软土地区邻近轨道交通设施的基坑支护技术应用与分析

杨 岚

上海城建置业发展有限公司 上海 200030

0 引言

作为一种新兴交通方式，以地铁、轻轨为代表的城市轨道交通系统由于其快捷舒适、客运量大、能耗小、污染少、安全性能高等突出优点，在我国大中城市的建设过程中得到了广泛的应用[1]。轨道交通网络的高度可达性，使得它能够吸引各种生活、商务、商业、文化、娱乐等设施向轨交站点周围集中，刺激站点周围土地的高密度开发，繁荣轨道交通沿线的经济[2]。轨交的建设在改变着公众出行和生活方式的同时，也带动了轨交沿线土地的商业价值的提升，因此，近年来出现了大量紧邻轨交的工程项目[3]。

与此同时，轨交作为城市交通系统的生命线，其重要作用不言而喻，在轨交旁进行基坑工程建设不仅要保证基坑本身的安全，更需要严格控制基坑变形以减小基坑开挖对轨交的影响[4]。以上海为代表的软土地区，浅部常分布有深厚的暗浜土及淤泥质黏土等不良地质条件，该地层条件下的轨交区间轨道受周边基坑开挖过程的影响更为显著[5]。以上两点原因使得软土地区邻近轨交的基坑工程设计和施工难度大大增加。

上海市徐汇区漕河泾社区196地块基坑工程项目紧邻上海轨交3号线高架段与地面段过渡区间，该区间地面段轨道基础形式较差，且基础底部分布有深厚的暗浜土，轨道变形对邻近工程施工极为敏感。为保证基坑实施期间轨交3号线的运营安全，本工程采用了“分区顺作”的总体实施方案，在此基础上综合采用复合式地下连续墙、大刚度的“十字对撑”混凝土支撑体系、坑内被动区裙边加固，以及结合“时空效应”的土方开挖方式等技术手段，严格控制基坑开挖中邻近轨交的变形。最后采用数值分析的方法进一步模拟分析了基坑开挖对轨交轨道的影响。

1 工程简介

1.1 工程概况

上海市徐汇区漕河泾社区196e-06，196f-08地块项目位于上海市徐汇区石龙路以北，武宣路以西（图1），项目整体分为南北2个地块，均设2层地下室。其中北地块基坑面积约为11 400 m2，开挖深度约10.1 m；南地块基坑面积约为5 500 m2，开挖深度约10.2 m。

图1 基坑环境平面

本工程场地周边环境较为复杂：北地块西北侧邻近某在建高层住宅小区，东南侧邻近石龙支路；南地块西侧邻近220 kV变电站，东侧和南侧分别邻近武宣路和石龙路。上海轨交3号区间轨道从本工程的2个地块之间穿过，是本基坑工程最为重要的保护对象。

1.2 工程地质概况

场地处于长江三角洲滨海平原。基坑挖深范围内土层主要为软塑-流塑状态的黏性土，土层从上至下依次为：①杂填土、②1粉质黏土、③淤泥质粉质黏土、④淤泥质黏土、⑤1-1粉质黏土、⑤1-2粉质黏土夹粉性土。浅部普遍分布有厚3～5 m的杂填土，土质不均，结构松散。基坑开挖深度范围内均匀分布有③、④层土，具有孔隙比大、含水量高、灵敏度高、强度低、压缩性高等不良特性，同时具有蠕变性和流变性特点。

场地地下水由潜水和承压水组成，地下水补给来源主要为大气降水和地表径流。浅部地下水属潜水类型，水位埋深一般在0.3～1.5 m。地内⑦层分布有微承压水，承压水水位埋深3.0～12.0 m。⑦层面埋深最浅36.5 m，本工程基坑挖深约10.20 m，计算其抗突涌稳定性系数为1.4 ＞1.05，满足相关规范要求。该层微承压水头不会对基坑底板造成突涌影响。

2 轨交线路概况

2.1 基坑与轨交位置关系

本工程场地位于轨交3号线高架和地面段的过渡位置，东北侧为高架，高架基础形式为桩基础，西南侧为地面段轨道，地面段基础形式为碎石道床基础。北地块基坑与高架段轨道距离约43 m，与地面轨道最近距离为42.3 m，南地块基坑与地面轨道最近距离为27.7 m。

2.2 轨交3号线轨道沉降及整修情况

轨交3号线于2000年12月投入运营。邻近本工程段地面轨道最初采用混凝土整体道床基础，基础底部分布有暗浜，虽然施工期间对其基础进行了地基加固，但由于加固深度仅为10 m（桩底基本位于④层土中），在施工结束时，地面段整体道床已发生沉降，最大沉降超过6 cm，当时采取“垫高铁垫板和采用特殊加长加粗的螺栓”的方式来解决沉降问题，但整个扣件系统是非常规的。

从2003年该段轻轨轨道的沉降曲线（图2）[6]可以看出，沉降从石龙路车站端部开始加剧，地面段最大沉降已经达到128 mm，至高架段沉降迅速减小，轨道沉降已十分微小。2004年，针对该段轨道沉降过大的情况，地铁管理单位采用碎石道床方案对该区间轨道进行整修。碎石道床法将整体道床凿除，改用道砟作道床。该方法虽然可以在一定程度上调节轨道沉降变形，但由于轨道基底以下存在暗浜土，轨道变形仍旧十分敏感。

图2 3号线轻轨轨道沉降曲线

3 针对轨交保护的基坑支护技术

轨交3号线地面轨道基础形式差，对基坑变形敏感。同时3号线作为上海中心城区主要的交通线路，每天承担着巨大的运营压力。因此保证轨交3号线的运营安全是本基坑工程设计施工的首要目标。

3.1 基坑总体实施方案

基坑开挖是一个同周围土体密切相关的空间问题，基坑的形状和大小对基坑支护结构以及周边环境的影响十分显著[7]。本工程北地块与轨交共边长度达210 m，且基坑面积较大，如果整坑实施，大面积同时开挖卸荷势必会引起轨交3号线轨道产生较大的变形，为减小基坑开挖对邻近的轨交3号线地面轨道影响，北地块采用“分区顺作”方案，南地块由于基坑面积相对较小，采用“整坑顺作”的实施方案（图3）。北地块结合上部建筑的布置分为东北侧邻近轨交3号线高架段的A区基坑和西南侧邻近地面段的B区基坑。围护结构施工完成后，北地块A区基坑由于和南地块平面上基本错开，因此二者具备同时开挖施工的可能性，待北地块A区地下室结构施工完成后再实施北地块B区基坑。北地块“分区顺作”可最大限度减小基坑大面积暴露开挖引起的轻轨轨道变形，在保证基坑周边建构筑安全的基础上2个地块具备同步施工的可能性，能有效缩短工期。

图3 基坑实施分区平面示意

3.2 复合式地下连续墙设计

基坑开挖过程中如果围护墙出现渗流，会造成墙后水土的流失，使坑外土体发生固结沉降[8]。以往的工程实践表明，因围护结构渗漏引起的基坑周边建（构）筑物沉降量一般难以预估，且往往大于围护结构的变形量。因此本工程邻近地面段轨道区域均采用地下连续墙作为围护结构。地下连续墙两侧采用三轴水泥土搅拌桩进行槽壁加固，在保证地下连续墙成墙质量的同时，兼作止水帷幕，保证基坑实施期间围护结构止水的可靠性（图4）。

图4 支护结构剖面

在此基础上，为保证永久使用阶段地下室外墙同样不会出现渗漏水，地下室采用了贴壁式外墙设计。外围地下连续墙紧贴结构墙布置，地下连续墙与结构内衬墙间设置柔性防水材料，地下连续墙抗渗等级不小于P6（图5）。

3.3 水平支撑体系

图5 贴壁式外墙示意

现浇混凝土支撑由于其刚度大，整体性好，可以采取灵活的布置方式适应于不同形状的基坑，而且不会因节点松动而引起基坑的位移，施工质量相对容易得到保证。本工程2个基坑竖向均设置2道钢筋混凝土水平支撑系统，围护结构顶部设置压顶圈梁兼作第1道支撑的围檩。水平支撑体系均采用传力明确且支撑刚度较大的十字对撑的布置形式，且垂直于轨交3号线方向支撑水平间距不大于9 m，第1道支撑可以兼作施工栈桥使用（图6、图7）。

图6 北地块支撑体系平面布置

图7 南地块支撑体系平面布置

3.4 坑内被动区加固

研究表明，基坑内部土体，尤其是基底以下土体对围护结构的约束作用对控制基坑变形影响显著[9]。但本工程基底位于④层中，基坑开挖深度范围内主要为软塑-流塑状态的黏性土，具有孔隙比大、含水量高、灵敏度高、强度低、压缩性高等不良特性，因此该土层条件对围护结构的侧向约束作用十分微弱。为了控制基坑变形，减小对轨交3号线轨道的影响，本工程2个基坑邻近轨交3号线轨道区域均采用φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩对基坑被动区进行土体加固。加固体采用裙边加固的形式，北地块基坑加固体宽度约8.05 m，南地块基坑加固体宽度约9.85 m。加固深度为第1道支撑底至基底以下5 m，加固体在第2道支撑底标高以上水泥掺量为10%，第2道支撑底标高以下水泥掺量为20%。

3.5 结合时空效应的土方开挖方式

基坑变形受基坑开挖过程的“时空效应”影响显著。对于上海地区的软土地层，在基坑工程实施过程中，由于土体的应力松弛会引起围护结构主动区的土压力随时间不断增加。同时软土的蠕变性和流变性使得基坑周边土体在一定的应力水平下，应变会随着时间而不断增长[10]。基坑开挖过程中采取分层分块的开挖方式，减少每步开挖过程中的无支撑暴露时间，可以显著降低基坑应力水平、控制流变位移，从而减小基坑开挖对周边环境的影响。以本工程南地块为例，南地块第2层土方开挖，分别按照图中①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧的顺序依次进行（图8），首先开挖远离轨交3号线的①区并及时形成支撑，然后依次开挖②～⑧分区并保证在24 h内完成各小分区内的土方开挖和支撑浇筑。

图8 南地块第2层土方开挖分块示意

4 基坑开挖对轻轨影响的数值分析

为分析本基坑工程对于邻近轨交3号线轨道的影响，本文采用Plaxis2D有限元分析软件对基坑开挖全过程进行模拟分析（图9）。计算模型包括了土体、围护结构、水平支撑、轨交3号线轨道。模型侧边约束水平位移，底部同时约束水平和竖向位移。土体采用6节点三角形实体单元模拟，地下连续墙、轨道及基础采用板单元模拟，水平支撑、楼板结构采用锚定杆单元模拟。土体采用土体硬化本构模型（H-S模型）进行模拟，该本构模型既可适用于软土也适用于较硬土层，可以同时考虑剪切硬化和压缩硬化，并采用Mohr-Coulomb破坏准则。以往研究表明，H-S模型应用于基坑开挖对周边环境分析时具有较好的精度[11]。

图9 计算模型示意

水平及竖向位移计算结果（图10、图11）显示，基坑开挖至基底时，南地块基坑围护结构最大水平位移为15.8 mm，北地块基坑围护结构最大水平位移19.9 mm，轻轨轨道最大水平位移1.1 mm，最大沉降3.1 mm。本基坑的支护结构能满足对轨交3号线的保护要求。

图10 基坑开挖至基底时土体水平位移云图

图11 基坑开挖至基底时土体竖向位移云图

5 结论

在轨交旁进行基坑工程建设不仅要保证基坑本身的安全，更需要严格控制基坑变形以减小基坑开挖对轨交的影响。本文结合邻近上海轨交3号线的上海市徐汇区漕河泾社区196地块基坑工程，分析梳理了软土地区紧邻轨道交通设施的基坑支护技术手段。主要结论如下：

1）基坑的形状和大小对基坑支护结构以及周边环境的影响十分显著。当基坑面积较大时可结合基坑形状及主体结构情况，采用“分区顺作”实施方案，最大限度减小基坑大面积暴露开挖引起的邻近轨道设施的变形。

2）基坑开挖过程中如果围护墙出现渗漏，会造成墙后水土的流失，使坑外土体发生固结沉降。应严格控制基坑实施期间围护结构止水的可靠性以及永久使用阶段地下室外墙的防水性能。建议邻近变形敏感的轨道交通设施区域采用贴壁式外墙设计。

3）现浇混凝土支撑刚度大，整体性好，而且不会因节点松动而引起基坑的位移，施工质量相对容易保证。而对于邻近轨道交通设施基坑支撑的布置，建议采用传力明确且支撑刚度较大的十字对撑形式。

4）基底以下土体对围护结构的约束作用对控制基坑变形影响显著。当基底存在孔隙比大、含水量高、灵敏度高、强度低的软黏土时，采用水泥土搅拌桩对基底被动区土体进行加固可更为有效地控制基坑变形。

5）基坑变形受开挖过程的“时空效应”影响显著。软土地区，软土的蠕变性和流变性使得基坑周边土体在一定的应力水平下，应变会随着时间而不断增长。采取分层分块的土方开挖方式，减少每步开挖过程中的无支撑暴露时间，可以显著降低基坑应力水平、控制流变位移，从而减小基坑开挖对周边环境的影响。