穿越軟土盾構(gòu)地鐵車站基坑施工安全控制措施

茆玉峰

(中鐵十七局集團(tuán)有限公司，上海 200235)

1 工程概況

該車站位于上海市，為地下2層三跨(局部為四跨)島式車站，車站共設(shè)三座出入口，兩組風(fēng)井，采用明挖順作法施工。該車站結(jié)構(gòu)形式采用兩柱三跨2層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積9 693．6 m2，基坑最大深度19．1 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻、鋼筋混凝土/鋼支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大深度36．8 m，共有6道支撐，其中第一、四道為鋼筋混凝土支撐，其余為鋼支撐。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

2．1 地質(zhì)及水文地質(zhì)

擬建車站為東西向，地勢(shì)較平坦，標(biāo)高在3．79 m左右。西端頭井西側(cè)為木鐸港，水面標(biāo)高為2．23 m，擬建場(chǎng)區(qū)位屬濱海平原地貌類型。經(jīng)勘察，擬建沿線場(chǎng)地75．64 m深度范圍內(nèi)地基土屬第四紀(jì)濱?！涌谙?、淺海相、沼澤相、溺谷相和湖澤相沉積物。主要由粘性土、粉性土及砂土組成，一般呈水平向?qū)永矸植?。根?jù)地基土的特征、成因、年代及物理力學(xué)性質(zhì)，可劃分為8個(gè)主要層次，其中第①，②，⑤，⑦，⑧，⑨層根據(jù)土性的不同分別劃分為若干個(gè)亞層及次亞層。

上海第四紀(jì)松散沉積物厚度約200．0 m～300．0 m，地下水類型主要為松散巖類孔隙水，按形成時(shí)代、成因和水理特征可劃分為潛水含水層、微承壓含水層、承壓水含水層。其中與本工程建設(shè)密切相關(guān)的含水層為潛水含水層及第⑦層承壓水含水層。

潛水一般分布于淺部土層中，補(bǔ)給來(lái)源主要由大氣降水入滲及地表水側(cè)向補(bǔ)給，其排泄方式以蒸發(fā)消耗為主。淺部土層中的潛水位埋深一般離地表面0．3 m～1．5 m，年平均地下水水位離地表面0．5 m～0．7 m。由于潛水與大氣降水、地表水的關(guān)系十分密切，故水位呈季節(jié)性波動(dòng)。

擬建場(chǎng)地淺部地下水屬潛水類型?？辈炱陂g測(cè)得的地下水靜止水位埋深一般為1．00 m ～2．20 m(相應(yīng)標(biāo)高為1．11 m ～3．11 m)。上海年平均潛水高水位埋深可取0．50 m，低水位埋深可取1．50 m，設(shè)計(jì)可根據(jù)安全需要選擇合適的地下水埋深。擬建場(chǎng)地地下水和土對(duì)混凝土均無(wú)腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。

本工程承壓水含水層存在于第⑦層及第⑨層中，根據(jù)上海地區(qū)長(zhǎng)期觀察經(jīng)驗(yàn)，承壓水水頭低于潛水水位，埋深呈年周期性變化，變化幅度約為3．0 m～11．0 m。對(duì)本工程深基坑有影響的主要是第⑦層中的承壓水。根據(jù)對(duì)承壓水頭觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示該站承壓水水頭為地面以下6．5 m～6．6 m。

2．2 本標(biāo)段工程地質(zhì)、水文地質(zhì)的工程條件評(píng)價(jià)

1)第②3-1層以砂質(zhì)粉土為主，該層土土質(zhì)松散，局部夾大量粉砂，中等液化，基坑開挖時(shí)若不采取降水措施，該層土在水頭差的作用下，易產(chǎn)生流砂或管涌現(xiàn)象，故在基坑開挖前應(yīng)采取相應(yīng)的降、排水措施，應(yīng)將地下水降至坑底下一定深度。

2)由于基坑周邊以第④層，第⑤1層軟弱粘性土為主，上述土層具有較明顯的觸變及流變特性，受擾動(dòng)后土體強(qiáng)度極易降低，因此在開挖過(guò)程中應(yīng)避免在基坑周邊堆載及設(shè)置重型車輛行車路線，防止基坑失穩(wěn)。

3)擬建車站東南角為一港口，應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域圍護(hù)、止水及檢測(cè)工作，防止基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，同時(shí)應(yīng)注意基坑施工對(duì)木鐸港岸坡的影響，并做好相應(yīng)的防范措施。

4)本工程車站基坑開挖深度約15 m～16 m，經(jīng)估算，承壓水對(duì)基坑會(huì)產(chǎn)生突涌影響，施工時(shí)宜采取降水減壓措施。

3 深基坑施工安全技術(shù)措施

3．1 連續(xù)墻施工方案

本工程地下連續(xù)墻施工的主要困難包括:根據(jù)地勘報(bào)告，主體結(jié)構(gòu)穿越的各土層較為復(fù)雜，例如穿越區(qū)域以建筑垃圾為主的雜填土最深達(dá)4 m;易產(chǎn)生流沙、坍塌的砂質(zhì)粉土層深達(dá)8 m;場(chǎng)地中部以粘性土為主的土體，對(duì)鉆孔灌注樁施工有不利影響。另外，該基坑南側(cè)7．5為一小型港口，該港口水位變化將影響地下連續(xù)墻的成槽。針對(duì)以上不利因素，地下連續(xù)墻施工過(guò)程采用了以下應(yīng)對(duì)措施:

首先，采用水泥土換填的方式對(duì)雜填土進(jìn)行處理;采用水泥土攪拌樁處理易產(chǎn)生流砂的粉質(zhì)粘土層;對(duì)易產(chǎn)生縮孔的粘性土區(qū)域，將槽壁加厚;對(duì)于臨港口一側(cè)，采用地下連續(xù)墻和攪拌樁雙重加固。

其次，在成槽施工中選取SG-40成槽機(jī)，應(yīng)用導(dǎo)管法灌注混凝土，同時(shí)應(yīng)用泥漿護(hù)壁和重斗強(qiáng)抓;鋼筋籠采用一次焊接成型，設(shè)置主6、副4共10個(gè)吊點(diǎn)，應(yīng)用抬吊法整體入槽。

3．2 深基坑降水

基坑施工過(guò)程對(duì)土體抗力的影響較大，而土體抗力的降低有可能導(dǎo)致基坑底部隆起、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、周邊構(gòu)筑物沉降、底部管涌等安全事故，而導(dǎo)致這些安全事故的核心之一是地下水的影響。與此同時(shí)，良好的基坑降水方案有利于保障邊坡穩(wěn)定和拓展作業(yè)面，對(duì)縮短基坑施工工期具有較大的作用。

3．2．1 承壓水降水方案

承壓水降水方案按照《上海市基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程》，采用有效抽水面積為150 m2的疏干單井。依據(jù)該規(guī)范，基坑內(nèi)降水井的數(shù)量為:

式中:n——降水井的數(shù)量;

a——單井有效抽水面積;

A——基坑面積。

為滿足基坑底部的穩(wěn)定性條件(抗突涌)，采用式(2)對(duì)頂板間的土壓力和頂托力進(jìn)行驗(yàn)算。

式中:h——承壓含水層頂與基坑底的距離;

γs——兩者之間土重度;

H——含水層頂板與水頭高度的距離;

γw——水重度;

Fs——根據(jù)工程特點(diǎn)設(shè)定的安全系數(shù)，通常取值為1．0～

1．2，考慮到本工程的特點(diǎn)，該值最終取為1．1。降壓深度:基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算情況如下:按最不利條件，選取勘探孔S5ZK1為參考孔，⑦1層頂板標(biāo)高為－27．13 m，承壓水水位取3 m。

1)計(jì)算承壓水頂托力為:Fs·γw·H=1．10 ×10 ×27．92=307．12 kPa。

2)計(jì)算臨界開挖深度:13．647 m(標(biāo)高:－9．857 m)。

3)計(jì)算含水層上部土壓力:

基坑標(biāo)準(zhǔn)段(開挖深度為16．99 m):∑h·γs=248．168 kPa;基坑西端頭井(開挖深度為18．64 m):∑h·γs=219．128 kPa;基坑?xùn)|端頭井(開挖深度為19．10 m):∑h·γs=211．032 kPa。4)計(jì)算降壓深度:

基坑標(biāo)準(zhǔn)段(開挖深度為 16．99 m):ΔH=(307．12 －248．168)/11=5．359 m;

基坑西端頭井(開挖深度為 18．64 m):ΔH=(307．12－219．128)/11=7．999 m;

基坑?xùn)|端頭井(開挖深度為 19．10 m):ΔH=(307．12－211．032)/11=8．735 m。

基坑承壓水降壓情況，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 基坑穩(wěn)定降壓表

經(jīng)過(guò)計(jì)算，不需要對(duì)⑨層做降壓處理。

含水層滲透系數(shù)K取經(jīng)驗(yàn)值3 m/d，⑦層含水層厚度約為10 m。由理論計(jì)算結(jié)果，該車站標(biāo)準(zhǔn)段需降⑦層承壓水水位5．359 m，端頭井需降⑦層承壓水水位7．999 m/8．735 m。根據(jù)本工程基坑特點(diǎn)，降壓井間距設(shè)計(jì)為25 m。因?yàn)榛觾蓚€(gè)端頭井降水面積和降水深度較大，故在兩個(gè)端頭井降壓井加密。車站主體結(jié)構(gòu)共布置降壓井12口，井號(hào)為Y1～Y12。為了便于水位觀測(cè)，另外在基坑內(nèi)布置3口觀測(cè)兼?zhèn)溆镁?，井?hào)為YG1～YG3。

3．2．2 沉降計(jì)算

沉降計(jì)算一般包括瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三部分，按照以往的工程經(jīng)驗(yàn)和沉降的特性，基坑施工過(guò)程中主要考慮固結(jié)沉降。

1)地下水下降會(huì)引起土體附加荷載計(jì)算。

在地下水下降影響下，土體附加荷載可按照式(3)計(jì)算:

式中:ΔP'——附加荷載;

Δh——地下水位變化高度。

經(jīng)修正:

其中，Sr為飽和度。

2)降水引起的地面附加沉降量，可采用分層總和法，按下式計(jì)算:

式中:S——降水引起的地面總沉降量，m;

ΔPi——降水引起的土層附加荷載，kPa;

Si——第i計(jì)算土層的附加沉降量，mm;

ei——第i計(jì)算土層孔隙比;

avi——第i計(jì)算土層壓縮系數(shù);

Hi——第i計(jì)算土層的土層厚度，mm。

3)某時(shí)間每一水位差作用下的沉降量St計(jì)算:

式中:St——某時(shí)間固結(jié)沉降量;

ut——固結(jié)度。

固結(jié)度:

其中，Tu為時(shí)間因素為固結(jié)系數(shù)，CV=為滲透系數(shù)，m/d，t為時(shí)間，d。

根據(jù)勘察報(bào)告資料，⑦1層的參數(shù)取值如下:e取0．846 MPa;Sr取94%;含水層厚度 ΔH 取3 m;avi取0．052 ×10－3kPa－1;滲透系數(shù)K取2 m/d;時(shí)間 t取30 d。⑦2層的參數(shù)取值如下:e取0．824 MPa;Sr取 93%;含水層厚度 ΔH 取 7 m;avi取 0．025 ×10－3kPa－1;滲透系數(shù) K 取3 m/d;時(shí)間 t取30 d。經(jīng)計(jì)算，ut=1。

4)降水引起⑦層的沉降計(jì)算:

根據(jù)以上降深數(shù)值模擬計(jì)算，基坑外降壓深度為2．7 m，計(jì)算出⑦層沉降量St1=4．727 mm。降壓深度為4．3 m，計(jì)算出⑦層沉降量 St1=7．53 mm。

由于⑦層土因降水引起的瞬間主固結(jié)沉降，向上傳遞到地下構(gòu)筑物及地表的過(guò)程中將受到衰減，所以降水引起的地面沉降量應(yīng)小于計(jì)算值。

3．3 基坑開挖方案

車站主體基坑土方開挖總量約8．0萬(wàn)m3。其中標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖寬度最寬為31．8 m，基坑挖深約為17 m，端頭井基坑開挖寬度最寬為37．6 m，基坑挖深約為19 m。為保證東端頭井(19-23軸)按節(jié)點(diǎn)目標(biāo)移交，按地墻施工順序先行安排14-23軸開挖，及早完成19-23軸基坑見底，開挖完成后即時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工，依次由東向西進(jìn)行開挖施工及結(jié)構(gòu)回筑。

3．3．1 基坑開挖的重難點(diǎn)

1)淺部第②3層土，以砂質(zhì)粉土為主，層厚達(dá)8 m，易產(chǎn)生流砂、坍塌等現(xiàn)象;特別是砂性土縱坡易失穩(wěn)，當(dāng)遇到地下水或雨水的影響，極易造成縱坡失穩(wěn)、支撐體系失穩(wěn)等工程事故。

2)鋼支撐與混凝土支撐交織，對(duì)開挖、支撐及結(jié)構(gòu)回筑等工序的銜接組織來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜。

3．3．2 主要對(duì)策措施

1)嚴(yán)格控制縱向坡度不大于1∶3，各層土體間的臺(tái)階要適當(dāng)加長(zhǎng);第一、二道支撐挖完后再放坡，降低縱坡高度，當(dāng)縱坡長(zhǎng)時(shí)間不施工時(shí)，要將縱坡用混凝土覆蓋;在縱坡坡頂及坡底設(shè)排水溝，及時(shí)排除地下水;基坑外設(shè)擋水墻，防止基坑外的水流入基坑;雨季施工，準(zhǔn)備充足的防汛防臺(tái)物資。

2)加強(qiáng)各工序組織，做到隨挖隨撐，混凝土支撐施工時(shí)適當(dāng)提高標(biāo)號(hào)或摻加早強(qiáng)劑，加快施工進(jìn)度，及時(shí)封閉基底。

3．4 支撐施工方案

該車站端頭井共設(shè)六道支撐，其中第一道支撐與第四道18軸以東的一級(jí)基坑部分為鋼筋混凝土支撐，剩余為φ609鋼支撐，鋼支撐最大長(zhǎng)度為21．2 m。標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)五道支撐，第一道支撐為900 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，其余均為φ609鋼管支撐，鋼支撐最大長(zhǎng)度為30．8 m。

3．4．1 支撐施工原則

施工過(guò)程中嚴(yán)格按照“隨挖隨撐”的原則，控制無(wú)支撐暴露時(shí)間。鋼支撐嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求值施加軸向軸力，定期檢查軸力損失情況，及時(shí)復(fù)加軸力，保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

在基坑開挖過(guò)程中，確保隨挖隨撐，及時(shí)施加軸向軸力，減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

鋼支撐須有復(fù)加軸力裝置，并在相應(yīng)的工況下，依據(jù)設(shè)計(jì)、規(guī)范要求和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(墻體水平位移、支撐軸力等)，對(duì)支撐軸力進(jìn)行復(fù)加。

3．4．2 支撐施工關(guān)鍵點(diǎn)

施工前先進(jìn)行預(yù)拼，確保鋼支撐加工質(zhì)量?；娱_挖過(guò)程中，做到隨挖隨撐，及時(shí)施加軸力，保證支撐與地墻為面接觸，防止局部應(yīng)力集中而失穩(wěn)。

地下連續(xù)墻施工應(yīng)用預(yù)埋鋼板分擔(dān)斜撐水平力，斜撐支座與連續(xù)墻中的預(yù)埋鋼板可靠焊接，支座面與鋼支撐面正交。

車站第一道鋼筋混凝土支撐采用開槽施工，待鋼筋混凝土支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度方可開挖下部土方。

嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施工順序要求拆除每道支撐。

4 基坑施工應(yīng)急預(yù)案

4．1 縱坡防失穩(wěn)應(yīng)急措施

1)對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行封閉，馬上上報(bào)，做好安全防護(hù)工作和組織搶險(xiǎn);

2)發(fā)生縱向滑坡后及時(shí)對(duì)坡面進(jìn)行清理，立即進(jìn)行臨時(shí)支撐，防止基坑變形;

3)加大監(jiān)測(cè)頻率，監(jiān)護(hù)基坑及周邊環(huán)境變化，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)采取措施;

4)對(duì)已經(jīng)安裝好的支撐進(jìn)行檢查，根據(jù)檢查結(jié)果及時(shí)附加預(yù)應(yīng)力、補(bǔ)焊，做好補(bǔ)救措施;

5)對(duì)可能影響的道路進(jìn)行封閉，對(duì)周邊建筑物管線進(jìn)行保護(hù)，以防止人員安全事故和確保周邊環(huán)境保護(hù)工程的有效實(shí)施。

4．2 基坑大幅度變形應(yīng)急措施

1)通過(guò)第三方監(jiān)測(cè)和施工單位自行組織的監(jiān)測(cè)，對(duì)開挖過(guò)程進(jìn)行雙控，出現(xiàn)超出報(bào)警值的支撐軸力和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，立即報(bào)警并停止基坑開挖施工。同時(shí)，組織各分包單位分析報(bào)警原因，制定整改方案，并迅速實(shí)施。

2)對(duì)基坑底部變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)控制承壓水的抽取，控制基坑底部隆起變形。

3)對(duì)于重要管線、建(構(gòu))筑物等嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，加大監(jiān)測(cè)頻率，必要時(shí)采取跟蹤注漿方式彌補(bǔ)地層損失。

4)基坑開挖前，對(duì)降水方案和地基土體加固措施進(jìn)行評(píng)審，配合監(jiān)理單位檢查降水和地基加固的施工情況，滿足規(guī)范要求后開始基坑開挖施工。

4．3 支撐失穩(wěn)的應(yīng)急措施

1)對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行封閉，馬上上報(bào)，，做好安全防護(hù)工作和組織搶險(xiǎn)營(yíng)救;

2)對(duì)其他支撐進(jìn)行檢查，采取應(yīng)力復(fù)加、補(bǔ)焊等補(bǔ)救措施;

3)對(duì)失穩(wěn)的部位應(yīng)增設(shè)臨時(shí)支撐，對(duì)失穩(wěn)支撐進(jìn)行清理以及恢復(fù);

4)加大監(jiān)測(cè)頻率，監(jiān)護(hù)基坑及周邊環(huán)境變化，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)采取措施;

5)清理支撐失穩(wěn)基坑周邊的堆積物，無(wú)關(guān)機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)離基坑;

6)搶險(xiǎn)過(guò)程統(tǒng)一指揮，保證人員安全。

4．4 流砂及管涌的應(yīng)急處理

1)采取加快墊層澆筑速度或局部加厚墊層的方式控制輕微流砂;對(duì)較嚴(yán)重的流砂應(yīng)及時(shí)回土，抑制流砂，同時(shí)增加坑內(nèi)降水措施，使地下水位降至坑底以下2 m～3 m。

2)及時(shí)用瞬凝水泥進(jìn)行封堵，用引流管疏解壓力，待瞬凝水泥達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行壓漿封堵。

3)對(duì)于地墻接縫流砂，若條件具備，也可采用鋼板封堵。

4)流砂較嚴(yán)重，常規(guī)封堵效果不理想時(shí)，應(yīng)立即回土，回土高度一般應(yīng)達(dá)到兩道支撐高度。然后再在地墻背后采取注聚氨酯方式迅速封堵，坑內(nèi)采取降水，雙液注漿加固方式改善下部土體。

5)坑外設(shè)置應(yīng)急降水井，必要時(shí)啟動(dòng)降水井，降低外部水頭。但外部降水會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成一定影響，采取時(shí)應(yīng)慎重。

4．5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形超標(biāo)應(yīng)急預(yù)案

地下連續(xù)墻變形超標(biāo)時(shí)，輕則引起地面沉降開裂，重則可能引起基坑塌方以及其他連鎖反應(yīng)。因此，在施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)檢測(cè)單位提供的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取基坑開挖期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，對(duì)于突發(fā)報(bào)警數(shù)據(jù)組織施工人員進(jìn)行分析，查明原因，并在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)采取增加支撐預(yù)應(yīng)力，增設(shè)支撐，控制降水速率等方式，確?；邮┕ぐ踩行蜻M(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

深基坑施工是地鐵建設(shè)的節(jié)點(diǎn)工程，由于其施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，目前已經(jīng)成為施工過(guò)程中關(guān)注的主要對(duì)象。本文以某地鐵深基坑施工為例，研究了降水設(shè)計(jì)、基坑開挖方案設(shè)計(jì)、支撐方案設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，同時(shí)提出了基坑施工的應(yīng)急預(yù)案，保障了該車站基坑施工的順利進(jìn)行。

［1] 王 飛，胡群芳，黃宏偉．軌道交通多車站基坑同期施工動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6(5):1027-1032．

［2] 王美華，潘志灝，王智利．周邊管線變形異常情況下的大面積深基坑施工［J］．建筑施工，2004，31(2):98-100．

［3] 朱勝利，王文斌，劉維寧．地鐵工程施工的風(fēng)險(xiǎn)管理［J］．都市快軌交通，2008，21(1):56-60．

［4] 李 蓓．軟土地區(qū)大型超深基坑工程理論的實(shí)踐與研究［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，2003．

［5] 王亞星，包旭范，高 強(qiáng)．上海鐵路南站大型深基坑工程施工對(duì)周邊環(huán)境影響［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(2):5454-5458．