鄰近運營地鐵的深基坑開挖風(fēng)險及控制措施*

黃軍華，周志健，劉鑫坤，張士騰，石笑笑

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

0 引言

在地鐵上蓋建(構(gòu))筑物的深基坑土方開挖工程，導(dǎo)致鄰近地鐵周圍原狀土體變形，從而影響城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)。尤其是深基坑土方開挖過程中，存在多種潛在環(huán)境風(fēng)險因素，需準(zhǔn)確辨析識別深基坑土方開挖環(huán)境風(fēng)險，針對性地采取專項措施控制相關(guān)風(fēng)險?；娱_挖各工序、開挖時間、圍護(hù)形式、開挖深度等均對地鐵隧道變形有一定影響，通過分析各因素控制要點，確保深基坑施工和城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全，有重要意義。

在中穿軟土層基坑群、已正運營城市地鐵隧道的深基坑工程中，通過收集深基坑在土方開挖階段的各項指標(biāo)數(shù)據(jù)，闡述深基坑不同環(huán)境風(fēng)險因素對運營城市地鐵的影響程度，針對不同風(fēng)險因素采取專項應(yīng)對控制措施，分析施工過程中需重點把握的方向。

1 工程概況

1.1 項目概況

天閱海河項目位于天津市河北區(qū)地鐵6號線北運河站，占地面積10.91萬m2，總建筑面積43.595萬m2，由南北A，B街坊共6期地塊組成，包括住宅、酒店式公寓、地下車庫、寫字樓及相關(guān)附屬設(shè)施等。地下室及地上商業(yè)為框架結(jié)構(gòu)，地上主樓為剪力墻結(jié)構(gòu)。

1.2 中穿地鐵基坑群概況

天閱海河項目是通過城市連廊系統(tǒng)，將地鐵、商業(yè)、辦公、住宅無縫對接，在軟土地區(qū)與時速60km運營地鐵結(jié)建上蓋的站城一體化綜合體，第三方評估風(fēng)險等級為特級。運營地鐵中穿2A，2B，3A，3B期基坑群。其中地鐵西側(cè)2A，3A期為地下2層，深度11.8m；地鐵東側(cè)2B，3B期為地下3層，深度17.1m。地鐵車站主體為地下3層，長度為189m，盾構(gòu)區(qū)間為地下2層，長度為100m。

1.3 水文地質(zhì)條件

天閱海河項目地處富水軟土地區(qū)，上部主要為粉質(zhì)黏土和雜填土，影響基坑水層有潛水層和第一承壓水層，并且運營地鐵隧道區(qū)間處于第一承壓水層。經(jīng)勘測，水位埋深2.00～5.00m，相當(dāng)于標(biāo)高-0.740～1.440m，同時靜止水位埋深1.10～3.10m，相當(dāng)于標(biāo)高0.430～2.330m。

表層地下水屬潛水，主要由大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)形式排泄，水位隨季節(jié)有所變化，一般年變幅為0.50～1.00m。

1.4 周邊環(huán)境

項目位于河北區(qū)辛莊大街，東側(cè)為已施工完成的新建小區(qū)，南側(cè)為富堤路及京杭運河，西側(cè)為建筑物和富堤路，北側(cè)為待建的3A，3B期空地，在2A，2B期地下結(jié)構(gòu)完成后方可施工。2A，2B期工程距西南側(cè)既有建筑物最近約10m，距南側(cè)富堤路約5m，距北運河西側(cè)、南側(cè)約52m。本工程地下管線距深基坑較遠(yuǎn)，分布在第1，5期東側(cè)新建道路上。深基坑土方開挖對既有管線不產(chǎn)生影響。

1.5 地鐵、基坑變形控制指標(biāo)

1)地鐵變形主要控制指標(biāo)如表1所示。

表1 地鐵變形控制指標(biāo)

2)基坑變形控制指標(biāo)如表2所示。

表2 基坑變形控制指標(biāo)

2 基坑風(fēng)險分析

2.1 運營地鐵兩側(cè)同時開挖不同深度基坑

本工程2A，2B，3A，3B期橫跨地鐵6號線，第1，4期在地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)。地鐵兩側(cè)基坑高差5.3m，基坑不對稱開挖難度巨大，對深基坑變形控制和運營地鐵隧道區(qū)間變形控制要求極大。

2.2 降水工程易引起基坑、地鐵區(qū)間變形

項目南側(cè)及西側(cè)緊鄰北運河，開挖前要保證水位達(dá)到開挖要求并維持穩(wěn)定，如遇突變，需采取有效應(yīng)對措施。深基坑開挖范圍內(nèi)為淤泥質(zhì)土，開挖過程中，盾構(gòu)段兩側(cè)土體隆起及支護(hù)水平位移控制要求嚴(yán)格，因此對基坑降水要求較高，需對降水進(jìn)行專項設(shè)計，并做到按需降水、同期降水。

在富水軟土地區(qū)，運營地鐵結(jié)構(gòu)在周圍工程活動以及自身滲漏等條件下會產(chǎn)生明顯變形，給地鐵結(jié)構(gòu)使用功能和安全性能帶來不利影響。在地下水較高的地區(qū)進(jìn)行基坑開挖需采取降水措施保證基坑穩(wěn)定，大面積降水將引起周圍地面沉降，并導(dǎo)致鄰近地鐵結(jié)構(gòu)變形。基坑開挖期間受抽降地下水影響，水位下降引起鄰近地鐵隧道產(chǎn)生附加應(yīng)力，會引起地鐵發(fā)生沉降變形。在地鐵兩側(cè)同時施工基坑受不均衡降水影響，地鐵兩側(cè)產(chǎn)生水頭差，還會引起地鐵側(cè)向扭曲變形。

2.3 運營地鐵兩側(cè)深基坑位移控制難

基坑開挖卸荷影響土層原有應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致變形增大，繼而傳遞至鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)，引起地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形，過大的變形導(dǎo)致管片連接張開、錯臺、軌道翹曲變形，影響地鐵運營安全，進(jìn)而造成沉降差異。近地鐵施工期間，基坑與地鐵相對位置關(guān)系直接影響地鐵變形趨勢和大小，基坑距地鐵越近，隨土方開挖卸荷后地鐵變形越大、變形速率越靈敏，近地鐵基坑開挖卸荷對地鐵產(chǎn)生水平位移、豎向位移、隧道結(jié)構(gòu)收斂變形?；娱_挖期間，地鐵隧道位移變化規(guī)律取決于圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體變形發(fā)展，變形最大位移出現(xiàn)在基坑開挖面附近，基坑距地鐵越近，基坑開挖帶來的地鐵安全風(fēng)險越大。

2.4 深基坑外部結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量導(dǎo)致滲漏風(fēng)險

本項目外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)為止水帷幕與地下連續(xù)墻，止水帷幕施工存在垂直度把控不嚴(yán)格等情況，導(dǎo)致偏位嚴(yán)重，搭接存在質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致滲漏風(fēng)險；止水帷幕施工孔深把控不嚴(yán)格，出現(xiàn)深度不足情況，導(dǎo)致滲漏風(fēng)險；旋噴注漿過程中未達(dá)到設(shè)計壓力，提管速度過快，將導(dǎo)致成活質(zhì)量效果差，影響止水帷幕施工質(zhì)量，存在滲漏風(fēng)險。

地下連續(xù)墻施工過程中，如相鄰兩幅地下連續(xù)墻存在垂直度偏差，造成地下連續(xù)墻開叉，存在滲漏風(fēng)險；相鄰兩幅地下連續(xù)墻施工過程中，接口處未清刷干凈易導(dǎo)致接縫處滲漏；施工過程中極易出現(xiàn)塌孔、墻體夾泥渣等地下連續(xù)墻質(zhì)量通病，以上均將造成乃至加大深基坑滲漏風(fēng)險。

2.5 深基坑坑底突涌風(fēng)險

本項目2B期基坑開挖深度為17.1m，因地下基坑存在承壓水，當(dāng)承壓水水頭壓力大于不透水層承載壓力時，將導(dǎo)致坑底突涌。該風(fēng)險將破壞地基強(qiáng)度，給深基坑開挖造成極大困難。

2.6其他風(fēng)險因素

由于基坑施工時間長，支護(hù)結(jié)構(gòu)累計變形大，可能引起止水帷幕開裂、周邊道路變形、周邊管線變形等風(fēng)險。開挖過程中，抽降水造成基坑周邊減壓水頭變化，導(dǎo)致周邊環(huán)境沉降，使周邊管線發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致變形、爆裂事故；周邊構(gòu)造物出現(xiàn)不均勻沉降，亦導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂等病害。

3 基坑風(fēng)險控制措施

因運營地鐵兩側(cè)深基坑開挖存在風(fēng)險，同時近地鐵施工，在深基坑施工中采用如下控制措施：①通過BIM技術(shù)及三維有限元模擬技術(shù)，確定分倉施工和支護(hù)設(shè)計方案；②針對本工程特點進(jìn)行有限元模擬，分析區(qū)間隧道水平位移、車站主體水平位移、站體與隧道水平差異沉降、基坑周邊沉降和地鐵隆沉情況；③通過地鐵變形情況動態(tài)調(diào)整開挖步序，總結(jié)分析變形原因，土方整體采用島式開挖方式，豎向分層、平面分塊，按照分層、平衡、限時開挖原則，2道撐以下土體整體由遠(yuǎn)地鐵向近地鐵開挖，2A，2B期基坑第3步土方對稱平衡開挖完，2B期第4步土方由遠(yuǎn)及近開挖，預(yù)留12m寬被動反壓土，近地鐵區(qū)域采用抽條開挖；④設(shè)置動態(tài)水位控制井，作為第2道地鐵變形控制防線，當(dāng)發(fā)生隆沉?xí)r，在水頭高度上規(guī)避，基坑開挖卸荷引起地鐵結(jié)構(gòu)上浮，通過承壓水抽排平衡地鐵結(jié)構(gòu)上浮，結(jié)合疏干井和水位控制井，整體控制水頭高度，保證開挖降水深度，通過水頭高度耦合部分地鐵變形；⑤在地鐵變形控制中，采取地鐵區(qū)間反壓重物保證地鐵隆沉不超預(yù)警值，在2A，2B期基坑區(qū)間上方地鐵盾構(gòu)區(qū)間及站體位置，采用堆載土、堆載砂和型鋼相結(jié)合的方式進(jìn)行堆載反壓，堆載區(qū)域如圖1所示；⑥建立智能檢測系統(tǒng)；⑦做好地鐵風(fēng)險應(yīng)急預(yù)案，通過動態(tài)水位控制井及堆載反壓實施。

圖1 堆載反壓區(qū)域

3.1運營地鐵兩側(cè)深基坑位移控制措施

施工過程中，選用自動化監(jiān)測系統(tǒng)、測量機(jī)器人等進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，同時使用地鐵安全智能平臺及微信群每日監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)共享，預(yù)判關(guān)鍵風(fēng)險點，并采取控制方法。

深基坑開挖過程中的位移控制措施如下：①通過地鐵變形情況動態(tài)調(diào)整開挖步序，總結(jié)分析變形原因；②設(shè)置動態(tài)水位控制井，作為第2道地鐵變形控制防線，當(dāng)發(fā)生隆沉?xí)r，在水頭高度上進(jìn)行規(guī)避，動態(tài)調(diào)整坑內(nèi)外水頭高度控制坑內(nèi)外隆起，平衡地鐵沉降和隆起；③在地鐵變形控制中，使地鐵區(qū)間反壓重物保證地鐵隆沉不超預(yù)警值，并且動態(tài)調(diào)整坑內(nèi)外水頭高度，平衡地鐵沉降和隆起。同時在2B期采取高壓旋噴施工加強(qiáng)基坑底部整體性的方法，防止基坑底部隆起(見圖2)。

圖2 高壓旋噴抗浮區(qū)域平面

3.2 降水工程引發(fā)地鐵區(qū)間變形控制措施

降水工程施工前進(jìn)行充分的調(diào)研和試驗，以設(shè)計合理的降水方式。設(shè)置止水帷幕避免基坑外降水，同時設(shè)置回灌井系統(tǒng)保護(hù)鄰近地下水位。本項目以無壓回灌為主，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整回灌方式，回灌前設(shè)定初始回灌水頭，水頭低于初始水頭后啟動回灌，達(dá)到初始水頭或略高于初始水頭后，回灌自動停止(見圖3)。整個過程采用自動化控制裝置，只需人工定期巡視即可。2A期分別設(shè)置第1,2層承壓水回灌井，回灌井交叉布置，其中車站范圍間距10m，對應(yīng)隧道區(qū)域間距5m，2B期開挖深度較深，降水井深度進(jìn)入第一承壓水層，因此不設(shè)置第一承壓水層回灌井，考慮設(shè)置第二承壓水層回灌井，車站范圍間距15m，對應(yīng)隧道區(qū)域間距8m，在2A，2B期南側(cè)端頭按6m間距設(shè)置第一承壓水層回灌井?；毓嗑O(shè)置為鋼管井，自井底至地面回填優(yōu)質(zhì)石英砂等濾料，并用黏土封孔。回灌量為1.5～2.5m3/d，由于土方開挖卸荷量大，產(chǎn)生的隆起變形遠(yuǎn)大于抽降地下水產(chǎn)生的變形，在基坑分界處的地鐵結(jié)構(gòu)兩側(cè)產(chǎn)生較大差異變形，利用坑外設(shè)置的回灌井采用伺服一體化系統(tǒng)進(jìn)行加壓回灌，使坑外地鐵結(jié)構(gòu)在水壓力作用下少量上浮，以減小分界位置差異變形。

圖3 回灌系統(tǒng)流程

3.3 基坑滲漏風(fēng)險預(yù)控及應(yīng)急措施

深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中的質(zhì)量控制包括止水帷幕鉆孔施工定位準(zhǔn)確，鉆機(jī)位置準(zhǔn)確保證鉆孔垂直度，旋噴注漿過程中準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)速、提速及噴射壓力等，同時注漿完成后及時增補(bǔ)漿液，保證止水帷幕完整性。檢測范圍包括地下連續(xù)墻和支護(hù)樁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲漏情況，通過檢測，發(fā)現(xiàn)滲漏點較少，對滲漏位置進(jìn)行注漿堵漏，開挖后通過觀察觀測井的水位變化驗證相關(guān)情況。

地下連續(xù)墻施工過程中，應(yīng)注意地下連續(xù)墻導(dǎo)墻的準(zhǔn)確定位及開槽過程中的垂直度和泥漿密度，防止出現(xiàn)塌孔、墻體夾泥渣等情況，同時在相鄰兩幅地下連續(xù)墻施工過程中，注意接茬處的清刷，保證接茬處干凈，減少滲漏風(fēng)險。

1)止水帷幕滲漏檢測 對深基坑支護(hù)體系止水帷幕滲漏缺陷的檢測方法有電阻率法、示蹤劑法、降水井法、高密度電法、自然電場法、溫度示蹤法、超深三維成像技術(shù)等。本工程采取電阻率法檢測支護(hù)滲漏。

2)高壓旋噴封堵 根據(jù)檢測結(jié)果對滲漏部位采用高壓旋噴提前封堵，封堵合格后進(jìn)行土方開挖。

3)預(yù)埋注漿管 根據(jù)滲漏檢測結(jié)果，提前對潛在滲漏風(fēng)險部位預(yù)埋注漿管，以備出現(xiàn)險情及時啟用。

4)輕度滲漏可采用花管引流處理(見圖4)。

圖4 花管引流

5)滲漏較大時，坑內(nèi)灌注樁表面剔鑿出主筋，然后在樁間支設(shè)模板，并加焊鋼筋對模板利用水不漏將花管周邊封堵，將水有組織引出。坑外進(jìn)行雙液加固，直至坑內(nèi)導(dǎo)流管水流可控時關(guān)閉導(dǎo)流管閥門，注漿壓力控制值達(dá)到2MPa時，施工現(xiàn)場停止注漿，對滲漏點部位進(jìn)行查看，否則需要再補(bǔ)注。

6)嚴(yán)重滲漏時進(jìn)行坑內(nèi)導(dǎo)流、外側(cè)加固，若達(dá)不到封堵效果，應(yīng)及時采用坑內(nèi)素土進(jìn)行回填反壓，若仍不能阻止?jié)B流，則采取混凝土反壓措施直至控制滲漏。

3.4 基坑突涌風(fēng)險控制措施

1)預(yù)控措施 基坑底部與電梯井等較深區(qū)域，采用高壓旋噴樁對坑底進(jìn)行封底加固；保護(hù)減壓井，保持減壓井的完好性；降水電源進(jìn)行雙電源配置，保障降水延續(xù)性，防止斷電，在土方開挖過程中關(guān)注勘探孔附近情況，如出現(xiàn)突涌現(xiàn)象時，能及時判斷突涌原因，并采取準(zhǔn)確的應(yīng)急措施。

2)應(yīng)急措施 啟動減壓井降水，針對突涌部位，使用編織袋或麻袋裝土，四周碼砌并圍成井狀，同時使用反濾料進(jìn)行鋪填。必要時對土體突涌點采取局部高壓注漿補(bǔ)救措施，斷開管涌路線，快速對突涌部位進(jìn)行填土反壓，嚴(yán)重時可直接澆筑混凝土進(jìn)行反壓，壓住涌水處。

3.5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大

1)預(yù)控措施 支護(hù)體系變形過大可能導(dǎo)致止水帷幕開裂滲漏，擬采取如下措施控制基坑變形：①嚴(yán)格控制坑邊的影響荷載，以達(dá)到設(shè)計限載要求；②動態(tài)調(diào)整土方開挖工況及進(jìn)度，減少坑底隆起及支護(hù)變形；③針對外圍支護(hù)樁間土體，掛設(shè)鋼板網(wǎng)、噴射快速凝固的混凝土，以防止雨季期間的支護(hù)樁間土體流失；④土方開挖階段，可加快墊層混凝土施工速度，加厚墊層混凝土或在墊層加設(shè)一定配筋，以對基坑及時封底、支撐加固。

2)應(yīng)急措施 立即停止施工，分析數(shù)據(jù)是否有加大趨勢，及時采取坑外卸載、坑內(nèi)回填素土的方法，如不能有效控制變形，則采用混凝土填土反壓；啟動應(yīng)急預(yù)案，可臨時加設(shè)應(yīng)急支撐體系，以防止基坑變形和位移進(jìn)一步增大。

3.6 降水引起環(huán)境風(fēng)險控制措施

1)預(yù)控措施 本基坑承壓含水層的厚度較大，減壓降水方式對基坑周邊環(huán)境影響大，擬采用如下措施適當(dāng)減少不利影響：①減壓井降水時，應(yīng)根據(jù)土方開挖深度，將地下水位降至開挖面以下1m，并根據(jù)工程實際情況控制水頭高度，不能過度抽降；②加快施工進(jìn)度，縮短降水周期；③加強(qiáng)水位監(jiān)測，動態(tài)調(diào)整降水運營。

2)應(yīng)急措施 停止開挖、組織應(yīng)急搶險，分析原因、組織專家論證盡快確定加固處理方案。

4 結(jié)語

通過分析土方工程的深基坑風(fēng)險和應(yīng)急管控，針對深基坑變形等問題，采取相應(yīng)應(yīng)急措施，以確保土方和地下結(jié)構(gòu)順利施工。

1)經(jīng)過對地層注漿加固，增加土體強(qiáng)度、剛度和抗?jié)B性，滿足基坑工程要求。

2)設(shè)置水位控制井，動態(tài)調(diào)整水位高度，保持車站及隧道范圍承壓水水位穩(wěn)定不下降。

3)總結(jié)站城一體化綜合體施工成套技術(shù)，積累總承包管理經(jīng)驗。

4)采取對稱、分層、分塊、限時、抽條的土方開挖方式，一定程度上在深基坑土方工程、降水實施過程中，有效降低對城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形影響，嚴(yán)格控制運營地鐵兩側(cè)土方開挖對稱性和同時性，保證連續(xù)性施工，控制地鐵車站及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。