东钱湖集散中心与轨道交通共建基坑实例分析

史世雍，周 韬

宁波宁大地基处理技术有限公司，浙江宁波 315211

0 引言

随着轨道交通工程的迅猛发展，民用基坑和轨道交通基坑相邻甚至相互嵌套的情况越来越多［1-2］。两者单独支护会造成支护体系浪费，施工相互交叉、影响不利于整体工期的控制及轨道交通的保护，共坑设计能有效解决上述问题。谢小林［3］结合上海城市核心区商业开发项目与地铁车站同期共建工程实践，针对该类基坑工程的若干设计技术难点，包括项目与地铁统筹合建、管线与道路迁改、历史保护建筑下方增设地下室等，提出了分区统筹、管线与道路迁改分离、保护建筑平移逆作等设计技术对策。谢炯［4］结合地铁车站、隧道与地块开发建筑共建的上海日月光中心地下综合体工程实践，对软土地区建造大型地下综合体所面临的岩土工程问题及工程技术对策进行了分析总结。施佩文［5］结合上海卢湾区65号地块南区发展项目，研究与地铁共建地下空间开发项目实施过程中的难点及思路，并进行合理有效的项目总体设计筹划。贾坚［6］结合改建铁路宁波站综合交通枢纽工程设计情况，分析了我国软土地区以铁路客站与换乘地铁为主体，综合公交车站、客运站等其他换乘交通的地下空间一体化建设工程，特别对其实施筹划及基坑开挖中的临时铁路便桥设计，一体化建设的结构统筹，以及纵向沉降耦合等问题进行了深入研究，提出了合理有效的应对措施。

本项目属于民用基坑和轨道交通基坑相互嵌套的地下综合体。通过协调统筹采用共坑设计，结合地下结构临时增层支护设计调整，在分析软土地区共建基坑及地下结构增层的支护设计施工关键技术基础上，利用数值模拟和现场监测数据对基坑变形特征进行对比分析。

1 工程概况

1.1 项目概况

东钱湖新城旅游交通集散中心位于宁波市东钱湖畔，轨道交通4 号线东钱湖站（包括存车线段）从集散中心中部横穿而过，两个项目同期开发建设，东钱湖集散中心基坑面积约20 000 m2，计算挖深9.45～12.55 m，东钱湖站计算挖深约16.5 m。见图1～3。

图1 东钱湖集散中心与轨道交通共建基坑现场鸟瞰图

图2 共建基坑平面

图3 共建基坑建成后实景

1.2 协调统筹共坑设计

根据集散中心及轨道交通4号线东钱湖站施工工期要求，可采用共坑设计或先施工地铁车站基坑两个方案，见表1。

表1 不同建造模式方案比选

由表1 可知，共坑设计方案在经济性、安全性和施工便利性上均具有明显优势。集散中心与地铁车站两者相辅相成，相互进度上具有一定的可协调性，且共建基坑方案对于两个项目的综合工期也是有优势的。

综合上述因素，经双方建设单位协商，集散中心范围内的地铁深坑、出入口与集散中心作为整体基坑共同设计、施工，以下简称“共建基坑”。

1.3 工程地质概况

场地属于滨海淤积和冲湖积平原，浅部广泛分布厚层（25～35 m）软土，工程地质条件差。场地地层及其物理力学性质指标见表2。

表2 土层物理力学性质汇总

1.4 开挖期间规划调整

共建基坑开挖至坑底并进行底板基础施工时，地铁规划出现调整，东钱湖站由终点站改为中间站，新增东延伸段（即原存车线段两侧各预留一段轨道线路及工作井供后期开发线路连接使用），在原集散中心大坑下需再下挖7 m，共建基坑原有的支护体系无法满足要求，需进行地下结构增层支护设计。

1.5 共建基坑设计重难点

1）设计方案应兼顾集散中心和地铁车站的建设进度要求。

2）集散中心和地铁车站形状不规则且差异很大，两者结构标高差异较大，地铁深坑开挖方案设计难度大。

3）开挖范围内均为流塑状淤泥或淤泥质土，厚度25～35 m，具有低强度、高压缩性，物理力学性质差，基坑变形控制难度大。

4）受基坑开挖及施工条件制约，地下结构增层支护设计难度大，桩基施工难度也较大。

5）受集散中心交付时间限制，地下结构增层区域对拆换撑设计要求高，传力体系较为复杂。

2 设计施工关键技术

2.1 总体设计思路

集散中心基坑挖深9.45～12.55 m，采用ϕ800～1 000 mm钻孔灌注桩＋两道钢筋混凝土支撑的形式。

地铁深坑紧邻坑边区域基坑挖深约16.5 m，采用800 mm厚地下连续墙＋四道支撑的形式。地铁深坑与集散中心交界面高差约7 m，受地铁叠合墙结构条件限制，采用800 mm 厚地下连续墙＋两道支撑的形式，交界面部位地下连续墙墙顶标高为地面下9.7 m，为保证落低墙成槽及混凝土浇筑稳定性，地连墙采用C20素混凝土超灌至地面。地连墙接缝外侧设置ϕ600@400高压旋喷桩。

2.2 总体工程筹划

共建基坑土方整体同步开挖，以加快地铁深坑施工进度为原则，整体挖土顺序由东北往西南推进，并在地铁深坑西南设置栈桥以便深坑出土，地铁深坑高差部位需待东北侧集散中心及出入口底板，和西南侧集散中心及出入口30 m范围底板完成后下挖。

2.3 支撑平面及竖向布置

2.3.1 支撑平面布置及出土方式

集散中心开挖面积大，一道与二道采用钢筋混凝土支撑，土方开挖采用支撑上方掏挖方式。采用角撑结合对撑的布置形式，可以做到分段加撑和拆撑。地铁上方支撑布置尽可能和三道与四道支撑重合，便于挖土机械直接在栈桥上方分仓掏挖深坑土方。见图4。

图4 一道与二道支撑平面布置及出土方式（大坑）

地铁深坑呈狭长形，受高差区域冠梁施工影响，第三道采用钢筋混凝土支撑，第四道采用钢管支撑，以减少无支撑体系暴露时间。栈桥东北区域通过长臂挖机从施工栈桥上掏挖出土。栈桥西南区域基坑面积大，采用中心岛式开挖并从运土坡道出土。见图5。

图5 第三道钢筋混凝土支撑及第四道钢管支撑平面布置（小坑）

2.3.2 支撑竖向布置

支撑的竖向布置需综合考虑以下几个因素（图6）：

1）一道支撑上需要设置施工栈桥，为便于车辆通行，减少爬坡，一道支撑面与地面之间的高差不宜过大。第一道支撑底距底板面高差亦不宜太大，以防二道支撑拆撑时变形较大。一道支撑位于地铁标准段顶板上方以确保一道支撑拆撑前完成标准段部位顶板施工，减少地铁深坑部位一次钢管换撑。

2）挖土净高要求：为保证中型挖机（PC-120）及运土车辆的施工操作面，一道与二道支撑净高不小于3.8 m；为保证小型挖机（PC-60）的施工操作面，二道与三道、三道与四道、四道支撑与底板垫层底净高不小于2.8 m。

3）三道支撑涉及地铁深坑和集散中心高差的支护，该道支撑面宜设置在集散中心底板底附近。

2.4 控制变形措施

2.4.1 主动区加固

地铁深坑东侧局部紧贴坑边，计算挖深达16.5 m，挖深明显大于集散中心（平均挖深9.5 m），为了有效解决该处土压力不平衡的问题，集散中心坑底主动区采用ϕ850@600三轴搅拌桩裙边加固，同时在坑底设置配筋加强垫层以提供抗力。

2.4.2 被动区加固

开挖范围内为流塑状的淤泥或淤泥质土，物理力学性质差，基坑变形控制难度大。地铁深坑坑底采用ϕ850@600三轴搅拌桩抽条加固，抽条宽度3 m，间距3 m，加固深度3 m。地铁出入口坑内采用ϕ850@600三轴搅拌桩结合ϕ800@600高压旋喷桩裙边加固，总宽度3.75 m，加固深度3 m。加固体上部坑内土体均采用弱加固形式。

集散中心西侧靠玄武路桥梁及南侧中段坑底采用ϕ850@600 三轴搅拌桩和ϕ800@600 高压旋喷桩裙边加固，总宽度3.75 m，加固深度3 m；其余区域未采取被动区加固。

2.5 地下结构增层支护设计

2.5.1 整体施工工序

规划调整导致地下结构临时增层（图7）。具体施工工序如下：集散中心底板及地铁深坑-2F楼板施工→增层区域二道环梁及钢管斜撑施工→共建基坑二道混凝土支撑拆除→部分立柱割除与托换→坑内外支护桩及支护体系施工→增层区域深坑开挖、主体结构施工。

2.5.2 立柱割除与托换

共建基坑已完成底板基础施工，新增支护桩与原支撑立柱冲突部位需割除原立柱并进行立柱托换，见图8。

图8 增层区域立柱割除及托换

2.5.3 坑内支护桩

坑内高差区域基坑挖深7.0 m，采用新增钻孔桩＋两道支撑支护形式。坑内支护桩施工工作面及机械设备净高受限（一道支撑尚无法拆除，净高仅为8.7 m），选用低净空桩架设备进行施工，见图9。

图9 增层区域坑内低净空桩架设备施工

2.5.4 深坑邻边叠合支护桩

地铁深坑紧贴坑边区域计算挖深由9.45 m 加深至16.5 m，调整为新增叠合钻孔桩＋四道支撑支护形式，原集散中心支护桩桩长及配筋不满足要求，现有场地无条件新设地下连续墙，故考虑在坑外新增一排大直径钻孔桩，同时充分利用原有老支护桩，新老排桩之间打设高压旋喷桩加强整体性，新增叠合桩节点做法见图10，旋喷桩加固标高位于开挖面以下，前后排桩通过加宽冠梁连接叠合使用。

图10 增层区域深坑邻边新增叠合桩设计

2.5.5 支撑布置

第一道支撑利用共建基坑原一道混凝土支撑，第二道支撑需要重新设置，为钢管斜撑，撑到集散中心底板或已施工的地铁存车线中板位置。三道及四道为新设对撑支撑，三道支撑面同集散中心底板面，四道支撑标高同原共建基坑地铁深坑内换撑支撑标高，出于支撑传力的需要，增层设计区域周边地铁深坑内的换撑支撑暂不拆除。见图11、图12。

图11 增层区域二～四道支撑平面布置

2.5.6 拆换撑措施

为满足集散中心工期节点，增层区域采用非常规的拆撑顺序，即增层区域设置相应换撑措施后提前拆除第一道支撑。主要换撑措施如下：

1）同步设置深坑底板换撑板带及集散中心-1F楼板位置传力构件，确保第四道和第一道支撑可安全、同步拆除。见图13、图14。

图13 第一道及第四道支撑同步拆除后工况平面

图14 第一道及第四道支撑同步拆除后工况剖面

2）第三道圈梁作为结构暗梁设置于集散中心底板内，确保整个拆撑过程中，深坑邻边部位竖向至少有三道传力体系。

3 数值模拟与监测数据分析

3.1 数值模拟计算

3.1.1 计算模型及参数

鉴于本工程的重要性和复杂性，特采用Midas数值模拟分析软件，根据基坑实际的开挖工况，对整体基坑变形进行建模及定量分析。见表3、图15。

表3 HS本构模型各土层计算参数汇总

图15 数值模拟计算模型

模拟工况如下：初始应力场计算→支护桩及加固桩施工→开挖至第一道支撑底、施工支撑→开挖至第二道支撑底、施工支撑→开挖至浅坑坑底及第三道支撑底→深坑周边30 m 范围浅坑底板施工及第三道支撑施工→深坑开挖至第四道支撑底、施工支撑→深坑挖至坑底→深坑底板施工。

3.1.2 数值模拟结果

根据数值模拟分析结果，地铁深坑最大侧向变形约51 mm，集散中心最大侧向变形约56 mm，坑内高差区域最大侧向变形约30 mm。见图16。

图16 数值模拟计算结果（深坑挖至坑底工况）

3.2 监测数据分析

3.2.1 监测内容

为保证基坑自身安全及控制基坑开挖对周边环境影响，对支护结构及周边环境进行监测。见图17、图18。主要监测项目包括深层水平位移、基坑顶水平（竖向）位移、地下水位、支撑内力、立柱竖向位移、周边构筑物竖向位移等，在整个施工过程中，变形始终在一个可控的范围内变动，整个基坑施工期间未对周边环境产生明显影响。

图17 共建基坑监测平面布置

图18 增层区域基坑监测平面布置

3.2.2 监测数据对比

1）共建基坑土体深层水平位移

自基坑开挖到基坑回填期间土体深层水平位移为29～69 mm，变形主要位于0.2%～0.5%H区间（H为基坑挖深），基本满足一级基坑变形控制要求［7］，部分位于0.5%～0.7%H区间（图19），与基坑局部暴露时间较长，受现场土质条件差、时空效应及周边荷载等影响因素有关。CX1～CX4深坑邻边部位土体深层水平位移为34.8～62.0 mm，主要与空间效应密切相关。CX12、CX26深坑邻边部位土体深层水平位移为29～30 mm，主要与空间效应密切相关。CX20位于圆弧弧顶部位位移相对较小，土体深层水平位移约为29.6 mm。集散中心其余部位土体深层水平位移为51.6～69 mm，与上述区域土质较差且未进行坑底被动区加固相关。

图19 土体深层水平位移与基坑挖深比值

基坑典型部位（CX2 与CX15）实测位移与数值模拟分析结果对比见图20，两者变形规律基本吻合，地铁深坑局部暴露时间较长，受时空效应及周边荷载影响，实测变形略大于计算变形。

图20 数值模拟与实测数据对比

2）增层区域土体深层水平位移

增层区域空间效应好，深坑邻边区域实测土体深层水平位移为26.12～28.55 mm，坑内高差区域实测土体深层水平位移为16.88～23.74 mm，变形位于0.2%～0.25%H区间（H为基坑挖深）。基坑典型部位（CX-F与CX-C）实测变形见图21。

图21 增层区域土体深层水平位移曲线

4 结论

共建基坑设计施工难度大，施工工序复杂。通过解决总体工程筹划、支撑平面及竖向布置、变形控制措施、落低墙节点处理等设计关键技术，可有效减少共建基坑相互影响，降低支护费用，缩短整体工期［8］。

开挖期间地下结构临时增层设计需考虑施工限制条件、支护桩设备选型受限、拆换撑工序复杂、深坑邻边支护加强、立柱托换等综合因素，利用原支护体系与拆换撑技术措施保证其顺利实施［9］。

利用三维数值模拟分析了共建基坑的整体变形特征，并与现场监测数据进行对比分析，变形规律及量值总体吻合。

本项目基坑工程实践所得的设计技术思路和方法，能为类似的深大基坑工程设计和施工提供参考和借鉴。