根据轨道交通设施保护要求, 地下车站和隧道结构外边线50m范围内为保护区范围, 在保护区范围内从事建设活动, 应采取有针对性的保护措施进行处理, 减小基坑工程对地铁和周边建筑物的影响。

本建设项目具有其特殊性, 主要在于施工过程在设计阶段完成后6年才启动, 导致设计和施工阶段的环境边界条件不一致。设计和施工必须随环境变化进行重大调整, 即在周边围护墙体、工程桩及基坑加固施工完成的前提下, 后加地下连续墙作为分隔墙进行分坑施工。这给设计和施工提出挑战, 由于工程桩桩间距较小, 分隔墙施工难度较大。如何在密布的工程桩之间科学合理布置分坑中隔墙, 并能顺利、保质施工分隔墙是本工程的关键。

项目位于苏州工业园区翠园路北侧, 现代大道南侧, 星湖街西侧, 华池街东侧, 紧邻苏州地铁1号线。基坑总面积约为19 211m²。裙楼区域基坑开挖深度为22.10m, 塔楼基坑开挖深度为25.0~25.2m。

基坑周边环境较为复杂, 基坑四周为市政道路, 市政道路外侧均有高层建筑。东侧已建成的望湖大厦、南侧已建九龙仓415m超高层苏州国金中心、西侧晋合广场和北侧在建嘉润广场距离基坑约28~45m, 其中望湖大厦设置2层地下室, 苏州国金中心设置5层地下室, 晋合广场设置2层地下室, 嘉润广场为4层地下室。另外基坑周边分布多种市政管线, 管线与基坑的距离在4~40m范围。

基坑南侧为正常运营的苏州地铁1号线, 地铁距离本基坑约7.5m。地铁为地下2层, 其中地下1层为商业, 地下2层为行车区间, 地铁采用4跨现浇钢筋混凝土框架结构, 底板埋深约15m, 地铁采用0.8m厚地下连续墙作为围护结构。目前地铁处于正常运行状态。

场区地貌类型属太湖冲湖积堆积平原区。地基土主要由黏性土、粉性土、砂性土等组成。场地土层主要物理力学参数如表1所示。

场区浅部地下水类型主要为潜水。 (4) ₁层粉土和 (4) ₂层粉砂层为微承压水含水层, 透水性好。 (8) ₂层粉质黏土夹粉土层为第Ⅰ承压含水层, 该承压水层上段, 实测水位标高在-2.840~-2.850m。

本工程于2010年10月开始启动, 项目开工时, 东侧望湖大厦和北侧协鑫广场均未施工, 南侧九龙仓项目正在施打工程桩, 西侧晋合广场正在施工上部主体结构, 南侧地铁尚未通车。设计方案采用地下连续墙+5道钢筋混凝土支撑的形式, 地下连续墙采用圆形锁口管柔性接头。其中地下连续墙厚度1.0m, 有效长度46.0m, 墙底进入 (9) 层粉质黏土3.10m。南侧临近地铁侧采用高压旋喷桩抽条加固, 原设计方案平面及剖面如图1所示。

本工程在2010年10月—2011年11月底期间, 完成外侧地下连续墙、旋喷桩、工程桩、立柱桩、加固桩施工后, 由于业主开发进度调整, 且受南侧九龙仓国金中心深基坑与本工程深基坑同时施工的影响, 项目于2016年01月份重新启动。基坑四周高层建筑上部主体结构已基本施工完成或已正常营业。另外南侧地铁已经正常运营。由于南侧地铁保护要求高, 原围护设计方案已不能满足此时环境保护及轨道交通部门的要求。

根据苏州市轨道交通安全保护技术标准, 涉及本项目的基坑工程设计方案控制要求如下。

1) 基坑施工宜遵循“分层、分块、对称、平衡、限时”的原则。

2) 对平行隧道方向较长的深基坑工程, 宜沿平行隧道方向划分成50~60m的长条分区基坑, 其宽度宜为20~30m, 坑与坑之间应设置隔离桩 (墙) 。

3) 安全管理等级为1级的基坑围护结构宜采用地下连续墙。

4) 安全管理等级为1级的基坑, 采用地下连续墙时, 墙厚度不应小于0.8m, 且应对邻近轨道交通侧的槽壁进行预加固, 槽壁预加固宜采用三轴水泥土搅拌桩。

5) 靠近轨道交通一侧的基坑围护结构, 其结构应与地下室结构侧墙之间密贴, 不宜采用离壁结构, 且应按一级防水要求设计。

6) 基坑内外地基加固应结合地层情况和工程安全管理等级进行, 加固深度不宜小于坑底以下4m;对于邻近轨道交通侧采用分区施工的小基坑, 宜采用满堂加固。

7) 支撑系统应结合基坑安全管理等级、规模与平面形状综合确定;首道支撑宜选用钢筋混凝土支撑;特殊情况下钢支撑应采用自动伺服钢支撑系统。

原围护设计方案无法满足上述2, 6, 7项要求, 故对围护设计方案进行调整并进行施工专项论证及轨道保护专项论证, 确保满足地铁运行的保护要求, 具体调整如下。

1) 围护结构调整原外侧围护墙保持不变, 在坑内沿东、西向平行于南侧基坑边线15m处采用1.0m厚地下连续墙作为分隔墙, 将基坑一分为二, 再将南侧15m宽窄条基坑采用2道南、北向分隔墙分为3个小基坑, 各分区分别命名为A, B, C, D 4区。其中北侧A区基坑面积16 805m², 南侧B, C, D区基坑面积分别为813, 834, 760m²。

2) 支撑体系调整北侧A区基坑采用5道钢筋混凝土支撑, 支撑采用“井”字对撑的形式, 其中第1道支撑部分兼作施工栈桥, 南侧B, C, D区基坑采用第1, 4道钢筋混凝土支撑, 第2, 3, 4, 5道采用609×16钢支撑轴力伺服系统。全自动应力补偿系统可以全天不间断实时监测支撑轴力变化情况, 系统根据轴力变化可自动给钢支撑加、卸载, 始终保持钢支撑处于正常工作状态。另外伺服系统钢支撑直接设置在地下连续墙上, 无需支模、浇筑腰梁, 省去腰梁养护工序, 节约工期, 实现快速开挖、限时支撑, 保证地下室地板快速完成, 稳定基坑变形。为保证对地铁及周边环境的影响降到最低, 采用分坑施工, 先施工A区, 待A区地下室结构封顶后施工B区, 待B区底板混凝土达到强度后, 开挖C, D区。

3) 基坑加固调整南侧3个小基坑未加固区域采用高压旋喷桩满堂加固。后加地下连续墙分坑围护方案如图2所示。

新老基坑开挖方案对周边地铁设施的设计变形影响值比较如下:原方案水平位移9.6mm, 竖向位移8.7mm;新方案水平位移4.9mm, 竖向位移4.3mm。

本工程场区第 (4) ₁粉土、 (4) ₂粉砂层为微承压含水层, 另 (8) ₂粉质黏土夹粉土层为承压水层, 经验算, 两层承压水均不满足稳定性要求。由于基坑外侧地下连续墙有效长度46.0m, 墙底标高-46.700m, 地下连续墙穿过 (8) ₂层进入 (9) 粉质黏土隔水层3.10m, 隔断两层承压水, 尽量将降水对周边环境的影响减至最小。故仅需对 (4) ₁粉土、 (4) ₂粉砂层和 (8) ₂层承压水进行适当降压即可。

新增中隔墙共计33幅, 其中东西向170m, 南北向2道共计30m, 分别有“—”、“L”、“T”3种形式。新增地下连续墙分布如图3所示。分隔墙按照“测量放线、导墙施工、成槽、槽底清基础、吊放锁口管、吊放钢筋笼、浇捣混凝土、拔出锁口管”的工况顺序施工。地下连续墙施工遇到的难题及解决措施如下。

在B, C, D 3区东、西向各取3幅、1幅和2幅地下连续墙进行预施工, 6幅地下连续墙在迎土面或开挖面导墙下0~12m范围内均出现不同程度的坍塌, 地下连续墙灌注充盈系数为1.075~1.60。原因分析如下。

1) 中隔墙施工时, 工程桩已施工完成, 且与中隔墙净距仅700mm, 无法施工三轴搅拌桩进行槽壁加固, 导致槽壁两侧土性无法改良。

2) 场地第 (4) ₁粉土和 (4) ₂粉砂层厚度较大, 透水性好, 增大了槽壁的不稳定性。

3) 槽壁外侧5m处分布有0.5~0.8m堆土, 堆土引起的超载加大了槽壁外侧主动土压力。

4) 分隔墙施工过程中, 个别成槽垂直度不满足要求, 碰触原灌注桩扩孔 (浮浆) 后进行纠偏, 导致成槽时间加长, 增大了槽壁坍塌的几率。

5) 施工过程中出现机械故障, 施工暂时中止, 已开挖槽体停滞时间较长。

针对以上问题及原因分析, 在后续施工中采取如下措施。

1) 调整泥浆配合比本项目泥浆适配阶段配合比为:密度1.06g/³, 黏度22s, 含砂率<3%, p H值8~9, 其常规配置如表2所示。施工过程中出现局部坍塌后, 对试配阶段泥浆进行调整, 即将原泥浆密度1.06g/cm³提高至1.10~1.24g/cm³, 原泥浆黏度由22s提高至33~40s, 增大泥浆对槽壁的侧向压力。

2) 减少周边堆载、控制周边重型车通行, 减小槽壁外侧超载引起的土压力。

3) 增加设备, 保证施工的连续性, 减少槽体因施工间断时间长发生徐变。

4) 减缓成槽出土速度, 避免槽内土体应力短时间集中释放。

5) 下放钢筋笼之前, 采用超声波检测槽体垂直度, 便于钢筋笼顺利下放, 避免后期修槽纠偏等情况, 加快成槽速度。

6) 及时检查, 发现异常情况及时调整, 并结合预备回填坑槽黏土等应急预案。

通过一系列针对性措施, 在后续地下连续墙施工过程中, 均未出现槽壁坍塌的现象。并在吊装施工前, 采用超声波检测确定垂直度满足要求之后, 再进行吊装施工, 保证了分隔墙的快速顺利施工, 取得了良好的效果。

由于分隔墙位于基坑内部, 在施工过程中, 共计有4根600灌注桩、多处850@600坑内加固和槽壁加固三轴搅拌桩与新增地下连续墙冲突, 需要将灌注桩、三轴搅拌桩清除后方可施工地下连续墙。清障设备选择DTR1505全套管全回转钻机。其中灌注桩桩身差长度25.1m, 需清除至桩底;槽壁加固三轴搅拌桩桩底埋深25.0m, 需清除至桩底;坑内加固三轴搅拌桩桩身标高-16.300~-22.800m, 清障深度为23m。原工程桩、加固桩与新增地下连续墙位置如图4所示。

清障时, 首先清除套管中工程桩上部土体, 然后采用重锤冲碎桩身, 最后采用抓斗清除碎桩, 清除完成后, 采用优质黏土回填, 同时拔出套管, 完成整个清障工作。由于工程桩埋深较深, 施工难度大, 需在施工前对要拔除的工程桩进行精准定位, 减少后期机械调整难度。

分隔墙施工前, 对与其冲突的工程桩采取清障措施。分隔墙施工完成后, 根据分隔墙及工程桩分布情况, 已不适合在周围进行补桩。经过多方讨论, 决定采用地下连续墙等效代替工程桩的方法保证基础结构的稳定性满足要求。对地下连续墙分别进行抗拔、抗压及裂缝控制验算。经计算, 原工程桩单桩承载力为2 432.06kN, 6m宽单幅分隔墙承载力15 957.6kN, 满足抗压承载力要求。

综上可知, 分隔墙代替工程桩的抗压、抗拔承载力验算均满足要求。该方法能有效解决清除工程桩给基础结构稳定性造成的影响。

本工程分隔墙区域采用1.0m厚地下连续墙, 深度达40m。北侧大基坑开挖至基底时, 计算分隔墙变形。根据同济启明星计算, 开挖至基底时, 分隔墙最大侧向变形约42mm。根据现场监测结果显示, 分隔墙最大侧向变形约35mm, 现场监测结果如图5所示。

经对比, 现场监测结果比理论计算偏小。这主要是由于南侧小基坑内土方采用三轴水泥土搅拌桩进行满堂加固, 即坑底至坑底以上6.50m (-16.300~-22.800m) 范围三轴搅拌桩水泥掺量20%, 坑底以上6.5m至自然地坪 (-16.300~-0.700m) 范围三轴搅拌桩水泥回掺10%。土层被加固后, 土性条件变好, 导致分隔墙外侧主动土压力变小;另外, 理论计算没有考虑分隔墙南侧基坑外围地下连续墙的隔离作用, 即基坑南侧外围地下连续墙对分隔墙而言, 分担了一部分主动土压力的同时, 切断了大基坑开挖时分隔墙南侧土层的应力场分布。综上, 分隔墙外侧土体加固及外围地下连续墙的隔离作用是导致理论计算结果大于实际监测数据的两个主要原因。

本工程针对南侧地铁进行了专项监测, 监测内容包括地下1, 2层侧墙位移、地下1层中板沉降、地下2层道床沉降、地下2层夹层沉降、附属结构沉降等。根据此部位轨道监测数据, 轨道区间段最大位移如下:坑底和正负零最大水平位移1.7mm, 最大竖向位移2.4mm。

附属结构沉降 (风亭) 沉降监测均在-2.0mm左右, 各项监测最大累计均不超过5mm累计预警值和7mm最大累计报警值, 满足地铁轨道保护要求。

1) 本工程基坑普遍区域开挖深度22.1m, 塔楼区域开挖深度约为25.0m, 基坑面积接近2万m², 属于大型超深基坑, 且紧邻地铁, 环境保护要求高, 需采用刚度大、整体性好的地下连续墙, 并结合分坑施工的方案, 方能满足地铁轨道的保护要求。

2) 在基坑周边地下连续墙及基坑内工程桩、加固桩已施工的前提下, 项目由于某种原因暂停, 久置后重启时, 由于周边环境变化, 需对设计方案进行加强时, 采用后加中隔墙进行分区设计和施工的思路, 可以为有类似情况的项目提供参考。

3) 地下连续墙未进行槽壁加固时, 采取调整泥浆配合比、减少周边静、动荷载、连续施工、减缓成槽出土速度等措施进行处理, 可减少产生地下连续墙颈缩、塌孔现象。

4) 清除与分隔墙冲突的工程桩后, 在无法补桩的情况下, 采用分隔墙代替工程桩的方案, 可以有效解决工程桩缺失问题, 保证基础结构的稳定性。

5) 大型超深基坑, 通过隔断承压水、减压降水技术能够有效减弱因降水导致周边建筑物沉降趋势。采用全自动钢支撑轴力伺服系统, 可以实时监测支撑体系的稳定性和有效性, 进而控制基坑变形。