跨越地鐵的超大型基坑土方開挖技術(shù)

沈榮飛 李洪俠 劉建國(guó) 楊維國(guó)

1. 金雞湖城市發(fā)展有限公司 江蘇 蘇州 215000；2. 中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430074；3. 蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司 江蘇 蘇州 215004

當(dāng)下，超大、超深基坑已經(jīng)較為普遍，靠海、沿湖、沿地鐵的基坑也已經(jīng)成為工程未來發(fā)展的趨勢(shì)。因此，就跨地鐵的超大型基坑施工技術(shù)進(jìn)行研究對(duì)項(xiàng)目建設(shè)具有重要意義。

1 工程概況

蘇州中心廣場(chǎng)項(xiàng)目位于蘇州工業(yè)園區(qū)，是集購(gòu)物中心、辦公樓、公寓、酒店于一體的商業(yè)綜合體。其中，項(xiàng)目占地面積約167 000 m2，基坑部分占地約140 000 m2，共分為15個(gè)基坑，以地鐵1號(hào)線為界，北區(qū)9個(gè)基坑，南區(qū)6個(gè)基坑（圖1）。該工程總建筑面積1 180 000 m2，地下3層，局部4層，地上由7棟100～200 m不等的塔樓組成。正在運(yùn)行的地鐵1號(hào)線從C1、C2區(qū)中間穿過，且通過2個(gè)區(qū)域與項(xiàng)目整體地下室接駁，南側(cè)為地鐵隧道段。

2 施工重、難點(diǎn)

2.1 工期要求緊

根據(jù)設(shè)計(jì)給定的施工邏輯規(guī)劃，地下室的施工工期為21個(gè)月，占項(xiàng)目總體工期的比重較大，對(duì)后續(xù)的主體施工較為不利。

圖1 基坑平面布置

2.2 基坑面積大

項(xiàng)目的基坑面積約為140 000 m2，面積之大實(shí)屬罕見。如何合理組織開挖、優(yōu)化施工部署、保證施工安全，是項(xiàng)目策劃過程中的重、難點(diǎn)。

2.3 跨地鐵施工

C1、C2區(qū)分布在地鐵1號(hào)線兩側(cè)，與地鐵并行長(zhǎng)度分別為240、120 m。地鐵站臺(tái)與在建地下室最近距離7.30 m，最遠(yuǎn)距離12.10 m；地鐵隧道區(qū)與地下室距離16.85 m，地鐵變形限值僅為10 mm，對(duì)變形控制要求高。

3 施工方法

3.1 開挖邏輯關(guān)系優(yōu)化

3.1.1 化大為小，時(shí)空效應(yīng)

將大型基坑劃分成若干小坑，控制基坑施工中的圍護(hù)變形和周邊沉降；以地鐵為界將整個(gè)基坑切割成南、北2個(gè)基坑，再利用地下連續(xù)墻及鉆孔灌注樁將北區(qū)分成9個(gè)基坑（A-1區(qū)，A-2區(qū)，A-3區(qū)，A-4區(qū)，A-2a區(qū)，A-2b區(qū)，A-3a區(qū)，A-3b區(qū)，C-1區(qū)），南區(qū)分成6個(gè)基坑（B-1區(qū)，B-2區(qū)，B-2a區(qū)，B-2b區(qū)，B-4區(qū)，C-2區(qū)）。

3.1.2 先遠(yuǎn)后近，階梯效應(yīng)

基坑分塊方案采用先施工遠(yuǎn)離地鐵基坑，后施工鄰近地鐵區(qū)域，最大限度減小基坑卸載對(duì)地鐵區(qū)域的影響。以地鐵為中軸線，鄰地鐵站臺(tái)基坑為長(zhǎng)條形（C-1區(qū)，C-2區(qū)），基坑深度為7.0～10.1 m；靠近地鐵區(qū)域（A-2區(qū)，A-3區(qū)，A-4區(qū)，A-2a區(qū)，A-2b區(qū)，A-3a區(qū)，A-3b區(qū)）基坑深度15.00～16.45 m；離地鐵最遠(yuǎn)區(qū)域（A-1區(qū)）基坑深度19.15～20.55 m，因此，離地鐵越近，開挖深度越淺，該因素也是決定基坑先后施工分區(qū)的主要因素。

3.1.3 先難后易，遞減效應(yīng)

在基坑分塊中，讓高層建筑所在區(qū)域的地下室先期施工，并在支撐布置時(shí)避讓核心筒結(jié)構(gòu)，為主樓施工工期提供保障。

項(xiàng)目以地鐵1號(hào)線為中軸線，將基坑分為南、北2個(gè)區(qū)同步對(duì)稱施工（圖2）。

圖2 基坑開挖先后關(guān)系示意

3.2 開挖施工技術(shù)完善

3.2.1 開挖施工方向調(diào)整

一期基坑工程為A-1與A-2區(qū)最早同時(shí)進(jìn)行基坑開挖及支撐施工；待A-2區(qū)B1層地下室結(jié)構(gòu)施工完畢后，可以同時(shí)進(jìn)行A-2a區(qū)與A-3區(qū)基坑開挖及支撐施工；待A-2a區(qū)與A-3區(qū)B1層地下室結(jié)構(gòu)施工完畢后，可以同時(shí)進(jìn)行A-2b區(qū)與A-3b區(qū)基坑開挖及支撐施工；待A-2b區(qū)與A-3b區(qū)，以及最開始開挖施工的A-1區(qū)B1層地下室結(jié)構(gòu)施工完畢后，才能進(jìn)行二期基坑施工 。

二期基坑施工邏輯關(guān)系的原則同一期基坑；C-2區(qū)開挖的前置條件就是A-3a區(qū)與C-1區(qū)完成B1層地下室結(jié)構(gòu)。由此可以看出，每個(gè)基坑開挖的前置條件就是前一個(gè)基坑完成B1層地下室結(jié)構(gòu)，并且完成換撐形式，這也是水平支撐拆除的前置條件，并且影響著地上結(jié)構(gòu)的施工組織及施工策劃。

3.2.2 支撐體系方案完善

根據(jù)超深基坑工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算分析，采用地下連續(xù)墻或鉆孔灌注樁圍護(hù)加內(nèi)支撐的施工方法進(jìn)行基坑開挖和結(jié)構(gòu)施工。當(dāng)基坑開挖至坑底時(shí)施工主體結(jié)構(gòu)底板，再順作結(jié)構(gòu)柱、豎向墻體結(jié)構(gòu)和各層樓板結(jié)構(gòu)，最終完成整個(gè)地下室結(jié)構(gòu)的施工。因此在各個(gè)分區(qū)，根據(jù)不同基坑的特點(diǎn)設(shè)置不同的支撐形式。

順作區(qū)A-1區(qū)（地下4層區(qū)）開挖深度18.85～20.25 m，基坑形狀近似長(zhǎng)方形，基坑沿深度方向可設(shè)4道支撐。主撐平面布置結(jié)合施工棧橋的需要以對(duì)撐為主，4個(gè)角部輔以角撐，設(shè)置邊桁架。同時(shí)支撐原則上避開主體結(jié)構(gòu)立柱、核心筒體，以讓塔樓區(qū)域先進(jìn)入結(jié)構(gòu)施工。順作區(qū)A-1區(qū)（地下3層區(qū)）開挖深度14.85～15.95 m，設(shè)置原則同地下4層區(qū)，但由于基坑深度較4層區(qū)淺4 m左右，因此設(shè)置3道支撐；另外，北坑A-2、A-3、A-4區(qū)及南坑B-1、B-2、B-4區(qū)的支撐設(shè)置原則可依次同上。

靠近地鐵區(qū)域，將基坑分為A-2a、A-2b、B-2a、B-2b、A-3a、A-3b區(qū)，基坑開挖深度14.70～16.75 m，豎向設(shè)置4道支撐，呈長(zhǎng)條形；考慮到地鐵安全的重要性，因此采用首道為混凝土支撐、第2～4道為鋼結(jié)構(gòu)支撐的水平支撐形式，以滿足地鐵正常運(yùn)營(yíng)對(duì)周邊基坑開挖所提出的嚴(yán)格的變形控制要求?？紤]到地鐵車站與區(qū)間連接段一級(jí)隧道區(qū)間的抵抗變形能力差，故使用鋼支撐自動(dòng)補(bǔ)償及位移控制系統(tǒng)，作為支撐體系的安全儲(chǔ)備，提供圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全度。支護(hù)內(nèi)力自動(dòng)補(bǔ)償及位移控制系統(tǒng)改變了鋼支撐傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力復(fù)加滯后的情況，對(duì)鋼支撐內(nèi)力實(shí)現(xiàn)了24 h不間斷的監(jiān)測(cè)、控制以及數(shù)據(jù)傳輸，使工程始終處于可控和可知狀態(tài)。

3.2.3 坑內(nèi)加固方案研究

結(jié)合國(guó)內(nèi)眾多深基坑案例[1-5]以及本項(xiàng)目自身的特點(diǎn)，有2個(gè)重要前置條件需要做坑底加固，一是保護(hù)軌道交通，控制變形；二是周圍超深基坑及超高層效應(yīng)。

順作區(qū)域基坑A-3a、A-3b分區(qū)圍護(hù)墻距離地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)外邊線約10.0 m，A-2a、A-2b、B-2a、B-2b分區(qū)圍護(hù)墻距離地鐵車站結(jié)構(gòu)墻約19.0 m，目前地鐵1號(hào)線已建成，車站、隧道對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移控制要求很高。為了控制該側(cè)地下連續(xù)墻墻體的變位，基坑內(nèi)擬采用3φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行地基加固。沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行滿堂加固，土體加固寬度為23.50 m，加固深度范圍從標(biāo)高＋1.10 m（第1道支撐底）至標(biāo)高－16.35 m（坑底開挖面下4.0 m），其中標(biāo)高－12.35～＋1.10 m之間（開挖面以上）加固體水泥摻量10%，標(biāo)高－16.35～－12.35 m之間（開挖面以下）加固體水泥摻量20%。

順作區(qū)域A-4、B-4分區(qū)鄰近東方之門附近的圍護(hù)墻體為弧形布置，圍護(hù)墻體為陽(yáng)角區(qū)域，結(jié)構(gòu)受力較為不利。為了控制該側(cè)地下連續(xù)墻墻體的變位，基坑內(nèi)擬采用3φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行地基加固。沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行裙邊格柵加固，土體加固寬度為9.75 m，加固深度范圍從標(biāo)高＋1.10 m（第1道支撐底）至標(biāo)高－16.35 m（坑底開挖面下4.0 m），其中標(biāo)高－12.35～＋1.10 m之間（開挖面以上）加固體水泥摻量10%，標(biāo)高－16.35～－12.35 m之間（開挖面以下）加固體水泥摻量20%。

3.2.4 應(yīng)力補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)用

北區(qū)與地鐵并行長(zhǎng)度240 m，南區(qū)與地鐵并行長(zhǎng)度120 m。項(xiàng)目共6個(gè)條形坑采用了應(yīng)力補(bǔ)償系統(tǒng)，施工次序如前所述：A-2a、B-2b區(qū)為第一批，B-2a、A-2b、A-3b區(qū)為第二批，A-3a區(qū)為第三批。

6個(gè)條形坑全部為地下3層結(jié)構(gòu)，采用4道支撐，第1道為混凝土支撐，下部3道為應(yīng)力自伺服鋼支撐系統(tǒng)。

南北共6個(gè)條坑分3個(gè)批次施工，允許的變形值也按3個(gè)階段進(jìn)行了分解，初始值是前期樁基和圍護(hù)樁施工階段已經(jīng)實(shí)際產(chǎn)生的變形值。

應(yīng)力自伺服鋼支撐系統(tǒng)在支撐端部設(shè)置液壓油泵，可人為調(diào)整支撐軸力。對(duì)因?yàn)樗苄宰冃魏蛻?yīng)力松弛而損失的軸力可實(shí)施補(bǔ)償，在變形過快時(shí)實(shí)施強(qiáng)力回頂，控制發(fā)展趨勢(shì)，甚至實(shí)現(xiàn)變形回調(diào)。

應(yīng)力補(bǔ)償系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于主動(dòng)控制，與常規(guī)支撐手段相比，可大幅縮小基坑變形量，監(jiān)測(cè)顯示的最終控制效果約為預(yù)估變形值的一半，地鐵隧道變形極值不超過4 mm，這對(duì)3層地下室的開挖深度而言是相當(dāng)理想的結(jié)果。

4 實(shí)施效果

4.1 社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益

在周密的施工部署下，并在確?？傔M(jìn)度計(jì)劃的基礎(chǔ)上，蘇州中心群體性基坑順利地完成了施工任務(wù)。15個(gè)基坑變形數(shù)據(jù)和地鐵1號(hào)線變形數(shù)據(jù)均未超過政府和設(shè)計(jì)限定的報(bào)警值，成功地突破了環(huán)地鐵群體性基坑施工對(duì)運(yùn)行地鐵變形控制的技術(shù)難題，并實(shí)現(xiàn)了科學(xué)、安全、快速施工的最終目標(biāo)，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 工期效益

項(xiàng)目根據(jù)既定的施工方案，科學(xué)施工，達(dá)到了預(yù)期的效果，滿足業(yè)主和政府主管部門對(duì)施工組織的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

施工組織的研究伴隨著工程項(xiàng)目的出現(xiàn)而出現(xiàn)，隨著工程建造裝備技術(shù)的進(jìn)步，施工組織也在不斷演進(jìn)，對(duì)于跨地鐵超大型基坑的施工組織，無論在前期的規(guī)劃設(shè)計(jì)，還是后期的施工管控，都要使工程建造向著節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展，不僅為了實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目本身的建造目標(biāo)，更是為了推動(dòng)整個(gè)社會(huì)的工程建造技術(shù)和管理向著綠色、可持續(xù)的方向發(fā)展。