上海緊鄰地鐵超大深基坑工程設計與實踐

韓曉

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海 200125）

0 引言

近年來，我國城市建設快速發展，城市核心區中大型商業辦公綜合體項目通常地下開挖深度較大，其中部分項目緊鄰地鐵等市政設施，對周邊環境的保護要求高。軟土地區深基坑開挖易引起周邊土體的擾動、鄰近建（構）筑物變形開裂，而地鐵結構對變形的嚴格要求，使得地下空間開發的難度成倍增加[1-4]，巖土工程設計和施工難度較大。

段忠輝[5]分析了深基坑開挖對下方既有地鐵區間隧道的影響，提出分期開挖、分層開挖和抽條開挖方式，可有效控制地鐵結構安全。陳仁朋等[6]研究了深基坑開挖對于鄰近地鐵周圍土壓力變化的影響，提出了設置分隔墻可減少地表沉降及圍護墻水平位移。田 雷等[7]認為跳坑施工可有效降低對既有地鐵的影響，變形控制效果顯著。目前，關于深基坑開挖對鄰近地鐵結構產生的影響已有一定的研究成果，但是針對如何開展緊鄰地鐵的深大基坑設計施工，使地鐵結構的變形控制在保護要求范圍內，仍缺少一套較完整的設計施工方法。

以上海某緊鄰地鐵深基坑工程為例，闡述了軟土地區深基坑開挖對地鐵的影響，詳細介紹了基坑設計采取的主要保護措施，包括基坑分坑分時設計、與相鄰在建基坑交叉施工工況統籌管理、三軸攪拌樁加固設計、支撐軸力伺服系統應用以及先遠后近的盆式開挖等，基坑監測與工程實施效果均驗證了該套設計方法的有效性，可為軟土地區緊鄰地鐵超大深基坑工程設計提供借鑒與參考。

1 工程實例

1.1 項目概況

本項目基坑面積約為15227 m2，另包含地鐵出入口786 m2，基坑形狀為矩形。根據周邊道路標高，確定基坑開挖深度為16.60～17.02 m，出入口開挖深度為8.65 m?；又苓厼槭姓缆罚ㄒ妶D1），其中西側現狀道路下為地鐵車站，基坑西側邊線距離現狀道路邊線約10 m，距離地鐵車站約14.8 m?；訓|側距離現狀道路約3.0 m?；幽蟼染嚯x規劃道路邊線約3.0 m，另該規劃路南側為在建地下兩層項目，距離本基坑約23 m，南側項目后期地下室施工可能與本工程基坑存在交叉施工影響?；颖眰染嚯x現狀道路約3.0 m?；游鱾群捅眰痊F狀道路下方分布有數量眾多的給水管、煤氣管、雨污水管等地下管線，其中，西側?300 煤氣管與基坑最小凈距17.7 m，北側?300燃氣管與基坑最小凈距7.2 m；東側道路下方分布有雨 污水地下管線；南側規劃道路暫無重要管線分布。

圖1 基坑周邊環境圖

擬建基坑西側地鐵車站為地下兩層側式站臺車站，主體采用雙柱三跨鋼筋混凝土箱形結構。車站標準段基坑深約為15.685 m（站臺中心處），南北端頭井基坑深約為17.385 m。車站圍護結構采用800 mm 厚地下連續墻，地連墻深度為28.4 m。根據《上海市軌道交通安全保護區暫行管理規定》，擬建基坑位于軌道交通安全保護區范圍內，地下車站與隧道為本工程重點保護對象。根據該暫行管理規定，本項目深基坑、樁基、降水及結構施工等各種卸載和加載的建筑活動對地鐵工程設施的綜合影響限度必須符合以下標準：①地鐵結構設施絕對沉降量及水平位移量≤10 mm（包括各種加載和卸載的最終位移量）；②隧道變形曲線的曲率半徑R≥15000 m，相對彎曲≤1/2500；③由于建筑物垂直荷載（包括基礎地下室）及降水、注漿等施工因素而引起的地鐵隧道外壁附加荷載≤25 kPa；④由于打樁振動、爆炸產生的震動對隧道引起的峰值速度≤2.5 cm/s。

綜上，本工程基坑周邊環境相對緊張，尤其西側緊鄰地鐵車站，保護要求較高，基坑設計和施工需重點關注，并采取針對性措施。

1.2 工程地質概況

擬建場地為濱海平原地貌類型，地勢平坦。地基土主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成。場地受古河道切割，⑥層暗綠色粉質黏土缺失，代之為沉積厚度較大的⑤3、⑤3t層?？辈旖沂?，場地⑦2層層面起伏較大，⑨1層層面稍有起伏。

場地地下水分為淺層孔隙潛水和承壓水。④2、⑤3t、⑤3-2層為微承壓水含水層，⑦2和⑨層為承壓含水層?？辈炱陂g測得④2層微承壓水水位埋深為2.85～3.00 m。⑤3t層微承壓水水位埋深為4.12～4.21 m。

場地土層主要物理力學參數見表1。

表1 土層主要物理力學性質參數表

2 基坑設計

2.1 基坑支護形式

本工程屬于超大規模地下空間開發，緊鄰地鐵車站，基坑周邊環境保護要求高，地質條件較差，根據上海市地方標準《基坑工程微變形控制技術標準》（DG/T J08-2364-2021），確定本工程基坑安全等級為特級，臨近地鐵側基坑環境保護等級為一級，其余側為二級。綜合考慮基坑場地條件和周邊環境等因素，并結合基坑自身特點，支護設計采用剛度大、安全性高的地下連續墻作為圍護結構，以保證基坑變形受控?？紤]到場地④2、⑤3t、⑤3-2層為微承壓水含水層，故地連墻設計長度需隔斷微承壓含水層，切斷承壓含水層的水平補給，減小坑外土體沉降變形。具體基坑設計采用地下連續墻+3 道鋼筋混凝土支撐的形式，基坑典型支護剖面見圖2。

圖2 基坑典型支護剖面（單位：mm）

2.2 基坑分區、分時設計及效果

（1）分區、分時設計

為減小基坑開挖施工對西側地鐵車站的不利影響，根據“時空效應”原理[8]，對基坑采用分區、分時施工，即根據軌道交通保護相關要求，將整個基坑由東向西分為A-D 五個區塊（見圖3）。遠地鐵側A、B 兩區塊基坑總面積將近10380 m2，結合本項目的施工進度要求，為了確保東側的超高層塔樓施工進度，同時考慮控制基坑變形，減少單次基坑開挖量，降低施工風險，于A、B 兩區塊間沿地鐵縱向增設封堵墻，將其分為兩個基坑?？紤]到地鐵目前為運營線，兼顧保護地鐵設施和實施工期的要求，鄰地鐵側區塊單獨劃出約20 m 寬窄條基坑C，并進一步將C 坑分為C1 和C2 兩個小基坑，以控制該兩個臨軌基坑面積不大于1000 m2。整個項目基坑施工順序為A→B→C1→C2→D，并要求當前基坑地下結構施工至±0.00 后，方可開挖下一工況基坑，以避免一次性大面積開挖引起的太大坑內土體回彈和隆起，進而對西側地鐵車站產生不利影響。

圖3 基坑分坑平面圖

本工程基坑邊線距離三側道路邊線均為3 m 左右，西側又緊鄰地鐵車站，整個場區施工空間狹小，采取分區施工，既滿足了施工空間要求，又減小了施工對周邊環境的影響，一定程度上也縮短了支撐與土方開挖施工的絕對工期。

（2）分區、分時效果

由于A 坑距離地鐵車站相對較遠，A 坑支撐布置采用角、對撐結合邊桁架的布置形式，并設置棧橋，以保證施工堆場及土方開挖的順利實施。B 坑距離地鐵車站相對較近，采用剛度更大的十字對撐的布置形式，以保證基坑變形可控。

通過對A、B 區不分區和分區工況下的圍護結構內力進行計算，驗證遠離地鐵側基坑分區的合理性，具體圍護結構內力計算見表2 和表3。

表2 A 區和B 區不分區時圍護結構內力計算結果

表3 A 區和B 區分區時圍護結構內力計算結果

根據計算結果對比，遠離地鐵側A、B 區的合理劃分更有利于控制基坑變形，既優化了圍護結構的受力，也避免了超長混凝土支撐的不利收縮變形。

2.3 相鄰基坑交叉工況設計

由于南側項目基坑與本項目基坑存在交叉施工情況，兩超大地下空間交叉開發施工，其地下土體受力機理及支護系統之間相互影響十分復雜。為了確保兩個基坑的安全，設計時應保證相鄰基坑的安全距離，加強相鄰側支護結構；相鄰基坑的支撐體系在豎向布置上基本一致，以確保兩側支撐水平力的一致性；加強相鄰側的各道支撐體系，本項目以正交支撐為主，以提升支撐體系的水平剛度。

施工時應避免相鄰基坑同時開挖的工況，即：本項目A 區基坑開挖與南側項目1 區基坑開挖可以同時施工；本項目A 區基坑開挖與南側項目2 區基坑開挖要錯開施工，挖深高差盡量控制在一層高度以內，本項目A 區B2 層頂板施工完成，南側項目2 區基坑方可開始開挖；南側項目2 區基坑底板施工完成，本項目B 區基坑方可開始開挖。頂板、底板的澆筑亦有利于兩個基坑的變形控制。

兩項目在施工過程中需加強統籌管理，密切溝通、協調，緊密合作，并加強監測數據信息互通，對施工質量和安全管理把控從嚴，確保雙方基坑安全。

2.4 臨地鐵站基坑設計

為減小地下連續墻施工對地鐵車站的影響[9]，于C 區基坑地連墻內外兩側槽壁采用水泥攪拌樁加固，兼做止水帷幕?？紤]本工程基坑開挖范圍內的地層大部分為流塑狀態的淤泥質粉質黏土或淤泥質土，為提高基坑被動區土體抗力，控制基坑開挖過程中及開挖以后圍護樁的變形，C 區基坑西側邊采用三軸水泥土攪拌樁裙邊加固。C 區基坑內部設置6 m 間距抽條加固，加固深度為坑底以下4 m?？拥滓陨喜捎萌跫庸痰男问?。D 區采用三軸水泥土攪拌樁按3 m 間距進行抽條加固，加固寬度為14.8 m，加固范圍為坑底以下5 m 至坑底以上3.15 m，兩道支撐之間采用弱加固形式。

C 區沿豎向設置1 道混凝土支撐+3道?800×20 mm 鋼支撐+水平換撐（?609×16 mm）。其中鋼支撐采用伺服系統，支撐軸力伺服系統24 小時工作，并及時根據基坑監測數據，自動調整鋼支撐軸力，將基坑變形嚴格控制在設計報警值之內，減少對地鐵、管線以及道路的影響。

另外，為更有效地控制基坑變形，于C 區坑底設置300 mm 厚C30 素混凝土墊層，墊層內設置H300×300×10×20 mm 型鋼支撐，每幅墻兩根，每根型鋼支撐預加軸力300 kN。臨地鐵側基坑支護剖面見圖4。

圖4 鄰地鐵側基坑支護剖面（單位：mm）

2.5 土方開挖

根據基坑的形狀、挖深和周邊環境要求，按照距離地鐵“先遠后近”分區開挖支撐施工，各區按照“分層、分區、盡早形成支撐或底板、留土護壁、盆式開挖”原則[10]指導開挖，明挖順作法施工。按設計場地移交次序（A 區→B 區→C1 區→C2 區→D 區）由東至西退挖施工。根據支撐布置形式，A、B 區基坑分塊從中心向四周開挖，C、D 區分塊間隔開挖?；覣、B 區豎向分4 層開挖，C1、C2 區豎向分5 層開挖，第1 層為大開挖，第2-5 層土為分塊盆式開挖。臨地鐵側基坑沿地鐵側留土寬度不少于4 倍的單層挖深，且最后挖除，單塊土體的開挖支撐總施工時間控制在24 h 以內，以控制圍護結構的位移和坑底回彈，在挖土完成7～10 d 內完成全部底板施工。

3 圍護結構監測數據對比

根據軌道相關部門要求，基坑施工前，需要對臨軌基坑開挖對軌道產生的影響進行安全性評估和預測。根據有限元分析理論[11-12]，對各施工工況下基坑及西側地鐵車站的變形進行了模擬分析（見圖5、圖6）。

圖5 基坑變形模擬分析

圖6 地鐵車站變形模擬分析

根據理論計算結果，基坑開挖各工況，支護結構最大變形滿足基坑安全和環境保護要求。根據有限元數值模擬分析結果，基坑開挖引起的地鐵結構最大水平位移為2.42 mm，最大豎向隆起為5.16 mm，均滿足地鐵結構的安全保護要求。

根據2022 年11 月22 日（D 區地下結構完成）地鐵監測數據（見圖7、圖8），地鐵車站內道床結構水平位移最大值為1.79 mm，最大沉降4.37 mm，均滿足地鐵結構的安全保護要求，表明針對地鐵車站所采取的保護措施取得了很好的效果。

圖7 道床水平位移累計曲線圖

圖8 道床沉降累計曲線圖

4 結論

（1）針對賦存多層地下水的軟土深基坑，選擇超深地下連續墻+內支撐支護，有效切斷了坑內外水力聯系，對控制基坑變形、保護周邊環境是有效的。

（2）針對緊鄰地鐵，為避免因基坑大面積開挖卸荷引發地鐵軌道上浮、基坑過大側向變形導致地鐵軌道產生過大側向變形，遵照基坑時空效應原理，基坑設計采取分區、分時施工，有效地降低了基坑施工對鄰近地鐵的不利影響。

（3）對近地鐵側分區基坑，采用水泥土攪拌樁對連續墻槽壁及坑內被動區進行加固，對控制基坑和地鐵變形起到了積極的作用。

（4）根據監測數據顯示，基坑開挖引起的地鐵車站內道床結構水平位移最大值為1.79 mm，最大沉降4.37 mm，滿足地鐵結構的安全保護要求，驗證了基坑設計方法和保護措施的有效性。