我国城市化进程的快速推进使城市地下空间开发和利用得到快速发展, 基坑工程呈现面积大、深度大、环境复杂、紧邻地铁等发展趋势^[1,2]。目前, 基坑开挖多采用盖挖法、时空效应开挖法、分区分层开挖法和分期开挖法等施工技术^[3,4,5,6,7]。然而上述方法存在工序复杂、工期长、基坑封底周期长、受气候环境影响大等问题。高层建筑基坑紧邻地铁车站的情况越来越多, 许多学者对此开展了大量研究工作。对于软土地区基坑开挖变形控制难题, 李成巍等^[6]以上海市某邻近地铁基坑开挖工程为背景, 提出分区分层同步开挖施工技术;刘卫未等^[7]在北京国贸改扩建工程基坑开挖施工中采用分期开挖技术。根据基坑与既有地铁车站的距离不同, 朱炎兵等^[8]和郭典塔等^[9]在同时考虑基坑与地铁车站距离、基坑开挖深度的情况下确定基坑开挖对地铁车站安全运营的影响程度。在加强基坑支护方面, 曾庆国等^[10]提出“地下连续墙+内支撑+止水帷幕”的综合防护措施。部分学者还在基坑开挖方法、施工顺序、降水等方面开展了相关研究^[11,12,13], 但对于既有地铁车站两侧深大异形基坑的研究及工程案例寥寥无几。

天津市地铁5号线思源道站上盖地块结建地下空间工程位于河北区思源道、群芳路、白杨道与红星路相交地块。基坑形状不规则, 以思源道站为分界线, 分为东西侧2部分。其中, 东侧基坑长191.08m, 宽107.57m, 开挖面积约1.25万m²;西侧基坑长145.113m, 宽95.778m, 开挖面积约0.85万m²。根据该工程不同区域的功能区别, 基坑开挖深度为15～20m。

基坑开挖范围内土层主要为粉土层和粉质黏土层, 如表1所示。场地内表层地下水为第四系孔隙潜水, 赋存于第Ⅱ陆相层、粉土层中的地下水具有承压性。场地内主要有2层承压含水层, (8) ₂粉土层为第1承压含水层, 以 (7) 粉质黏土层和 (8) ₁粉质黏土层为主要隔水层顶板, 层顶埋深约16.9～20.4m; (9) ₂粉土层、 (10) ₂粉土层为第2承压含水层, 以 (9) ₁粉质黏土层为主要隔水层顶板, 层顶埋深约24.0～27.8m, 局部以透镜体形式存在。

基坑周边环境特殊, 除与加油站、高压输电线及自来水管道毗邻外, 还紧贴并环绕思源道站。采用何种方式实现短期内大方量 (32万m³) 土方开挖并确保基坑稳定性是本工程的难点。基坑开挖影响范围内赋存2层承压含水层, 基坑开挖期间承压水层极易发生涌水、涌泥、沉陷及坍塌等事故。

由于基坑开挖面积和深度较大, 且紧贴并环绕思源道站, 变形控制要求较严格, 结合地质勘察报告及周边情况, 在保证安全的基础上尽量缩短工期、节省造价, 采用大基坑整体开挖的施工方式, 围护结构选用地下连续墙。地下连续墙厚800mm, 基坑底以下有效嵌固深度12.55m, 有效长度25m, 地下连续墙底部存在5m深素混凝土段。

东西侧基坑均为相对独立的封闭基坑, 东侧设置2组环梁支撑体系, 大环梁直径82m, 小环梁直径40m, 南北向最长191.2m, 东西向最宽106.2m, 基坑面积约12 176m²;西侧设置1组环梁支撑体系, 环梁直径72m, 南北向最长144.7m, 东西向最宽94.2m, 基坑面积约8 254m²。

由于开挖深度较大, 东西侧基坑均采用3层钢筋混凝土环形辐射支撑体系 (由环梁、辐射支撑、对撑和角撑组成) , 且每道支撑位置尽量靠近地铁车站主体梁板位置, 同时兼顾地下连续墙变形及受力。第1道支撑处于帽梁位置, 位于车站主体1层顶板以上1.5m;第3道支撑与车站主体地下1层底板平齐。靠近地铁车站主体结构一侧利用车站围护结构施工腰梁, 形成完整的支撑体系。

采用东西侧基坑同时对称按需降水的方式保证两侧出水量基本相同, 对称降水主要包括以下原则。

1) 主要潜水含水层为杂填土、粉质黏土和粉土层, 局部夹有淤泥质土, 含水介质颗粒较细, 含水量丰富。因此, 布设疏干井在基坑开挖前进行一定时间预抽水。同时, 在土方开挖过程中结合明排措施降低土层含水量, 方便土方开挖及开挖面施工。

2) 对于第1承压含水层, 场区整体范围内止水帷幕均隔断该层承压水, 基坑开挖面局部已揭露该层, 无需布置降水井, 疏干处理即可。

3) 对于第2承压含水层, 东侧基坑 (9) ₂粉土层与 (10) ₂粉土层间存在连续粉质黏土层, 止水帷幕未完全隔断 (10) ₂粉土层, 局部止水帷幕深度与含水层底部基本平齐, 因此, 东侧基坑第2承压含水层与基坑外部存在一定水力联系;西侧基坑 (9) ₂粉土层与 (10) ₂粉土层完全连通, 且止水帷幕隔断第2承压含水层, 止水帷幕墙趾超过第2承压含水层底部约0.8～1.5m。

基坑开挖后, 基坑与承压含水层顶板间距减小, 承压含水层上覆土压力随之减小;当基坑开挖至一定深度后, 承压含水层顶板处的承压水顶托力可能大于其上覆土压力, 导致基坑底部失稳, 严重危害基坑安全。因此, 在基坑开挖过程中需考虑基坑底部承压含水层水压力, 必要时按需降压, 保证基坑安全。

针对该基坑特点, 根据支护方式, 采用“先撑后挖、分区、分层、分步、东西侧对称、岛式、退挖”并配合临时栈桥的大基坑整体开挖施工方式。充分利用时空效应, 将挖土和支撑紧密联系, 采用栈桥+岛式退挖的开挖方法不间断地连续进行土方作业, 并在土体暴露后的最短时间内形成支撑体系, 减小基坑及周边土体变形。该土方开挖技术在天津地区的应用尚属首次, 无成熟施工经验可借鉴。

基坑竖向挖除4层土, 首先挖除水平支撑处土方, 进行水平支撑施工及养护;待支撑体系养护达到设计要求后进行下层土方开挖, 每步均采用分区开挖, 每区开挖时先挖周边 (环形支撑下部) 再挖中心, 将挖土与支撑施工紧密联系、穿插进行, 保证基坑安全, 中心开挖时采取中心岛退台开挖的方式。

水平方向东西侧基坑同时分层、对称开挖, 先掏角再清边, 车站两侧20m范围内共划分5段, 开挖时每段保持同深、同长, 确保既有地铁车站两侧挖土部位和深度一致且对称, 防止因土方高度不同而产生的压力差, 影响车站稳定。

1) 表层土方开挖时仅开挖支撑体系所在区域土方, 环梁内中心岛土方不开挖, 栈桥处预留8m宽临时道路, 连接中心岛与出土平台作为出土通道。随着开挖面的进行, 穿插施工支撑体系, 混凝土支撑养护期间进行栈桥搭设施工, 如图1a所示。

2) 待第1道水平支撑达到设计强度后, 按“先掏角再清边退至中心岛出土”原则开挖环梁角撑部位土方, 由角部向中心岛退台开挖。东西两侧各分3个区同时对称开挖, 挖土部位、宽度及深度保持一致, 挖至支撑标高后立即进行支撑施工, 在土方开挖完成72h内形成支撑体系 (见图1c) 。

3) 待第2道水平支撑达到设计强度后开始第3层土方开挖, 如图1b所示。按“先掏角再清边退至中心岛出土”原则开挖环梁角撑部位土方, 由角部向中心岛退台开挖。与第3层土方开挖相同, 东西两侧3个区同时对称开挖。

4) 第3道支撑施工完成后, 栈桥下方土方被掏空, 在基坑内由多台挖掘机传递倒运土方至中心岛, 将长臂挖掘机座于栈桥平台上, 对中心岛取土。

5) 待第3道水平支撑达到设计强度后, 按“先掏角再清边退至中心岛出土”原则开挖环梁角撑部位土方, 由角部向中心岛退台开挖。东西两侧3个区同时对称开挖, 并穿插施作支撑体系, 如图1c所示。

6) 开挖至设计标高以上30cm时剩余的30cm采用人工找平, 混凝土垫层随挖随浇, 每开挖400～500m²立即浇筑底板垫层, 垫层必须在见底后24h内浇筑完成, 防止基坑底部发生隆起。

在基坑开挖施工期间必须根据基坑围护结构、支撑体系、既有地铁车站及周边建筑等变形反馈优化基坑开挖及降水作业, 从而实现施工过程信息化, 确保基坑开挖施工顺利及周边建筑环境的安全。为此, 建立基坑、地表、周边建筑、既有地铁车站等在线监测数据信息管理平台。

图2所示为地下连续墙顶部典型位置水平、竖向位移变化曲线。由图2可知, 基坑施工初期在开挖卸荷作用下, 地下连续墙顶部变形有所增加, 环形支撑体系等支护结构施作后地下连续墙变形有所减缓及恢复;随着开挖的进行, 地下连续墙水平位移又出现显著增加, 但幅值始终<20mm, 并逐步收敛至稳定, 均满足控制标准 (<30mm) 。

图3所示为地铁隧道内轨道结构典型位置竖向位移变化曲线。由图3可知, 在基坑开挖行为的扰动下, 地铁隧道出现一定程度的变形。由于隧道上部土体开挖卸荷作用, 轨道结构变形以隆起为主, 随着开挖深度的增加变形逐渐累积, 但在基坑施工过程中始终<5mm, 满足控制标准 (<10mm) 。

结合天津市地铁5号线思源道站上盖地块结建地下空间工程基坑开挖实际情况, 针对该基坑开挖面积大、深度大、富水软弱地层的工程特点, 提出并在天津地区首次应用大面积基坑整体对称开挖关键技术, 并辅以环形辐射支撑体系、对称降水、在线安全监测等多项综合施工关键技术。在线监测数据结果表明基坑开挖过程中各项指标稳定, 且施工效果良好。