,运用midas GTS软件,建立三维地层-结构整体模型计算基坑开挖工况,计算模型如图4所示。

3.2.2 基坑开挖数值分析结果

基坑开挖施工时既有线结构沉降云图如图5所示,结构沉降最大值约为4.0 mm。

3.2.3 降水工况数值分析结果

运用GeoStudio软件计算降水工况下渗流场变化造成的土体变形。降水施工对既有车站结构影响以沉降变形为主,既有线结构沉降云图如图6所示,既有线结构沉降约2.8 mm。

综合考虑基坑开挖,降水施工对既有线结构沉降分析,既有线结构沉降为6.8 mm。

3.3 变形控制指标

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》及《城市轨道交通工程监测技术规范》,本工程施工期间既有线控制指标如表1所示。

表1 城市轨道交通既有线监测技术指标

4 既有线沉降变形控制关键技术

既有线的变形控制技术为一个动态控制过程,从前期的既有线监测到最终的使用完成均包含在既有线的沉降控制范围之内。

4.1 降水方案设计

本工程既有车站基坑距离新建车站的基坑约为5.3 m,降水对既有结构影响主要为地层中水位下降引起有效应力增加,从而引起的地层沉降,以及降水施工时由于卵石层中填充砂及粉细砂层流失导致的沉降,另外因既有线两侧不平衡的水压引起的水平位移等。

根据卵石层的密实程度、粉细砂层埋深及厚度等地质情况,结合现场抽水试验确定各层土层渗透系数、单井结构、含砂率试验结果,通过理论计算和实际模拟,考虑1号线、4号线车站施工过程中降水情况及周边建构筑物降水历史情况计算预估水位下降引起的地层沉降。

4.2 降水与局部止水结合

由于本工程基坑工程与既有车站相对关系的特殊性,方案设计时综合对比了咬合桩止水帷幕方案及坑外降水加局部止水方案。依据地勘报告,按照泥岩埋深30 m验算,止水方案的围护结构承担的水平力,比坑外降水局部止水方案的荷载约大60%,土建投资增加近千万元。同时止水方案存在围护结构荷载明显增大,同时高水头自始至终都影响围护结构和深基坑的安全稳定。

通过现场抽水试验及理论分析,优化降水井方案,细化岩土交界面止、排水措施,可保证既有线结构变形在可控范围内,同时考虑经济因素,最终确定采用坑外降水加局部止水方案。

本工程地下水主要为卵石层中潜水,岩层中存在基岩裂隙水。由于新建车站基坑深度最深为45 m,泥岩层埋深约30 m,根据地区以往经验,采用管井降水时卵石层与岩层交界面存在降水盲区,且岩层中存在裂隙水,因此在基底至岩层交界面以上2 m高度的范围设置桩间模筑混凝土,即上部卵石层中潜水以管井降水,下部交界面位置及基岩裂隙水采用止水的组合方案,既可以节约投资,又有效减少了交界面土体流失引起的沉降。

4.3 基坑支撑布置

新建18号线车站基坑与既有1号线平行,围护结构采用桩+支撑结构,根据地层分布及既有线与基坑位置关系,竖向采用七道支撑,其中第一道支撑、第三道支撑(既有结构底板位置标高),第五道支撑(卵石与岩层交界面)采用混凝土支撑,其余采用钢支撑,同时为加强支撑刚度,基坑中间采用格构柱及纵向连系梁减小支撑跨度。采用中间格构柱后可提高支撑轴向承载力。

根据施工过程中收集的支撑监测数据,钢支撑最大轴力实测值一般小于计算支撑轴力标准值,而混凝土支撑最大实测值受温度及测量方式影响变化较大。

4.4 既有车站侧部土体加固注浆

新建车站与既有结构间土体宽度最近约为5.3 m,主要为粉质黏土、稍密、中密卵石层以及粉细砂层,采用旋挖钻孔施工时对中间夹土有一定的卸载、扰动。为减少松散土体的不利影响,同时提高土体物理常数,对中间夹土采取预注浆加固措施,结合现场情况采用地面注浆方式加固既有车站侧部土体,注浆孔沿车站纵向布置1排,纵向间距3 m,采用φ48 mm袖阀管分2次钻进注浆,注浆材料采用水灰质量比为0.8∶1的水泥浆,注浆压力0.2 MPa～0.4 MPa。

4.5 既有车站底板注浆

既有车站结构底板下部分区域存在约2.0 m厚粉细砂层,新建基坑开挖以及降水时,对既有线沉降影响较大,因此基坑开挖接近既有结构底板标高时,对既有结构底板下砂层进行填充式水泥浆注浆,注浆管采用φ108 mm钢花管,注浆材料采用水灰质量比为1∶1的水泥浆,正式注浆前进行试验确定注浆参数。注浆钻孔施工时需严格按照要求控制钻孔角度,钻孔与既有结构底板距离不小于1.0 m,注浆时采用间歇式注浆且加强监测,避免注浆施工导致既有结构上浮。

文化自信是主体对自身文化价值的充分肯定和积极践行。乡土文化自信是指乡村社会主体对乡村文化的一种信心、信念，是乡民对传统文化价值和自身理想信念的认可，是对所属群体文化生命力及其发展前景的肯定，是一种发自内心的文化自信心和自豪感[3]。乡土文化自信不是盲目的自信，而是源于对优秀乡土文化的自觉和自醒，根基在于对乡土文化价值的认同。

4.6 施工监测信息化

基坑工程施工时,加强对围护结构、地下水、周边建构筑的监测,尤其是对降水含砂量的检测,含砂率应小于1/100 000,其中两车站间降水井的含砂率要求小于1/200 000,一旦发现异常及时采取措施,尽量减少地层损失引起的地面沉降。

利用数值模拟分析评估基坑降水、开挖全过程的施工风险,利用实时监测数据验证和反分析,确保车站基坑的变形在安全控制标准范围内。利用全自动监测与人工复核实现新建基坑与已运营地铁状态的实时监控与变形预警。

5 监控量测

针对既有线的变形制定监控量测方案,对既有线结构的整体沉降进行严格的监控量测,用以指导现场施工。为不影响列车运营,新建基坑实施时对既有线的影响范围内布置了自动化监测,截止2022年12月,新建基坑已开挖完成并完成地下4层—6层主体结构施工。除个别管井内因水泵多次更换造成局部沉降达到7.5 mm外,其余监测点既有线结构底板最大沉降约为6.7 mm,如图7所示[6]。

6 结论

本文以某轨道交通18号线四线换乘站为工程背景,研究分析了紧邻既有车站的超深基坑变形控制关键技术。通过工程类比、数值分析及现场施工总结,得出如下主要结论:

1)利用桩+支撑的支护形式,通过加强支撑刚度,在混凝土支撑与钢支撑及竖向格构柱的保护下进行施工的开挖方案,是超深基坑开挖既有线变形控制的基础。

2)采用优化的降水设计,降水与止水排水结合方式保持开挖工作面干燥的同时,大大减少了卵石间填充细颗粒尤其是既有结构下的粉细砂地层损失而引起的沉降,同时采用既有结构两侧对称降水是确保既有线变形安全可控的主要保障。

3)对基坑与既有结构间的夹土、既有结构底板下粉细砂层进行填充注浆加固,是减少基坑开挖时的既有结构沉降控制的重要手段。

4)严格按照先支撑、再开挖、同步监测的信息化施工,是既有结构沉降控制的重要保障。

5)针对L型新建车站基坑阳角部分采用盖挖法施工,是确保既有结构沉降控制的辅助手段。

通过综合采取各种既有线沉降控制技术,使得本工程既有线的相关沉降控制指标均在控制指标之内,保障了既有线的安全运营,从而保证了整个工程项目得以顺利完成。施工中支撑轴力与计算值有一定的差异,支撑材料及支撑刚度的不同对基坑变形影响较大,不同地层的止水与降水方案、大型超深基坑在阳角位置的变形等需进一步研究。本工程紧邻既有线超深基坑的成功实施可为类似工程提供技术参考和借鉴。