馮國健

(廣州地鐵集團有限公司， 廣東 廣州 510330)

0 引言

隨著城市發(fā)展進程的不斷加快，現(xiàn)有地下空間已不能滿足人們的需求，在復(fù)雜的城市環(huán)境下施作深大長基坑已是日漸明顯的趨勢。地鐵工程是城市的生命線工程，而沿線區(qū)域的物業(yè)開發(fā)不可避免地會對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，其安全關(guān)系到城市的穩(wěn)定及人身、財產(chǎn)安全，這給地鐵結(jié)構(gòu)的安全保護工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。為此，文獻[1]對地鐵結(jié)構(gòu)的安全控制進行了詳盡的規(guī)定。通過采取有效的保護措施確保臨近地鐵結(jié)構(gòu)的基坑施工過程不危及地鐵的安全，已成為重要議題[2-4]。

近年來，國內(nèi)學(xué)者依托鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的基坑工程展開了豐富的研究，積累了寶貴的經(jīng)驗，并在后續(xù)的工程應(yīng)用中得到了不斷完善，其中包括對基坑開挖過程開展數(shù)值模擬、實測研究，進而分析鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律[5-7]。文獻[8-10]研究表明，地下連續(xù)墻成槽過程的影響較小，而基坑的土方開挖影響較大，設(shè)置托換樁、攪拌樁加固和分塊開挖是控制鄰近地鐵結(jié)構(gòu)變形的有效措施。鄭剛等[11]闡述了基坑施工對地鐵隧道的工程風(fēng)險控制措施，認(rèn)為地層加固、分區(qū)開挖及反壓回填等措施能有效地控制地鐵結(jié)構(gòu)的位移。張治國等[12]考慮了基坑開挖引起坑底和四周坑壁的卸荷影響，提出了地鐵隧道縱向變形影響的2階段分析方法。文獻[13-14]針對基坑與鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的相互影響，為減小基坑變形對地鐵的影響，從經(jīng)濟合理的角度出發(fā)，提出了針對性的措施及建議。

然而，在地面交通復(fù)雜且涉及多種地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施的環(huán)境下施作超大基坑群的工程實踐仍較少。本文基于廣州南站區(qū)域地下空間及市政配套設(shè)施工程實例(簡稱廣州南站地下空間)，針對基坑的深大長特點，結(jié)合已有的工程經(jīng)驗，重點分析本工程的難點及風(fēng)險點，提出在設(shè)計及施工過程中合理保護地鐵結(jié)構(gòu)的措施及建議，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程介紹

廣州南站位于廣州市番禺區(qū)西北部廣佛都市圈地理中心，是與港澳、內(nèi)陸省份建立聯(lián)系最直接、最便捷的紐帶。廣州南站地下空間項目基坑西鄰廣州南站地鐵車站，東側(cè)圍繞地鐵石壁站，同時被已運營的地鐵2號線及7號線廣州南站—石壁站區(qū)間隧道劃分為南、北2部分，再以6條連通道連接南北2個區(qū)域。其中，基坑緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)的明挖段及區(qū)間盾構(gòu)隧道，圍護結(jié)構(gòu)外邊線與地鐵隧道結(jié)構(gòu)外邊線間的最小水平凈距約為6.0 m。

基坑縱向總長達1 100 m，橫向最大跨度約為430 m，基坑總面積共120 000 m2，基坑開挖深度為4.5～19.7 m?；又苓厖^(qū)域環(huán)境復(fù)雜，集中了高鐵、城際軌道、地鐵、長途汽車客運及常規(guī)公交5大類公共交通系統(tǒng)，基坑縱向橫跨了石興大道、三坊路及石洲中路3條交通干道，且沿基坑邊分布長距離的市政景觀橋，周邊環(huán)境見圖1。

地鐵廣州南站與石壁站均為明挖順作法施工修筑的現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)，石壁站車站結(jié)構(gòu)頂部埋深為3～4 m，底部埋深為17～18 m。2號線區(qū)間隧道包括明挖段與盾構(gòu)段，明挖段為單層雙跨箱形混凝土結(jié)構(gòu)，寬為11～14 m，高約為6 m，頂板埋深約為7.6 m；盾構(gòu)段隧道結(jié)構(gòu)外徑6.0 m，隧道頂部埋深約為8.8～9.2 m。7號線區(qū)間隧道同樣由明挖段與盾構(gòu)段構(gòu)成，明挖段與盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)形式尺寸及施工方法與2號線類似。

圖1 基坑周邊環(huán)境總平面圖

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

項目場地地處珠江三角洲地帶，為珠江水網(wǎng)交錯的平原區(qū)，沿線地表地勢起伏變化不大，地面標(biāo)高范圍為4.72～9.49 m。巖土層自上而下依次為： ①填土、②-1淤泥質(zhì)土、②-2細(xì)砂、③-1粉細(xì)砂、③-2中粗砂、④-1粉質(zhì)黏土、⑤-2殘積土、⑥全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑦強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑧中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和⑨微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。地鐵區(qū)間隧道主要座落在殘積土或泥質(zhì)粉砂巖上，局部位于粉質(zhì)黏土，基坑范圍的地層中普遍存在較厚的砂層?？眳^(qū)地下水主要為孔隙水和基巖裂隙水2種，在上部的填土層中局部賦存上層滯水，現(xiàn)場量測的勘察鉆孔水位表明，場地地下水位變化幅度小，穩(wěn)定水位埋深普遍為0.00～2.00 m，局部埋深3.30 m，典型地層分布及基坑與隧道的位置關(guān)系如圖2所示。

當(dāng)周邊地層以砂層為主時，基坑開挖將難以保證基坑底的穩(wěn)定性，不利于基坑施工過程對地鐵結(jié)構(gòu)的保護，尤其當(dāng)砂層位于地下水位線以下時，呈松散狀，這將會對下臥地鐵隧道結(jié)構(gòu)造成較大的不利影響。

2 基坑支護體系及與地鐵的關(guān)系

項目基坑屬于安全等級一級的大型基坑群，開挖及支護方案的合理選擇是保證工程安全及保護周邊環(huán)境的關(guān)鍵。根據(jù)復(fù)雜的場地周邊環(huán)境，為確保緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)的安全性、工期的要求及經(jīng)濟性等，項目基坑在靠地鐵側(cè)采用1 000 mm(800 mm)厚地下連續(xù)墻、遠(yuǎn)離側(cè)采用1 000@1 200 mm鉆孔樁(樁間設(shè)置攪拌樁止水)+鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護體系。支護結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。

圖2地層分布及基坑與隧道的位置關(guān)系

Fig. 2 Geological profile and relationship between foundation pit and tunnel

圖3 基坑支護結(jié)構(gòu)平面布置圖

項目場地地面絕對標(biāo)高為 7.6 m，3層地下室區(qū)域的基坑開挖深度為19.7 m，設(shè)置4道支撐，第1、2、4道均采用800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐，第3道支撐尺寸為900 mm×1 200 mm；2層地下室區(qū)域的開挖深度為13.1 m/14.6 m，其中A3區(qū)域布置3道鋼筋混凝土支撐，E1區(qū)域布置2道鋼筋混凝土支撐；1層地下室區(qū)域開挖深度為10.9 m，布置2道支撐，尺寸為800 mm×1 000 mm。7號線正上方區(qū)域基坑開挖深度為4.5～9 m，為減小7號線正上方土體開挖引起的隧道隆起，采用600@450 mm密排式水泥土攪拌樁對7號線右線實施地層先加固、左線實施地層后加固。3層地下室區(qū)域的支護剖面如圖4所示。

3 工程難點及保護措施

該地下空間基坑面積特別大、形狀奇異且開挖深度不一，加之場地周邊環(huán)境極其復(fù)雜，涉及多種公共交通系統(tǒng)、多條交通道路且地下管線密布，其中基坑影響范圍內(nèi)的地鐵結(jié)構(gòu)包括盾構(gòu)段、明挖箱形段、糾偏段、車站及其附屬結(jié)構(gòu)等重點保護的地鐵設(shè)施，且需避讓既有的市政景觀橋、地下汽車站等公共建筑，其工程難度及廣度是國內(nèi)其他地下空間開發(fā)中鮮有的挑戰(zhàn)。因此，為滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》[1]的控制要求，根據(jù)隧道現(xiàn)狀，將2次開挖過程中的變形均控制在6 mm以內(nèi)，最大限度地減小開挖對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，為此采取系列的保護措施如下。

3.1 合理的分期分區(qū)施工

項目基坑沿線貫穿3條道路交通干線，為緩解廣州南站周邊的交通壓力，配合地鐵7號線完成工期要求，采用分3期逐步施工的方案。以三坊路為界，先封閉石興大道及石洲中路施作1、2期基坑，待回填恢復(fù)2條道路后，再封閉三坊路施作3期基坑。為避免基坑大面積開挖卸荷引起不良影響，將基坑分為17區(qū)分別施工，具體的分期分區(qū)布置如圖5所示。其中B1、B3、B4、B6、C1、C3設(shè)3層地下室，A3、E1設(shè)2層地下室，其余各區(qū)均設(shè)1層地下室。

圖4 3層地下室區(qū)域的支護剖面圖

圖5 分期分區(qū)開挖布置圖

項目基坑通過具體分期可以充分運用設(shè)備資源，合理安排工期及施工的時間，規(guī)避基坑發(fā)生整體性破壞的風(fēng)險；分區(qū)則將基坑劃分為基坑群，區(qū)與區(qū)之間以鉆孔樁進行分隔，可對各區(qū)實現(xiàn)獨立的支護、止水、開挖、澆筑主體及回填等工序，避免大面積土體的一次性卸載，有利于控制基坑的變形。此外，轉(zhuǎn)化為小基坑后能明顯縮短基坑底土體的暴露時間，避免由于坑底存在殘積土或強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層時遇水軟化而減弱對緊鄰地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的約束作用，從而產(chǎn)生過大位移的風(fēng)險。因此，合理的分期分區(qū)方案是充分運用時空效應(yīng)原理的體現(xiàn)，能較好地控制基坑變形，保護周邊構(gòu)(建)筑物。

3.2 地層加固

7號線正上方基坑開挖后，下方盾構(gòu)隧道的最小覆土僅為2.7 m，1#、2#連通道施工到底時，正下方的箱形隧道最淺覆土僅為0.42 m。對開挖區(qū)域下方土體進行加固能起到加大土層密度、提高強度、減小地下水影響、控制因正上方土體卸荷引起的隧道隆起變形作用。因此，本項目中對7號線上方開挖區(qū)域及6條連通道均進行土體加固，其中4#連通道的加固剖面如圖6所示。

圖6 4#連通道的加固剖面圖(單位： m)

Fig. 6 Cross-section of foundation reinforcement of gallery No. 4 (unit: m)

根據(jù)7號線盾構(gòu)工期特點，對7號線的右線實行先加固，加固深度至隧道底部，對左線實行后加固，加固范圍為隧道外壁以外2 m，同時對靠2號線側(cè)進行密排式攪拌加固，形成重力式擋墻，最大限度減小7號線正上方開挖對2號線的影響。設(shè)置在7號線隧道兩側(cè)的抗拔樁與上部結(jié)構(gòu)底板及加固土體對隧道形成了“門架式”約束體系，以限制地鐵7號線的變形，其中要求樁體距隧道外側(cè)壁不小于3 m，以減小樁體施工對隧道周邊土體的擾動。

3.3 隧道正上方土體抽條開挖

對地鐵7號線沿線正上方進行大面積開挖，勢必會造成隧道的過度隆起而影響隧道后期的正常使用，嚴(yán)重時甚至?xí)鹚淼拦芷钠茡p、錯臺等病害。從地鐵保護的角度出發(fā)，考慮基坑開挖的時空效應(yīng)，對7號線正上方基坑采用抽條開挖方式，每一條段開挖到底后立即封底施作上部結(jié)構(gòu)，再進行下一施工段的開挖，縮短坑底暴露時間，以限制隧道的隆起。因此，合理地設(shè)計抽條寬度及抽條順序?qū)κ┕みM度的把握及隧道位移的控制起到關(guān)鍵作用?，F(xiàn)就2種抽條方案進行有限元計算分析： 方案1為縱向沿地鐵區(qū)間隧道間隔100 m分塊開挖，雙向推進，每次抽條開挖長度為10 m；方案2為縱向沿地鐵區(qū)間隧道間隔75 m分塊開挖，單向推進，每次開挖長度約為15 m。開挖流程示意如圖7所示。

(a) 開挖示意圖

(b) 方案1

(c) 方案2

Fig. 7 Flowchart of excavation of foundation pit right above Metro Line No. 7

方案2抽條開挖較方案1每一段暴露出來的基坑底寬度增加了5 m(總寬度達到了17 m)，分段距離減小了25 m，縮短了開挖時間，減少了主體結(jié)構(gòu)的分段。計算結(jié)果表明，方案2較方案1引起7號線隧道結(jié)構(gòu)最大位移增量為0.9 mm，引起2號線隧道結(jié)構(gòu)最大位移增量為0.4 mm，因此，在施工工期允許的情況下，為保護地鐵結(jié)構(gòu)，建議采用方案1施工。

3.4 連通道的開挖

為連接南北2個地下空間，共設(shè)置了6條連通道，橫跨地鐵隧道結(jié)構(gòu)的明挖箱形段及盾構(gòu)段。其中1#、2#連通道開挖后下方的箱形隧道最淺覆土僅為0.42 m，且箱形隧道分布有3道變形縫，對開挖過程隧道的抗浮十分不利。為此，通過逐步開挖施工的方法進行處理，施工工序如下： 1)攪拌加固，開挖一半土體； 2)施工半側(cè)主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻、底板，砂袋反壓，部分回填； 3)開挖另一半土體，施工另一半主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻、底板； 4)施工主體結(jié)構(gòu)頂板，回填至地面。1#、2#連通道施工過程如圖8所示。

(a) 開挖一半土體

(b) 施工半側(cè)主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻、底板，砂袋反壓，部分回填

(c) 開挖另一半土體

(d) 施工主體結(jié)構(gòu)頂板，回填至地面

3.5 連通道及隧道的抗浮

7號線正上方的開挖及連通道的施工均會引起下臥隧道的上浮，在地下水位激漲的極端情況下最為危險，因而隧道及連通道的抗浮均需重視。分別取地下水位位于地面及基坑底時，對覆土最淺的箱形隧道、盾構(gòu)隧道及連通道進行抗浮安全驗算，均不考慮隧道上方土體的抗剪強度，僅考慮土體的自重、結(jié)構(gòu)自重和浮力作用。連通道及盾構(gòu)隧道的抗浮驗算示意圖見圖9。

(a) 1#、2#連通道抗浮

(b) 盾構(gòu)隧道抗浮

分析表明，若不進行地層加固，滿足抗浮要求時盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)上覆土厚度需控制在2.8 m以上，地層加固后僅需控制在2.1 m以上。因此，為確保隧道的抗浮安全，建議至少保留3 m以上的覆土，且嚴(yán)禁出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，盡量避免在雨季施工。

3.6 既有結(jié)構(gòu)的利用

基坑橫跨的石興大道為下沉式道路，寬度約為40 m，為充分發(fā)揮地勢特點，減少開挖，節(jié)約工程成本，項目利用既有下沉道路底板作為結(jié)構(gòu)底板，直接施工寬度最大的5#連通道。

2號線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)與既有下沉道路底板的豎向距離約為2.44 m，但在2號線隧道兩側(cè)與中間布置有3排支撐樁(每排16根，兩側(cè)樁直徑為1 200 mm，中間樁直徑為1 500 mm)。這些存在于道路下方的既有大直徑樁，原用于道路的荷載轉(zhuǎn)換樁基，現(xiàn)可作連通道及上方道路的承載樁及連通道的抗拔樁，能有效地減緩上部荷載對隧道結(jié)構(gòu)的影響。道路經(jīng)改造并完成連通道后的效果圖如圖10所示。

3.7 其他風(fēng)險及措施

由于本工程基坑的土方開挖量巨大，施工周期長，故選用先進的施工設(shè)備以降低對土體的擾動是保護地鐵結(jié)構(gòu)的有效方式。為此，在鄰近地鐵側(cè)地連墻采用銑槽機成槽，成槽前對軟弱土層加固以避免塌槽； 7號線正上方采用影響較小的三軸水泥土攪拌樁加固土體，且加固范圍限于隧道外邊線2 m外； 抗拔樁采用旋挖成孔工藝，控制隧道外側(cè)產(chǎn)生的附加荷載不得超過20 kPa。

圖10 石興大道下沉段改造后橫剖面圖

Fig. 10 Profile of sinked section of Shixing Avenue after reconstruction

場地內(nèi)普遍存在較厚的砂層，地下水位較高，需保證基坑的止水效果。在施工過程中需嚴(yán)格控制地下水位的下降幅度，必要時采用回灌的方式補充地下水。在整個地下空間工程的開發(fā)過程中建立完善、連續(xù)的監(jiān)測體系，加強靠地鐵側(cè)基坑變形、水位和隧道收斂變形等的監(jiān)測。以時間為軸線，根據(jù)實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)指導(dǎo)施工，并及時反饋隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，實時調(diào)整基坑的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與施工方案，實現(xiàn)信息化施工。

4 結(jié)論與建議

廣州南站區(qū)域地下空間工程周邊環(huán)境極其復(fù)雜，工程難度大、風(fēng)險高，通過分析基坑開挖可能對地鐵結(jié)構(gòu)造成的不利影響，提出合理的保護方案，得到如下結(jié)論及建議。

1)在緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)的復(fù)雜環(huán)境下進行基坑開挖時，需充分評估工程施工對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，盡量遵循分期、分區(qū)、分塊、分層、對稱和限時的原則，嚴(yán)格控制基坑變形及周邊土體的沉降，以免危及地鐵結(jié)構(gòu)安全。

2)為減小開挖對周邊環(huán)境的影響，應(yīng)根據(jù)周邊環(huán)境及工程自身的特點，采取加固土層、設(shè)置抗拔樁、選用影響較小的施工機械、抽條開挖和及時施作上部結(jié)構(gòu)進行反壓等措施。

3)重視深厚砂層處的止水，防止地連墻成槽過程中發(fā)生塌槽、滲漏水等現(xiàn)象?？刂频叵滤坏淖兓瑢τ跍\埋的箱形結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)隧道應(yīng)選取最極端的地下水位以驗算其抗浮安全。

4)在施工全過程中應(yīng)對基坑及緊鄰地鐵結(jié)構(gòu)開展連續(xù)的監(jiān)測工作，建立完善有效的監(jiān)測系統(tǒng)，及時反饋各結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，制定相應(yīng)的應(yīng)急方案，實現(xiàn)信息化施工。

本文僅從地鐵保護的角度分析了該工程所采取的措施，由于篇幅原因，未展示量化分析過程及后期監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)律分析。

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