软土地区邻地铁深基坑土方开挖及监测分析

时间：2024-07-28

孙仲谋，卜世龙，徐航，常运华，吕玉宝，胡伟明

（1 中建宏达建筑有限公司，北京 100043；2 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）

0 引言

近些年，由于城市基础设施的逐渐成熟，深基坑工程对周边环境的保护要求越来越高，在邻近地铁等重要建筑物时的基坑开挖研究分析也逐渐得到学者和工程师的重视［1，2］。目前普遍采用的方法是分仓法，即将邻近地铁的一部分基坑延后开挖，开挖时采用钢管撑减少支撑形成时间，缩短地铁侧基坑的暴露时间以控制其变形，但应用分仓法施工，地库甚至主体塔楼、裙房不能一次完成施工，对结构成型质量以及施工进度会造成一定影响。本文以苏州市一未采用分仓法的邻地铁深基坑项目为例，介绍了该工程的支护设计以及分层分块、盆式开挖的土方开挖方案，结合监测数据对开挖过程中基坑变形情况进行了分析，得出了软土地区深基坑变形的规律特征，并基于其规律特征提出了设计及施工建议。

1 工程概况与土方开挖

1.1 工程概况

案例项目位于江苏省苏州市（以下简称“本工程”），包含 1 栋超高层建筑，内含 53 层的酒店公寓和 35 层的自持办公室，整体设有 4 层地下室。基坑面积约 6 900 m2，周长约 330 m。基础底板面标高约为 -18.600，裙楼区域底板厚度为 800 mm，承台厚 1 400 mm；塔楼区域底板厚度为 3 000 mm、3 200 mm，承台厚 3 000 mm、3 600 mm，考虑垫层厚 200 mm，基坑挖深为 19.2～21.6 m。场地内土层情况如表1 所示，图1 为对应的场内典型地质剖面图。

图1 典型地质剖面图

表1 土层物理力学参数

基坑南侧邻近地铁车站，地铁车站本体结构与本工程地下室外墙的距离约 8.0 m，地铁车站顶埋深约2.9 m，底埋深约 15.5 m，底板厚度 900 mm。地铁车站为两层三～四跨箱形结构，基坑西南侧邻近地铁 1 号线车站 3 号风井，风井结构为钢筋混凝土箱形结构，风井埋深约 8.95 m，距离本工程地下室外墙的最近距离为5.9 m。地铁车站是本工程基坑开挖阶段需重点保护的对象之一。

根据周边环境、基坑挖深和地质情况，本工程基坑侧壁安全等级为一级，设计地铁侧（西南侧、南侧）变形控制值为±35 mm，非地铁测（西北侧、北侧、东侧）变形控制值为±50 mm。设计采用地下连续墙与五道钢筋混凝土内支撑组合支护型式，地铁侧增设三轴搅拌桩进行坑内加固，车站周边设置的地下连续墙厚 800 mm，墙底相对标高为 -30.444，风井结构围护采用 SMW 工法桩，SWM 工法桩采用φ850@600 三轴搅拌桩内插型钢。本工程基坑支护包括的主要施工为：隔离桩、地下连续墙、三轴水泥搅拌桩、灌注桩、高压旋喷桩、RJP 超高压喷射注浆、MJS 超高压喷射注浆及钢筋混凝土支撑。

1.2 土方开挖方案

由于本工程自身功能要求及现场基坑情况，不具备基坑分仓施工条件，因此合适的土方开挖方案对控制基坑变形尤为重要。盆式开挖是常用的用来控制基坑变形的开挖方式，一般而言，预留土体坡肩宽度 10 m 以上将有效抑制基坑变形［3］。本工程采用分层分块、盆式开挖，随挖随撑的土方开挖及支护施工方案，地铁侧地连墙暴露时间控制在 24 h 以内，其余侧地连墙暴露时间控制在 48 h 以内，以最大限度地减小基坑变形。

本工程首层土方开挖深度较浅，对基坑变形影响小，采用盆式开挖、分块开挖的方式，将基坑分为 5 个大区、9 个小区进行开挖，分区如图2 所示，开挖顺序为①→②→③→④→⑤。

图2 首层土方开挖顺序

第 2～5 层土方开挖，为确保基坑边界地连墙暴露时间满足要求，尽快在开挖位置形成对撑，在盆式开挖、分块开挖的基础上结合支撑位置，细化开挖分块为 10 个大区，17 个小区，且每个临近基坑边缘的区块留置宽度控制在 10 m 以上，如图3 所示，开挖顺序为①→②→③→ ④-1→④-2→⑤→⑥→⑦→⑧→⑨→⑩。

图3 第 2～5 层土方开挖顺序

首层土开挖及栈桥施工于 2020 年 12 月 15 日完成，栈桥养护 7 d 确保栈桥强度达到要求后进行第 2 层作业，支护采用随挖随支的施工方式，最后一段支撑采用高两个标号的早强混凝土以缩短整体的养护时间。本工程土方开挖及对应基坑支护进度如表2 所示。

表2 土方开挖及支护施工进度

2 基坑变形实测分析

2.1 特征点位实测数据

基坑变形监测是确保基坑安全的重要手段，监测数据可用于分析基坑侧壁稳定情况，其中变形速率及变形位移量是安全控制的重要指标。图4、图5 为本工程南北两侧位于中心的监测点实测数据，对应的各工况下南北两基坑侧壁南北向变形最大值实测数据如表3 所示。

图4 基坑北侧中心实测位移量

图5 基坑南侧中心实测位移量

表3 各工况下基坑侧壁南北向位移最大值实测数据

2.2 实测数据分析

对比南北两侧变形最大值及变形最大值位置可以看出，随着基坑开挖，最大水平位移出现位置逐渐下降，最终稳定在 15 m 左右（见图6），占当前开挖深度的 76.53 %，这项数据在华东地区深基坑中普遍为59%～112 %［4］，76.53 % 在合理范围内，但相较平均值89 % 有所偏小，这主要是因为本基坑 15 m 以下土层以黏土及粉质黏土为主，土质较好，土体本身黏聚力较大，为该位置地连墙相对稳定提供了条件。而北侧变形值较南侧变形值大，这一方面是由于南侧地铁结构外围自身的围护结构相较于自然土体更加稳定，另一方面是因为支护设计方案更偏向于地铁侧保护，在基坑南侧增加了三轴搅拌桩，增强了土体稳定性。由此可以看出对土体本身进行加固，尤其是对土质较差的土层进行加固，对基坑变形控制有着重要意义。

图6 南北监测点最大水平位移出现位置

当完成第 5 层土方开挖后，从实测数据均可以看出基坑变形已接近警戒值，考虑到后续筏板施工、地下室施工阶段基坑侧壁仍会持续产生位移变形，本工程基坑侧壁变形突破设计要求的可能性极大。最终的实测结果也证实了这一点，南侧地连墙水平位移最终达到55.49 mm，北侧地连墙水平位移最终达到 64.66 mm，南北两测基坑开挖阶段产生的变形量分别占其总变形量的 61.25 % 和 66.08 %。

基坑南北两侧地连墙最终侧向变形量分别为开挖深度的 0.26 % 及 0.30 %。这项数据在华东地区深基坑中普遍在 0.1 %～1 %，平均数据值为 0.42 %［5］。这说明本基坑地连墙变形值虽然突破了设计设置的警戒值，但在华东地区深基坑中仍处在一个较低的区间，这说明本工程支护设计是偏向谨慎的，分层分块、盆式开挖的土方开挖方案能够较好地控制基坑侧壁变形。结合基坑变形速率较为稳定这一情况以及周边环境的监测结果，可以判定基坑整体仍然处在一个比较安全的状态，但须增加监测频率，根据监测情况实时判断基坑情况，并尽快完成地下室施工。