紧邻地铁枢纽超深基坑施工风险控制技术

1概述

上海世纪大都会2-3项目位于世纪大道与东方路、张杨路至福山路相交区域的三角形地带，规划建成一个集商务、商业和公共开放空间等功能的大型活动中心，占地面积近40000m2。拟建地面建筑物主要由多幢弧线形办公楼和裙楼组成，地下空间按地下4层（局部3层）考虑，分别为商场和车库，开挖深19.75～22.80m（局部区域25.00m）。周边情况复杂，4条轨交线与此交汇。轨道交通6号线相交区间以地下1层的高度穿越地块，其周边平面如图1所示。
拟建场地位于正常地层分布区，地基土分布较稳定，其土层缺失上海市统编地层第⑧层土，第⑦层砂土与第⑨层砂土直接相接。本场地深部第⑦层属上海地区第一承压含水层，其承压水位埋深一般在3～11m，承压水位呈周期性变化，随季节、气候、潮汐等因素变化。地质勘察期间测得承压水水位埋深为8.90～10.75m，在施工过程中需要对承压水进行降压处理。


2工程施工风险分析
（a）基坑工程的开挖方案对工程本身影响很大，该影响反映在基坑工程本身的变形和对周边环境的扰动。因此选择一个合理的开挖方案对于一个基坑工程是否能顺利进行来说起到先决作用。
（b）监测数据能最直接地反映基坑工程中的动态信息，因此要做好基坑工程的动态风险管理离不开监测数据的处理。经过将监测数据的有效处理，得到基坑工程的风险变化趋势以及针对风险的控制方法。
（c）深大基坑承压水降水风险分析，总结了基坑承压水危害的主要形式是坑底突涌破坏和坑底隆起，包括坑底顶裂、坑底流砂、坑底“沸腾”等多种形式。采用风险评估的方法分析紧邻高层建筑与地铁枢纽的承压水降水运行风险源，并提出承压水降水风险源的控制方法。
（d）针对紧邻地铁隧道深基坑开挖问题，进行深基坑工程的现场实测分析，本基坑工程按一级基坑的变形控制要求进行现场监测，主要针对地下连续墙沉降和水平位移、坑底隆起以及立柱沉降等监测数据进行分析。
3深基坑方案的选取
本工程采用明挖顺作法施工。根据上海地区已有的紧邻地铁枢纽深基坑的开挖经验，为减少紧邻地铁位置的基坑施工影响和增加支撑刚度对地铁隧道的保护作用，设计时通常将整个基坑分为紧邻地铁隧道的小基坑和稍远的大基坑。本工程以轨交6号线为界，整个基坑划分为A区和B区。在2个区域中，通过设置分隔墙将本工程分为A1、B1区2个大基坑，以及沿轨交6号线两侧及轨交4号线北侧大致对称的A2～A8、B2～B9区共15个小基坑。
3.1深基坑围护支撑方案
本工程结构围护均采用刚度大、强度高、抗渗性能好的地下连续墙，并与后期制作的结构内衬墙一起共同形成永久结构的外墙。
大基坑沿张杨路和福山路侧地下连续墙厚1.2m，深度为50m；大基坑剩余外围地下连续墙厚1.0m，深度为50m；小基坑隔墙为厚0.8m地下连续墙，深度为36m。
大基坑基坑平面内采用整体对撑的形式，在第1道支撑上设置了多条混凝土栈桥以方便挖土和地下室结构施工，竖向共设5道钢筋混凝土支撑；小基坑A2～A4、B2～B4布置5道支撑，第1道为钢筋混凝土支撑，其他4道支撑采用Φ609mm钢管支撑，其一端作用于大基坑分隔墙，另一端作用于6号线地下连续墙。
3.2土方开挖方案
经过比选，从基坑安全性、围护变形控制要求、对轨交运营的影响程度等方面综合考虑，决定先开挖大基坑并浇筑完大基坑的结构楼板，再开挖紧邻地铁隧道的小基坑。小基坑的基坑划分及开挖采用间隔跳仓的施工顺序，如图2所示。
3.3降水方案的选择
对于坑内浅层潜水，采用真空深井降水措施，对坑内浅层土体进行疏干降水。对坑内开挖深度以下的承压水进行“按需减压”降水，保证基坑安全及施工顺利进行。在基坑内、外布置水位观测井，根据地下水位监测结果指导降水运行。


开挖过程中，确保减压降水井的不间断工作。根据减压井抽水量及减压观测井的承压水位，确定开启的减压井数量、抽水速率，合理控制承压水水位，将减压降水对环境的影响控制到最低程度。考虑回灌措施，主要在小坑内布置回灌井兼作抽水井或观测井，在大基坑开挖降水过程中，回灌井启动，在大基坑降水完毕后，小基坑内的回灌井作为降水井或水位观测井使用。
3.4针对地铁隧道保护要求的土体加固措施
本工程大基坑采用高压旋喷桩周边裙边加固，其中沿张杨路、福山路两边加固宽度为8m，其余四边加固宽度为10m。
本工程小基坑为裙边加抽条旋喷加固，其中沿轨交6号线区间两侧裙边加固为宽10m，沿4号线世纪大道站—浦电路站盾构区间隧道裙边加固为宽8～10m，并在裙边加固与大基坑隔墙之间设置抽条加固。
针对6号线两侧小基坑，特别采取了三轴搅拌桩补充加固，由6号线老地下连续墙从内向外依次为深36m三轴搅拌桩加固+深50m三轴搅拌桩止水+深24m三轴搅拌桩加固。
4深基坑支护与开挖施工风险控制
4.1大基坑土方开挖施工风险控制
大基坑分5层土、4～6个工作面同时开挖，以第2～5道支撑底部标高为每层土开挖分界线，分别为－1.3m、－6.3m、－11.1m、－15.4m、－19m，另外塔楼深坑局部开挖至－21m。
（a）基坑开挖、支撑及垫层施工时应遵循“分层、分块、留土护壁、对称、限时、开挖支撑”的总原则进行，利用时空效应原理，尽量减少基坑无支撑的暴露时间，严格控制基坑变形。
（b）将A1、B1区基坑划分为若干小块。每个分块内由中部向地下连续墙侧留护坡退挖，每层深度不大于2.5m。
（c）相邻分区内挖土及形成底部垫层交错进行，以避免大体量基坑卸载引坑底隆起，导致立柱桩的差异沉降，进而影响支护体系的稳定性；同时，也避免引起坑外过大土体变形。
（d）严禁超挖，坑底应保留厚300mm基土，采用人工挖除整平，并防止坑底土扰动。
（e）土方采用盆式开挖（基坑周边留土、中部盆式）的方式挖至相应的支撑底标高，先施工中部的对撑，再分块抽条开挖基坑周边土方。
（f）支撑根据挖土分区及时分段形成，每段长度不宜大于30m，以免混凝土支撑过长引起收缩变形和徐变。
4.2小基坑土方开挖施工风险控制
（a）小基坑开挖时分先期和后期2次进行施工，采用间隔、对称的方式进行施工。先期同时对称均衡开挖A3及B3区、A5及B5区、A7及B7区及B9区，然后再同时对称均衡开挖A2及B2区、A4及B4区、A6及B6区、A8及B8区；考虑到B9区相对独立且支撑体系为混凝土支撑，工期较长，因此安排在与B3、B5区同步开挖；在A5及B5区施工完毕后再对称均衡开挖A7及B7区。
（b）所有小基坑在地铁隧道侧是利用原隧道施工的地下连续墙作为本工程的围护墙，为此，在小坑土方开挖过程中必须保证隧道原有的围护墙的变形控制在允许的范围内。小基坑支撑除第1道为混凝土撑外，其余各道撑全部采用Φ609mm钢管支撑，其一端作用于大基坑分隔墙，另一端作用于轨交6号线地下连续墙。针对钢支撑在施工过程中支撑轴力衰减可能引起地下连续墙的变形超标，本工程采用了具有自主知识产权和专利的“支撑轴力自动补偿系统”，确保了在小基坑土方开挖过程中，所有的钢支撑轴力均控制在设计轴力。
4.3降承压水施工风险控制
对于减压井，为减少降水对周围环境的影响，必须按需降水，水位控制严格按照基坑稳定性分析中的基坑开挖深度和承压安全水位埋深曲线进行。基坑开挖深度与安全承压水位埋深之间的关系如图3所示。


4.4施工现场监测控制
（a）围护墙体竖向变形。在大基坑B1区域开挖过程中，其周围的围护结构各测点总体呈上浮趋势，每开挖1层产生的上浮量约为1～2mm；开挖至底层时，各测点墙顶的最大上浮量多为5～8mm。在隔了一个小基坑（约为宽20m）的外围墙体各测点变形则明显不同，在开挖第2层土体后墙体沉降约为3～6mm，以后随着B1区域的开挖又呈现略微的上浮趋势，但总体仍表现为墙体下沉。
（b）围护墙体水平变形。在大基坑B1区域开挖过程中，其周围的围护结构产生向基坑内侧的水平位移，每开挖1层向坑内变形约5mm；开挖至底层时，各测点墙顶的最大水平位移多为25～35mm。在隔了一个小基坑（约为宽20m）的外围墙体各测点尽管水平位移方向仍然是向坑内发生的，但其水平位移量值明显要小得多，开挖至底层时，各测点墙顶的最大水平位移多为1～3mm。
（c）地铁隧道区间竖向变形。本工程的观测结果表明邻近深基坑开挖引起地铁隧道总体呈上浮趋势。
（d）实测表明，邻近深基坑开挖引起地铁隧道总体呈上浮趋势，地铁隧道的变形仍在规范允许范围之内，紧邻地铁隧道的连续墙水平位移较小，满足风险控制的要求。
5结语
目前，上海“世纪大都会”2-3项目已经完成地下部分施工。实践表明，在轨交沿线和轨交枢纽附近复杂的地理环境下，超深基坑施工过程中各阶段都存在较大的风险。施工各方必须对风险进行分析和识别，制定风险控制措施和对策，并且基于风险分析和识别成果，针对主要风险事故，优化和完善监测方案，对监测结果进行及时分析，指导现场安全有序的进行施工风险控制。这样的风险控制技术有利于施工安全，有广阔的应用价值。