臨近地鐵深基坑支護優化設計實踐分析

錢嘉，芮凱軍

(1.無錫市惠山區安信檢測服務有限公司，江蘇 無錫 214000；2.無錫市建筑設計研究院有限責任公司，江蘇 無錫 214000)

0 前言

地鐵作為城市交通生命線，在城市的日常運轉中發揮著重要的作用，地鐵工程的安全問題社會影響面廣，關系重大。近年來隨著經濟的快速發展，城市建設日新月異，臨近地鐵線路開挖深基坑的案例越來越多。多年來的研究以及工程實踐表明臨坑地鐵的變形主要由周邊基坑的坑底隆起以及支護結構的側向位移引起，同時也與地下水位的變化緊密聯系。因此臨近地鐵深基坑支護的重點在于對基坑坑底隆起、支護結構側向位移以及地下水位的有效控制。

在臨近地鐵側開挖深基坑，由于地鐵保護線的約束，錨索的使用受到嚴格的限制，樁撐體系幾乎成了唯一可選的支護形式。樁撐支護體系從安全性角度來看具有足夠的可靠度，是如今最為常見的支護體系之一。但從經濟性角度來看，樁撐體系造價偏高；從施工便捷性角度來看，因為支撐體系位于基坑內部，會影響到土方開挖及地庫結構的施工，如基坑內部存在多道支撐則在基坑開挖過程中需考慮支撐的施工、拆換撐等工況，嚴重影響項目的施工進度。因此，對臨近地鐵的深基坑支護進行優化設計，在保證地鐵安全性的前提下，盡可能減少支撐體系對施工造成的不便，節約支護造價，創造更高的經濟效益值得探討。

本文以無錫某臨近地鐵的深基坑支護成功實踐為例，探討了兩層地下室，采用樁+一道混凝土支撐支護，通過加大樁徑、地鐵側分區開挖施工等一系列措施彌補支撐到基坑底的凈支護高度較大問題的可行性。與常規樁+兩道支撐方案相比不僅節省了成本也大幅加快了項目施工進度，可為以后類似情況下基坑支護設計與施工提供有益參考。

1 項目概況

無錫某新建地下停車場位于中心城區，擬建二層地下停車庫及地面附屬設施，建成后可提供321 個停車位緩解周邊停車壓力。該基坑南北長約78m，東西寬約71m，基坑面積約6100m2，開挖深度約8.85～9.85m。

本基坑東北側為無錫地鐵三號線太湖花園站～黃山路站區間，該區間為雙線盾構區間，地鐵軌面標高在-19.4～-20.3m(自南向北)，隧道頂部埋深在14.5～15.4m。盾構隧道外徑6.2m，管片厚度0.35m，C50 混凝土，盾構管片環向共為6 塊，每環縱向寬度為1.2m，環向分塊及縱向之間通過高強螺栓連接。地鐵隧道與基坑基本平行分布，圍護結構距離地鐵區間隧道外輪廓最小凈距為12.2m。

圖1 基坑工程與地鐵隧道關系圖

2 工程地質與地下水概況

基坑場地位于無錫市中心城區，擬建場地地貌形態屬長江中下游沖湖積平原。在勘探深度內為第四紀沖積層，屬長江中下游沖積層，基坑地層自上而下分布為①雜填土、②1 粉質黏土、③2 粉質黏土夾粉土、④1 粉土～粉砂、⑤2 粉質黏土、⑥1 粉質黏土～黏土、⑦2 粉質黏土、⑧1粉質黏土、⑨2粉土～粉砂、⑩3粉質黏土。為無錫地區典型土層，基坑開挖影響范圍內的主要土層物理力學參數表如表1 所示，典型地質剖面如圖2 所示。

表1 主要土層物理力學參數

圖2 擬建場地典型工程地質剖面圖

本場地地下水對基坑開挖存在影響的主要是＜1＞雜填土層中的潛水，＜2-2＞層粉質黏土夾粉土層及＜3-1＞粉土～粉砂層中的微承壓水。

①上部＜1＞雜填土層中的潛水，主要接受大氣降水及地表滲漏補給，其水位隨季節、氣候變化而上下浮動，正常年變幅在0.50m 左右。水面標高在2.75～3.00m 左右。近3～5 年該上層滯水～潛水最高地下水位在3.10m左右。

②中部＜2-2＞層粉質黏土夾粉土層及＜3-1＞粉土～粉砂層中的微承壓水，補給來源主要為橫向補給及上部少量越流補給。水位標高在0.00～-0.23m。

3 基坑支護方案分析

3.1 基坑支護重難點分析

本基坑支護具有如下難點。

①基坑沿地鐵一側長度近80m，開挖深度9.85m，開挖后空間效應明顯。

②基坑沿地鐵一側距離地鐵隧道較近，圍護結構與地鐵區間隧道外輪廓最小凈距僅12.2m。

③基坑側壁中下部為粉土粉砂層，含水量非常豐富，易發生流砂，對基坑及地鐵安全不利。

④基坑周邊場地較為緊張，缺乏施工場地，出土及材料運輸困難。

⑤本項目工期安排較緊，支護體系需盡可能減少對出土及地庫施工的影響，滿足進度計劃。

3.2 基坑支護體系選擇

臨近地鐵基坑支護設計的關鍵在于支護樁的側向位移以及坑底的隆起，因為工程實踐表明這兩點是引起地鐵隧道及其附屬設施產生變形的主要原因。同時，基坑外部地下水位的變化也與地鐵的變形有著密切聯系。

結合場地地質情況及本項目自身特點，基坑采用鉆孔灌注樁+混凝土支撐支護，根據無錫地區類似土層情況及深基坑支護工程經驗，常規做法為如下支護組合，一是樁頂卸土放坡+一道混凝土支撐支護，二是樁頂直接做到地面+兩道混凝土支撐支護?？紤]本項目自身場地情況，不存在樁頂卸土放坡條件，樁頂需做到自然地面。但采用兩道混凝土支撐支護無疑將增加支護成本，同時基坑施工過程中需增加二道撐施工及拆除工況，拖慢項目施工進度，難以滿足本項目施工進度計劃。而采用支護樁到頂+一道支撐支護，支撐的位置有兩個選擇，一是支撐位于樁頂位置，這樣有利于約束樁頂位移，但支撐到基坑底的支護高度增加，凈距達到8.45m，這樣容易造成支護樁彎矩增大，產生鼓肚效應；二是支撐做到圍護樁腰部位置，這樣可以有效降低支護高度，但對于樁頂位移約束不利。為了選擇合適支護樁與支撐的組合，對上述幾種情況分別進行試算，分析各種工況下基坑圍護樁的側向變形情況，計算結果如表2所示。

表2 圍護樁與支撐工況組合試算結果

從表2 可以看出常規的圍護樁+兩道支撐能夠有效控制圍護樁側向變形，達到地鐵關于圍護樁側向變形的控制要求。圍護樁+一道支撐方案，從計算結果來看，支撐設置于腰部位置對變形控制效果明顯要好于支撐設置于樁頂部位，主要是由于支撐設置于樁頂部位，支護高度增加，支撐底面至基坑底凈距達到8.45m，圍護樁側壁產生鼓肚效應。圍護樁+一道支撐方案雖然側向變形較圍護樁+兩道支撐大，但通過加大圍護樁樁徑的手段也能達到控制側向變形的目的，同時隨著支護樁樁徑的加大，支撐設置于頂部與腰部的變形差異也明顯減小。

考慮本項目場地較為緊張，將支撐設置于樁頂，在起到支護作用的同時也可以設置施工棧橋解決施工場地緊張的問題。雖然支撐設置于頂部存在明顯的圍護樁鼓肚效應，可通過加大樁間距來減弱這種不利影響，從整體來看對整個項目的順利實施是利大于弊的。

3.3 地下水處理

地下水問題的處理是基坑支護成功與否的關鍵，同時地下水的變化也與地鐵的變形有著密切聯系。本項目基坑側壁中下部進入了＜3-1＞粉土～粉砂層，根據無錫地區工程經驗，該層土含水量非常豐富，易發生流砂，處理不當將嚴重威脅基坑以及地鐵安全。本項目綜合分析考慮項目土層情況以及無錫地區工程經驗，四周采用三軸攪拌樁封閉止水，坑內采用管井疏干降水，同時為確保地鐵側安全，于樁間增加一道高壓旋噴樁止水。實際開挖結果顯示，基坑開挖及施工階段雖處于無錫地區雨季，但未發生流沙等險情，止水措施取得了較好的效果。

4 基坑變形控制措施

研究表明基坑支護結構具有明顯的時空效應，本項目基坑沿地鐵一側長度近80m，為了盡可能減少地鐵側基坑開挖施工持續時間，從有利于地鐵保護的角度出發要求基坑土方開挖及地庫施工分區進行，共劃分三個區域，地鐵側80m 范圍基坑劃分為平行的一區、二區，遠離地鐵側劃分為三區，如圖3 所示?；娱_挖及施工順序如下：

圖3 基坑工程施工分區圖

①開挖至地下室負一層；

②一區二區負二層土方保留，三區土方開挖至負二層；

③回筑三區地下室；

④開挖一區土方并回筑一區地下室；

⑤開挖二區土方并回筑二區地下室。

5 基坑開挖實測分析

本基坑從3 月中旬土方開挖到7 月中旬大部分地庫結構封頂，歷時4 個月。橫跨了無錫地區雨水最多的梅雨季節，但整個過程總體順利，未發生重大險情也未發現基坑側壁明顯滲漏情況，支護結構變形均在設計要求范圍內，基坑安全可控，西側開挖到底現場如圖4所示。

圖4 基坑施工實況

支護樁施工時同步埋設樁身測斜孔，基坑開挖到底實測深層位移曲線如圖5所示。

圖5 樁身水平位移實測曲線

由圖5 可以看出，開挖到底支護樁最大水平位移為13.21mm，小于0.15%的變形控制要求，滿足設計要求。另外從三區開挖到底與一區開挖到底圍護樁深層位移曲線可知，分塊施工地鐵側留土對圍護樁側向位移有著較好的約束作用，留土的存在使得最大側向水平位移減小了61%，與整體開挖施工相比使得側向水平位移達到最大值推遲了1 個月，盡可能地減輕了基坑開挖對地鐵線路的影響。

同時為了監控基坑開挖期間基坑坑底隆起情況，在坑內設置兩排6 個坑底隆起觀測點，實測數據如圖6所示。

圖6 坑底隆起實測曲線

由圖6 可以看出，基坑底最大隆起為6.42mm，滿足規范要求。另外坑底隆起位移曲線在初期存在沉降現象，推測原因為坑底位于粉土粉砂層，基坑降水導致坑底短時間內產生沉降。

6 結論

①本項目采用樁+一道支撐支護，與常規樁+兩道支撐的方案相比大大節省了支護成本，同時也加快了項目施工進度，將支撐設于樁頂位置并設置T 型施工棧橋，解決了施工場地不足的問題，在安全性、經濟性、施工便捷性三個方面取得了平衡。

②由于采用樁+一道支撐支護，對項目的分析也發現當支撐到基坑底的凈支護高度較大時易發生鼓肚情況，對于圍護結構的側向位移控制不利，此時應通過增大樁徑等措施來控制變形。

③基坑結構具有明顯的時空效應，基坑分塊施工有助于控制圍護結構側向位移，對于地鐵的保護有利。