上海会德丰广场紧邻地铁深大基坑技术
［摘 要］大上海会德丰广场工程基坑开挖面积大、深度深，周边环境复杂，基坑施工难度大。为有效保护地铁，确保基坑施工顺利实施，制订了明确的施工部署，对井点降水、土方开挖、钢支撑轴力自动控制的具体步骤和注意事项进行详细论述，并根据工程特点自主研发了钢支撑轴力自动控制系统。通过对基坑进行信息化施工以及沉降监测，确保了基坑及周边环境安全。
［关键词］软土;地铁;深基坑;施工技术
1 工程概况
大上海会德丰广场位于上海市静安区南京西路1717 号批租地块，占地面积 12 675m2，工程包括 1座高 270. 48m、共 54 层(未含 3 层钢结构)的甲级办公楼，其北侧和南侧分别为 4 层和 2 层商业裙房，地下设 4 层车库(含夹层)，总建筑面积 15. 4 万 m2。
本工程基坑开挖面积约 9 812m2，南北向长约125m，东西向宽 92. 3 ～ 100m，基坑形状呈手枪形。基坑 开 挖 深 度: 裙 房 区 域 18. 02m，塔 楼 区 域 近20. 78m( 电梯井加深部位 26m) 。
工程周边紧邻城市主干道、地下管线众多，尤其基坑北侧平行邻近运营中的地铁 2 号线区间隧道，基坑围护结构与隧道净间距 5. 4m，与隧道平行长度95m。地铁 2 号线区间运营隧道内径 5. 5m、外径6. 2m，双线中心距约 17m，隧道顶部埋深 8. 5m，本工程邻地铁侧基坑开挖深度已超过地铁隧道底部3m。基坑平面位置及基坑与地铁隧道剖面位置关系如图 1 所示。
2 工程地质条件
工程场地内为典型的上海软土地层，主要由成层分布的饱和淤泥质或粉质黏性土及砂性土组成，含水量高，渗透性差，流变特点明显。
场地内影响基坑工程施工的地下水类型主要有浅层土中的潜水和⑦层土中的承压水(上海地区第一承压含水层)。潜水主要补给来源为大气降水，水位变化与降水量密切相关，呈现季节性动态变化特征，年平均水位埋深为 0. 5 ～ 0. 7m。场地内⑦层土中承压水平均水位在地表下 4. 30m，承压含水层水头受开采和补给的影响而变化，一般波动在地面以下 4 ～ 11m，勘探期间测得第⑦层承压水的平均水位在地表下 8m。
3 地铁保护要求
根据上海申通地铁集团有限公司轨道交通安全保护区域作业方案技术审查意见，地铁运营线路保护要求:两轨道横向高差 ＜ 4mm;轨向偏差和高低差最大尺度值 ＜ 4mm/10m。
地铁隧道结构变形要求:结构变形曲线曲率半径 ＞ 15 000m，相对变曲 ＜ 1 /2 500，隧道结构收敛变化量 ＜ 10mm;地铁结构变形速度 ＜ 0. 5mm/d，且不得影响正常使用，隧道与车站的差异沉降控制在5mm 以内，地铁结构水平位移和最终沉降≤20mm。
4 基坑支护方案
4. 1 总体方案
为保护北侧地铁区间隧道，在距基坑北侧围护墙以南 7. 5 ～ 12. 5m 处设置一道临时分隔墙，将基坑分为南、北两个，先开挖远离地铁隧道的南坑，待南坑结构出 0. 000m 后，通过南坑的回筑压载控制和稳定深大基坑开挖隆起对地铁的沉降变形后，再开挖紧邻地铁隧道的北坑，由于基坑开挖隆起得到控制，北坑施工主要是对基坑开挖侧向变形的控制;针对基坑控制位移及保护要求不同的特点，南北坑采用不同的地基加固体系、支护体系及内力位移控制体系，既达到保护地铁隧道的目的，又节省投资。
4. 2 南坑支护方案
南坑采取内支撑顺做法施工。南坑围护墙采用1 000mm 厚地下连续墙，深度远离塔楼部分为 36m(基坑开挖深度 18. 02m)，距塔楼较近处为 41m(基坑开挖深度 20. 72m)。
竖向设 4 道钢筋混凝土支撑，第 1，2 道支撑采用十字对撑加角撑形式。第 3，4 道支撑采用“井”字对撑加角撑形式。
沿基坑周边 6m 范围进行高压旋喷桩加固，加固深度为基坑底至坑底以下 4m。
4. 3 北坑支护方案
北坑北侧围护墙采用 1 000mm 厚、39. 5m 深地下连续墙，地下连续墙墙趾置于⑥层土中。为避免邻地铁侧地下连续墙施工时槽壁坍塌和基坑开挖时渗漏水对地铁的影响和危害，邻地铁侧施工地下连续墙前，先在拟施工地下连续墙内外两侧各施工一排Ф850mm 的 SMW 工法搅拌桩加固，深度为 33m，以保护地铁 2 号线区间运营隧道。
北坑竖向设 5 道支撑，第 1 道支撑采用钢筋混凝土对撑，由于地铁管理部门要求基坑北侧不得使用大型施工设备，而南侧又是正在施工的塔楼，因此，为加快挖土速度、解决施工场地问题，部分施工栈桥 设 于 第 1 道 支 撑 上。 第 2 ～ 5 道 支 撑 为Ф609mm 钢管对撑，直接支顶在地下连续墙上，便于快速形成支撑。
为减少开挖阶段围护墙的变形、周围地表沉降，保护地铁隧道安全，在基坑内坑底以下进行深 5m的 SMW 水泥土搅拌桩满堂加固(水泥掺量 20% )，坑底以上结 合支撑布置在第 3 道 支 撑 以 下 进 行SMW 水泥土搅拌桩抽条加固 ( 水泥掺量 20% )，坑底以上 其 余 被 扰 动 部 分 采 用 低 掺 量 ( 水 泥 掺 量10% ) 的 SMW 水泥土搅拌桩进行补强加固。 坑内SMW 水泥土搅拌桩加固与地下连续墙两侧槽壁加固间隙采用高压旋喷桩填充加固。基坑支护结构平面如图 2 所示。
5 基坑工程施工
5. 1 施工总体思路与部署
南坑开挖面积 8 700m2，覆盖了整个塔楼区域，除四角裙房区域外，大面积挖深达 20. 78m，局部电梯井加深部位挖深达 26m。北坑开挖面积1 112m2，挖深 18. 02m，先开挖南坑，南坑第 2 层土开挖前，北坑土体加固需完成并达到设计强度，在南坑开挖过程中，北侧两道地下连续墙与中间 7. 5 ～ 12. 5m 宽度范围内的加固土体形成一道强有力屏障，可以起到很好的保护地铁作用。南坑地下结构封顶后，再开挖北坑。
5. 2 井点降水
根据基坑开挖深度 15. 8m 和 5. 5m 之间为含水量高的淤泥土的特点，采用多滤头、真空负压深井进行坑内潜水疏干。根据基坑围护结构布置及坑内土体加固的形式和范围，在未进行加固区域内布置 36口疏干深井，以满足挖土施工要求。
本工程塔楼基坑开挖深度大，尤其是塔楼电梯井部位，为防止开挖后第⑦层承压水造成坑底突水，需采用深井减压降水。勘探期间测得承压水水头埋深 8. 00m，参数利用抽水试验所获得的数据，经计算确定塔楼电梯井深坑周围布置 6 口降压井(其中 1口为水位观测兼备用井)，另外，坑外北侧和南侧分别布置 1 口承压水位观测井。
本工程地下连续墙深度未隔断第⑦层承压水层，坑内外承压水连通，降承压水将会对地铁沉降造成影响，为此降承压水需做到按需降水。根据开挖时实测承压水位和抽水试验得到的参数，确定不同开挖工况和深度时，需要降低的承压水水头高度以及开启的承压水抽水井的井数和井号，随基坑开挖深度逐步降低承压水头。塔楼电梯井深坑开挖在23m 前 1 ～ 2d 开启承压井进行降水，降承压水期间，监测数据显示，地铁隧道沉降速率明显加大，为此临时改变电梯井深坑与塔楼底板一次浇筑的方案，电梯井深坑单独浇筑，浇筑完成随即关闭承压井，承压井抽水时间仅历时 2 周，未对地铁造成影响。
5. 3 土方开挖
5. 3. 1 总体原则
基坑土方开挖针对上海地区软土流变特性，应用“时空效应”理论，严格遵循“分层、分段、分块、留土护壁、限时对称平衡开挖支撑”的原则。做到先撑后挖，尽量减少基坑无支撑的暴露时间。
5. 3. 2 南坑土方开挖
南坑土方按支撑布置分 5 层开挖。按设计要求，每道支撑形成并达到设计强度的 80% 后，方可开挖下层土方。但实际施工中，为加快施工进度进行流水施工，结合支撑体系特点及支撑形成顺序，确定某区域下层土方开挖条件满足该区域支撑达到设计强度的 80% 、且本层土方开挖完成支撑整体形成2 个条件即可，不需等到整道支撑达到设计强度。
第 1 层土挖深较浅，不对基坑变形造成影响，采用大面积开挖。第 2 ～ 4 层土开挖采用盆式开挖法，先开挖盆中土形成盆中支撑，再开挖盆边土。为减少围护墙无支撑暴露面积和时间，盆边土分小块开挖，并限制每块开挖和支撑形成时间，距地铁 50m范围外为 48h，50m 范围内为 30h。同时为保护地铁，土方开挖及支撑形成总体顺序为由南往北，先开挖距地铁 50m 范围外土方，再开挖 50m 范围内土方，并有利于先及时形成中间主对撑，再形成两侧次要对撑和斜撑。
第 2 层土方开挖分块及顺序如图 3a 所示(按字母和数字顺序依次开挖)。北侧角部土方开挖顺序按斜撑布置分条由外向内进行，每道斜撑形成后，必须等待 2d 并达到设计强度的 30% 后，才允许挖机通行，深入角部进行下一条块挖土，虽然每个条块挖土支撑满足限时要求，但整个第 2 道支撑的形成时间延长，对控制基坑变形不利。
监测数据反映第 2 层土方开挖期间地下连续墙水平位移有加大的趋势，及时对第 3，4 道支撑布置进行调整，利用试桩作支撑立柱，东西向增加 4 根支撑，南北向增加 1 根支撑，形成井字对撑形式，增加了支撑体系刚度。第 3，4 层土方开挖分块如图 3b所示，监测数据显示第 3，4 层土方开挖期间，地下连续墙水平位移加大的趋势明显减缓，原因在于井字对撑体系较十字对撑加角撑体系刚度增大，且井字对撑避免了第 2 层土角部土方开挖和斜撑形成缓慢，有利于土方开挖、加速形成支撑。
第 5 层土挖至基础底板底，为及时对坑底进行压载、控制坑底隆起，第 5 层土也需分块开挖，开挖分块结合基础底板浇筑分块进行划分，如图 3c 所示，先开挖Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ区，及时施工裙房底板，然后开挖中央Ⅴ区及电梯井深坑，施工塔楼底板。随挖随浇捣底板垫层，并将垫层厚度增至 300mm，强度等级提高至 C40，且配置两层双向Ф8mm@ 200mm钢筋网片，以增强垫层刚度。
5. 3. 3 北坑土方开挖
北坑呈狭长形，土方开挖结合支撑布置分层分段开挖，竖向分 5 层，每层分段，每段长度不超过6m，随挖随撑，每段土方开挖到支撑预应力施加完成不超过 12h。为加快挖土速度，采用 2 套挖土设备，从基坑两头向中间同步开挖。北坑土方开挖分块如图 4 所示。
5. 4 钢支撑轴力自动控制技术
南坑地下结构施工完成后地铁沉降约 14mm，按地铁保护要求，北坑开挖对地铁隧道产生的附加影响必须控制在 5mm 以内，经计算分析，北坑北侧地下墙的水平位移必须控制在 13mm 以内才能确保隧道运营安全。如果采用常规设计、施工方法，钢支撑采用人工施加轴力，即使坑内采用大量的地基加固，严格控制基坑开挖和支撑安装时间，也会由于钢支撑的易松弛和不能及时复加轴力使围护墙变形逐渐增加，难以达到上述保护地铁的变形控制目标。
为此，研究开发了“软土地区基坑钢支撑轴力自动补偿及位移控制系统”，并首次应用于本工程北坑第 4，5 道钢支撑(与地铁隧道腰部等高位置)，该系统实现了基坑钢支撑轴力自动复加和控制，改变了传统钢支撑轴力易松弛和复加滞后的情况，对钢支撑轴力的监测和控制实现了 24h 不间断数据传输，使工程始终处于可控和可知状态。该系统的应用有效减少和控制了北坑开挖邻地铁侧围护墙的水平位移和地铁隧道的变形，保证了地铁的运营安全。
6 基坑监测及信息化施工
本工程基坑施工难度高、周边环境复杂、保护要求高，为确保基坑及地铁运营安全，在基坑施工过程中跟踪施工活动，对基坑本身、坑周地层、附近建(构)筑物、地铁隧道、地下管线等保护对象的变形及受力情况进行实时监测监控，分级对变形及变形速率设置报警值，将监测数据及时与计算预测值相比，判断施工工艺和施工参数是否符合预期要求，以确定和优化下一步施工参数，真正实现信息化施工。
南、北坑基坑开挖期间将监测频率加密至每天一次，每天对监测数据进行分析，并将数据及分析结果反馈设计单位及相关单位，以便及时采取措施、调整设计和施工方案。
1) 经对第 2 层土方开挖监测数据分析发现基坑变形有加大趋势，及时调整第 3，4 道支撑布置，并调整第 3，4 层土方开挖分块及开挖流程，有效抑制了基坑变形。
2) 开挖塔楼电梯井深坑开始降承压水，监测数据显示，地铁隧道沉降速率明显加快，调整塔楼电梯井深坑与塔楼底板混凝土一次浇筑方案，塔楼电梯井深坑与塔楼底板分 2 次浇筑，先行浇筑电梯井深坑。为减少电梯井深坑钢筋绑扎时间，与设计方协商，减少电梯井深坑底板钢筋数量。电梯井深坑混凝土浇筑完成后，随即停降承压水，将承压水降水时间压至最短。
3) 通过对南坑开挖阶段现场监测数据分析，对计算参数进行合理修正;通过平面及三维有限元计算分析得出地铁隧道变形与围护结构变形的关系，根据地铁隧道 5mm 的变形控制标准，得出北坑围护结构变形控制指标和分级控制变形指标;根据有限元法分析计算得出达到围护变形控制指标所需的钢支撑预加轴力值，从而得出钢支撑轴力自动控制系统的轴力控制值。
基坑施工完成后，地铁隧道的累积沉降变形控制在预期要求的 20mm 以内。北侧地下连续墙累积测斜值最大点监测数据和地铁沉降监测数据如图 5所示。
7 结语
软土地区与运营地铁区间隧道距离近、且平行长度长的深基坑，施工难度非常大，该基坑工程的成功实施，取得了如下经验。
1) 根据与地铁隧道距离的远近，将基坑分成大小坑分块施工，先开挖远离地铁的大坑，大坑地下结构完成后，再开挖邻近地铁隧道的小坑。
2) 采用合适的被动区土体加固，大大提高被动区土体抗力，阻止水平位移向地基土体深层传递，有效减少基坑围护结构的水平位移。尤其是在靠近地铁隧道的小坑坑底布置水泥土搅拌桩满堂加固，坑底以上布置水泥土搅拌桩抽条加固，并在大坑第 2层土方开挖前完成并达到设计强度，对于减少基坑邻地铁侧围护墙位移、保护地铁具有重要意义。
3)小坑采用钢支撑轴力自动控制系统，有效减少了近地铁小坑开挖时地铁侧围护墙的水平位移。
4)紧邻地铁基坑降承压水对地铁沉降影响明显，为保护地铁，降承压水需做到按需降水，并采取多种措施，尽量缩短降承压水时间。
5)土方开挖严格遵循“时空效应”原理，分层分块开挖，合理安排挖土流程，减少围护墙无支撑暴露面积和时间。加快整个基坑的挖土速度，有利于基坑的变形控制。
6)为及时对坑底进行压载，有效控制坑底隆起，最后一层土需分块开挖、分块浇筑基础底板，并随挖随浇筑底板垫层，提高垫层混凝土强度等级、增加垫层厚度并适当配筋，增强垫层刚度。
7)做好基坑及周边环境监测，进行信息化施工，确保基坑及周边环境安全。
参考文献:
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