复杂环境及风化岩条件下邻近地铁超大深基坑支护设计选型

汪 浩，刘双桥，宋 志，程 康，周 豪，崔耀宗

(中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北 武汉 430064)

1 工程概况

1.1 工程总体概况

武汉梦时代广场项目位于武汉市武昌区，紧邻武商亚贸，在武珞路以南，武珞路与宝通寺路、石牌岭路、紫阳东路之间。本工程地下4层、地上9层，总净用地面积10.251 1万m2，总建筑面积约79.588 5万m2，其中地上建筑面积45.737 5万m2，地下建筑面积33.851万m2，为集商业、餐饮、室内乐园、冰雪乐园于一体的特大型独栋商业综合体，定位华中区商业旗舰(见图1)。

图1 武汉梦时代广场项目效果

本工程基坑超大超深，平面面积达9.53万m2，长450m、宽240m，开挖深度为15.3～27.6m，毗邻高层建筑、地铁、管网等，周边环境十分复杂。

1.2 工程地质条件

1)地形地貌 本工程地貌单元属长江冲洪积三级阶地，场地地势有一定起伏，表现为东高西低、南高北低，地面标高在26.030～40.990m。

2)工程地质特征 本工程拟建场地处于锅顶山—王家店褶皱的倒转背斜核部。场地内分布的地层有素填土、第四系全新统冲洪积层、第四系上更新统冲洪积层、志留系岩层。地基土自上而下分层的工程特征指标如表1所示。

表1 地基土分层工程特征指标

3)水文地质条件 本工程拟建场地地下水为上层滞水，主要赋存于表层素填土层之中，大气降水及地表水是其主要补给来源。勘察期间，测得稳定水位埋深为0.50～2.50m，相当于高程30.950～25.780m。

1.3 基坑周边环境概况

武汉梦时代广场项目基坑地处闹市区，基坑被4条市政道路环抱，周边紧邻地铁、高层建筑、电缆、管网等建(构)筑物，周边环境复杂。整体地势呈东高西低、南高北低特点(见图2)。

图2 基坑周边环境示意

基坑北侧：紧邻主干道武珞路、地铁2号线区间及地铁宝通寺站。基坑距离武珞路最近为19m，距离地铁宝通寺站最近为3.9m。在基坑边线与武珞路之间存在市政污水管道、埋地电缆。

基坑东侧：东北角为武商亚贸购物中心(31层)，东侧为市政道路石牌岭路。

基坑南侧：南侧为在建的市政道路紫阳东路延长线，道路上方有10，110kV架空高压线。

基坑西侧：西侧为市政道路宝通寺路。西北角原为江天大厦，爆破后遗留2层地下室结构。

1.4 基坑工程特点及难点

1)基坑平面面积大、深度深。平面面积达9.53万m2，长450m、宽240m，开挖深度达15.3～27.6m。

2)基坑周边环境复杂，变形控制要求高，制约因素多。本基坑地处闹市区，被4条市政道路环绕，交通人流量大，周边紧邻高层建筑、地铁、污水管道、埋地管网、架空高压线等建(构)筑物，环境十分复杂，对变形控制和基坑施工安全要求高，支护设计选型及施工制约因素多。

3)施工场地狭小。基坑边线即为用地红线，施工可利用场地狭小，场地平面布置困难。

4)场地起伏大，表现为东高西低、南高北低，高差达到15m。

5)基坑土石方量大，岩层厚且坚硬，开挖困难。本基坑土石方总量185万m3，其中石方量达110万m3，地表以下0.7～10m即进入中微风化岩层，单轴饱和抗压强度最大达18.77MPa。

2 支护设计方案选型分析

2.1 总体方案选型分析

2.1.1逆作法

优点：①可利用主体水平结构作为支撑，支撑刚度大，可有效控制基坑变形和提高基坑稳定性；②具有一定的经济优越性；③可将地下室顶板加固后作为施工平台和材料堆场，有效解决施工场地狭小问题。缺点：①工艺复杂，各专业工种关联度高；②逆作期挖土效率低，成本高，总工期加长；③对施工单位的管理、协调、技术水平及该方面施工经验的要求较高。

本工程作为超大体量的地标性商业建筑，社会关注度高，工期十分紧张，而逆作法受结构设计进度制约大,土方开挖难度大,地下室结构施工技术复杂，多种因素造成整个工程工期远长于顺作法，不宜选用。

2.1.2顺作法

优点：①施工顺序流畅，土方开挖快，造价较低；②支护结构施工对主体结构施工质量及成本产生无影响；③基坑支护结构的设计与主体设计关联性较低，受主体设计进度的制约小，基坑工程有条件尽早开工。缺点：①临时性支撑会产生一定的工程成本；②临时性支撑须后期拆除，且支撑下土方开挖有一定难度。

根据本工程特点，综合考量安全性、经济性、可行性和施工便利性等因素，结合国内类似基坑工程经验，本工程采用顺作法基坑支护方案符合本工程技术经济性要求。

2.2 顺作法总体支护设计选型分析

顺作法包含桩撑、桩锚、多级支护等多种形式，根据不同区域的地理条件，结合各类型支护形式特点进行选型。

基坑南侧及西侧紧邻市政道路，开挖深度为15.3～23.3m，周边环境较其他区域简单，采用桩锚支护形式。

基坑西北角毗邻爆破后的江天大厦地下室，为基坑阴角部位，开挖深度为15.8m。江天大厦地下室范围以内利用旧地下室结构作为基坑支护结构的一部分，形成挡土墙支护。江天大厦地下室范围以下深度采用桩撑、桩锚形式。

基坑北侧毗邻地铁区间及地铁站房结构，开挖深度为17.8m，变形控制要求高，且不允许采用锚索，故选用中心岛支护形式。

基坑东侧紧邻市政道路，地势最高，开挖深度最大达27.6m，且为基坑阴角部位，基坑变形要求高，采用桩撑支护形式。

2.3 各区段具体支护设计

本基坑竖向围护体系采用钻孔灌注桩，桩间采用土钉挂网喷锚形成止水构造；水平支撑体系采用锚索(杆)、钢筋混凝土支撑、钢管撑、反压土等形式。不同区段根据工程地质条件、周边环境及施工要求对竖向围护体系与水平支撑体系进行合理的搭配组合。

1)E-A3-X3区段 该区段毗邻市政道路，支护采用桩锚形式，具体为h型高低桩+多排锚索支护。外排高桩型号为φ800@1 000,φ1 000@1 200 2种，内排低桩型号为φ1 200@1 400，锚索采用1～4排可回收预应力锚索。内外高低桩间平台采用200mm厚C20素混凝土硬化，并间隔6m布置连梁(见图3a)。

2)X3-X3a区段 该区段毗邻爆破后的江天大厦地下室，巧妙利用旧地下室结构作为基坑支护结构的一部分。支护分为上、下2段，上段通过格构锚杆、剪力墙加固江天大厦地下室外墙形成地面至-11.2m支护，下段通过桩撑形成-11.2m至基坑底支护，下段桩型号为φ1 200@1 400，水平撑为1道角撑(见图3b)。

3)X3a-X3b区段 该区段支护分为上、下2段，上段通过反压土对江天大厦地下室外墙反压形成地面至-11.2m支护，下段通过桩撑形成-11.2m至基坑底支护，下段桩型号为φ1 200@1 400，水平撑为1道角撑(见图3c)。

4)X3b-X4区段 该区段支护分为上、下2段，上段通过反压土对江天大厦地下室外墙反压形成地面至-11.2m支护，下段通过桩锚形成-11.2m至基坑底支护，下段桩型号为φ1 200@1 400，锚索为1道(见图3d)。

图3 E-A3-X3，X3-X3a，X3a-X3b，X3b-X4区段基坑支护示意

5)X4-X6，X7-H4，H3-H3a区段 该区段紧邻地铁结构，最近处仅3.9m。采用桩锚法存在锚索侵入地铁保护区内的问题，故选用中心岛法，即完成支护桩施工后，由上至下逐层开挖土石方并预留反压土，优先进行反压土体外地下室结构(即中心岛)施工，施工中心岛与支护桩间对撑后，由上至下开挖反压土石方，最后顺作反压土体区剩余地下室结构并逐层换撑直至地下室结构封顶。该方式具有3方面优势：①能保证中心岛区域土方在敞开条件下快速开挖，结构施工及时插入；②反压留土区只侵占纯地下室结构，不影响地上结构施工；③通过调节对撑高度，能保证大型设备作业空间，提高留土区岩层开挖效率。

桩型号为φ1 200@1 400，预留反压土体为三级放坡形式，放坡坡比1∶0.5，边坡平台宽度为3m，临空面采用土钉挂网喷锚支护对土体进行防护。采用2层600mm×800mm钢筋混凝土对撑梁作为水平内支撑体系，标高分别为-5.100，-11.700m。对撑梁一端位于中心岛地下室结构侧，另一端位于支护桩侧。考虑到土方开挖净空需求，为抬高对撑高度，在中心岛地下室结构侧设置反力墩。同时，因对撑跨度较大，达21m，故在对撑中部采用格构柱+托梁构造减小对撑跨度，增强其稳定性(见图4)。

图4 X4-X6，X7-H4，H3-H3a区段基坑支护示意

6)X6-X7，H3a-H1，H0b-H0c，H0d-G1区段 X6-X7，H3a-H1区段位于临近地铁基坑阴角部位，H0d-G1区段位于临近大楼基坑阴角部位，采用桩撑支护形式。桩型号为φ1 200@1 400，水平撑为2道角撑(见图5)。

图5 X6-X7，H3a-H1，H0b-H0c，H0d-G1区段基坑支护示意

7)H4-H3区段 该区段因存在地铁连通口结构，支护土体高度较低，同北侧大面采用桩撑支护形式唯一区别为钢筋混凝土对撑梁仅有1道(见图6)。

8)H1-H0b区段 该区段紧邻宝通寺B出口风亭，若采用整体方案中留土反压+换撑梁，则会导致留土区域与地上结构边线冲突，留土区和地上结构冲突面积过大，导致后期结构施工进度受到影响。为了避让地上结构，避免地下结构施工滞后影响地上结构施工，造成整体进度缓慢，减少反压土宽度至12.55m，又将导致基坑支护结构位移增大，不满足规范要求。基于此问题，项目设计方及总包单位对方案进行了多次研究和论证，最终采用了一种“高低桩桩顶斜撑+多级支护+坑内预留土+结构楼板支撑”支护体系，经工程实践证明，该方案满足工程实际需求(见图7)。

图7 H1-H0b区段基坑支护示意

9)H0c-H0d，G1-G区段 该区段毗邻高层建筑，采用桩锚支护形式。桩型号为φ1 200@1 400，采用3道锚索(见图8)。

图8 H0c-H0d，G1-G区段基坑支护示意

10)G-F-E区段 该区段毗邻高楼、市政道路，且处于基坑阴角部分，采用桩撑支护。其中，GF段设有2道角撑；FE段设有4道角撑，且第1道角撑封板兼做栈桥使用(见图9)。

图9 G-F-E，F-E区段基坑支护示意

3 深基坑安全监测

1)常规深基坑监测 采用全站仪、应力计等按一级基坑要求监测以下项目：冠梁沉降及水平位移观测、边坡及挡土墙沉降与水平位移观测、支护桩深层水平位移监测、坑外土体深层水平位移监测、支撑轴力、双排桩连接梁内力监测、周边道路、管线及建筑物沉降监测、锚索拉力监测、立柱沉降监测、换撑阶段监测、现场目测(见图10)。

图10 常规深基坑监测平面

2)地铁自动化监测 采用高精度测量机器人(瑞士徕卡TM30自动全站仪)对基坑影响区域的地铁2号线平行区段双线车站隧道进行监测，监测项目为道床沉隆及水平位移监测、结构侧壁沉隆及水平位移监测、现场安全巡视(见图11)。

图11 地铁自动化监测平面

4 实施效果

受拆迁、设计、停工等因素影响，本基坑施工时间跨度大，自2016年10月开始施工至2020年11月地下、地上结构同步封顶，历经4次雨季考验。实践证明，本基坑在有效设计和规范施工的基础上，支护效果理想，基坑内部无渗漏，基坑变形均较小。第三方基坑监测报告结果显示，基坑周边环境累积沉降6.0～36.7mm，基坑支护结构及立柱累积沉降19.8～28.6mm，基坑水平累积位移17.5～37.5mm；地铁专项监测报告结果显示，道床累积沉降最大1.4mm，道床差异累积沉降最大0.9mm，水平位移累积沉降最大1.5mm，隧道收敛累计最大3.1mm，隧道拱顶累积沉降最大-1.0mm，均在可控范围。

5 结语

武汉梦时代广场项目基坑平面面积大、开挖深度深，且临近地铁、高层大楼、管网，周边环境复杂，支护时间跨度长。通过对支护效果、施工难易、工程造价、环境影响的对比分析，针对各区段特点选定有针对性的支护方案，整个基坑采用多种支护体系结合使用，充分发挥各支护体系优势，保证了施工期间基坑自身及周边建(构)筑物安全。