臨江高承壓水超深基坑開(kāi)挖抗突涌分析與對(duì)策
——以南京緯三路長(zhǎng)江隧道梅子洲風(fēng)井基坑為例

胡云華

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究有限公司，湖北武漢 430056）

臨江高承壓水超深基坑開(kāi)挖抗突涌分析與對(duì)策
——以南京緯三路長(zhǎng)江隧道梅子洲風(fēng)井基坑為例

胡云華

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究有限公司，湖北武漢 430056）

臨江高承壓水超深基坑的成功實(shí)施必須解決坑底突涌與抗浮安全兩大關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)合理的施工工序設(shè)計(jì)確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)與基坑安全，并為坑內(nèi)主體結(jié)構(gòu)施工提供安全的施工環(huán)境。結(jié)合南京市緯三路過(guò)江隧道梅子洲風(fēng)井基坑，對(duì)該類復(fù)雜基坑的重難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行分析，在支護(hù)結(jié)構(gòu)、開(kāi)挖方法、實(shí)施方案及施工工序等方面根據(jù)工程具體特點(diǎn)采取相應(yīng)的技術(shù)對(duì)策，確定了采用水下開(kāi)挖及水下混凝土封底的技術(shù)方案，并經(jīng)計(jì)算分析確定了最優(yōu)施工工序。梅子洲風(fēng)井的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：對(duì)開(kāi)挖深度大、承壓含水層厚度及埋深均極大而導(dǎo)致隔水帷幕難以穿透承壓含水層的基坑工程，采用水下開(kāi)挖方式可有效防止基底突涌的發(fā)生，并能改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形狀態(tài)；而水下封底混凝土的設(shè)置可承受坑底巨大的承壓水壓力，是確保工程實(shí)施的關(guān)鍵措施。

南京緯三路長(zhǎng)江隧道；臨江超深基坑；高承壓水；突涌；抗浮穩(wěn)定；水下開(kāi)挖；水下封底

0 引言

在我國(guó)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，普遍發(fā)育有多層厚度穩(wěn)定的承壓含水層［1］。隨著城市交通及地下空間工程的發(fā)展，尤其是跨江越河的水下隧道的興建，深度大且周邊環(huán)境及水文地質(zhì)條件復(fù)雜的基坑工程越來(lái)越多，基坑坑底越來(lái)越逼近承壓水賦存層，如錢江隧道江北風(fēng)井基坑深達(dá)27.3 m，坑底與承壓水含水層頂板間的距離僅為2 m左右［2］?；娱_(kāi)挖到一定深度后，一旦開(kāi)挖面下殘留隔水層的自重應(yīng)力小于承壓水壓力，就會(huì)形成突涌，基底突涌往往具有突發(fā)性且危害極大。為保證基坑安全，工程實(shí)踐中一般采取隔水、降壓或坑底加固封底等技術(shù)措施來(lái)防止突涌的發(fā)生［3-4］。在采取上述措施后，輔以必要的坑內(nèi)或坑外降水，基坑內(nèi)的土方開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)施工即可實(shí)現(xiàn)干作業(yè)。

對(duì)大量受承壓水影響的深基坑工程實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)分析后發(fā)現(xiàn)，上述廣泛采用的3種承壓水處理措施對(duì)開(kāi)挖深度較小、隔水帷幕能完全穿透承壓含水層的基坑工程是適用的；但對(duì)于承壓含水層厚度及埋深均較大的復(fù)雜基坑工程，則存在著一定的局限性。隔水措施適用于開(kāi)挖深度較小且承壓水賦存層埋深相對(duì)較淺的基坑工程，當(dāng)承壓含水層層厚或埋深較大時(shí)，應(yīng)綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果及環(huán)境條件來(lái)評(píng)價(jià)其適用性［5］。封底措施主要通過(guò)對(duì)坑底一定深度范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固以提高土體重度及抗剪強(qiáng)度而實(shí)現(xiàn)抵抗承壓水壓力的目的，但由于目前采用的土體加固措施對(duì)土體重度及抗剪強(qiáng)度等的改善程度極為有限，故在實(shí)際工程中很少采用。降壓是經(jīng)工程實(shí)踐證明且極為有效的承壓水控制方法［5-9］，一般與隔水帷幕聯(lián)合使用［10］，通過(guò)設(shè)置井點(diǎn)降水來(lái)降低承壓水水頭來(lái)防范基底突涌，該措施對(duì)于開(kāi)挖深度較小或基底以下承壓水頭不大的基坑較容易實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)基坑開(kāi)挖深度較深、基底已進(jìn)入承壓含水層時(shí)，采用此種方式會(huì)導(dǎo)致地面出現(xiàn)較大范圍的沉降漏斗；尤其是當(dāng)隔水帷幕難以完全隔斷基坑內(nèi)外的承壓水時(shí)，為滿足水位降深安全要求，降水量一般較大，在降水影響范圍內(nèi)的土體會(huì)產(chǎn)生較大范圍的過(guò)量沉降，對(duì)臨近建（構(gòu)）筑物的安全造成不利影響，且基坑降水的整體難度及不穩(wěn)定因素均極大。

因此，對(duì)開(kāi)挖深度大、承壓含水層的厚度及埋深均極大導(dǎo)致隔水帷幕難以穿透承壓含水層、基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)存在對(duì)沉降極為敏感的建（構(gòu)）筑物的超深基坑工程，采用常規(guī)的承壓水處置措施及施工方案已難以滿足實(shí)際工程需要，而應(yīng)根據(jù)具體的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件并結(jié)合周邊環(huán)境要求，采取合理的設(shè)計(jì)對(duì)策與技術(shù)措施確?；庸こ碳爸苓叚h(huán)境的安全。本文以南京緯三路長(zhǎng)江隧道梅子洲風(fēng)井為依托，為應(yīng)對(duì)高承壓水給臨江超深基坑帶來(lái)的設(shè)計(jì)和施工風(fēng)險(xiǎn)，提出采用水下開(kāi)挖及水下混凝土封底的技術(shù)方案，并對(duì)該方案的實(shí)施方法進(jìn)行計(jì)算分析。

1 工程概況

南京緯三路長(zhǎng)江隧道位于長(zhǎng)江大橋和緯七路長(zhǎng)江隧道之間，設(shè)計(jì)為雙層雙向8車道，分為N線與S線，均采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)隧道外徑為14.5 m，開(kāi)挖直徑15.02 m，屬典型的大直徑盾構(gòu)隧道。

梅子洲風(fēng)井兩端與盾構(gòu)圓隧道相連，具有雙重功能：施工階段用作盾構(gòu)中間檢修井，須滿足盾構(gòu)檢修所需的空間要求；運(yùn)營(yíng)階段兼做中間通風(fēng)井及緊急情況下的人員逃生疏散通道。

風(fēng)井平面呈圓形，外徑為29.2 m，呈正24邊形布置，距離長(zhǎng)江防洪子堤僅約18 m（如圖1所示）?；娱_(kāi)挖深度約46.5 m，采用地下連續(xù)墻與環(huán)梁支撐的支護(hù)形式，地連墻厚1.2 m，深62.5 m，采用“V”型折線幅、十字鋼板接頭，折線幅兩直線間夾角為165°，每幅段地連墻中心線長(zhǎng)度為2×1 843 mm。

圖1 豎井位置示意圖Fig.1 Sketch of shaft location

1.1 工程地質(zhì)條件

風(fēng)井處23.88 m以淺流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主；23.88～29.90 m為軟塑狀粉質(zhì)黏土；29.90～52.35 m為粉砂，其中穿插一層11.27 m厚的粉質(zhì)黏土夾粉砂透鏡體；52.35 m以深為卵礫石，如圖2所示。各土層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

可以看出，基坑坑底以上土層自上而下依次為：①1層軟塑狀黏土，平均厚1.95 m；①2層流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，平均厚21.93 m；③1層軟塑（局部流塑）狀粉質(zhì)黏土，平均厚6.03 m；④1層稍密-中密飽和粉砂，平均厚6.53 m。

基底以下土層主要為：④2層軟塑狀粉質(zhì)黏土夾粉砂，平均11.27 m；④3層中密飽和粉砂，平均厚5.03 m；⑥1層密實(shí)飽和圓礫混卵石，平均23.08 m；⑥2層密實(shí)飽和含礫中砂，平均厚9.80 m。風(fēng)井處鉆孔深度最大達(dá)91 m，均未有基巖揭露。

圖2 豎井處土層分布圖Fig.2 Profile of soil strata

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of different strata

1.2 水文地質(zhì)條件

豎井處場(chǎng)地地下水可分為第四類松散巖類孔隙潛水和松散巖類孔隙承壓水。其中，孔隙潛水的含水介質(zhì)為①、③層黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土夾粉砂，其滲透性差，含水量貧乏；水位受季節(jié)及氣候影響明顯，主要接受大氣降水和農(nóng)田灌溉水的入滲補(bǔ)給；根據(jù)水文地質(zhì)試驗(yàn)［11］，滲透系數(shù)0.35 m/d。

孔隙承壓水場(chǎng)地內(nèi)均有分布，含水介質(zhì)主要為④層粉細(xì)砂及⑥層卵礫石，滲透系數(shù)達(dá)到35 m/d，滲透性及富水性好；主要接受臨近地下水補(bǔ)給，與長(zhǎng)江江水存在直接水力聯(lián)系。

1.3 工程特征

如上所述，梅子洲風(fēng)井基坑工程具有以下特征。

1）基坑開(kāi)挖深度達(dá)46.5 m，且緊鄰梅子洲防洪子堤，基坑施工不能影響洪水期子堤的安全與正常使用。

2）工程地質(zhì)條件復(fù)雜。從圖2及表1可以看出，基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)主要為流塑-軟塑狀的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土等典型軟土，具有高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度等特點(diǎn)，工程性質(zhì)差，對(duì)基坑開(kāi)挖及坑壁穩(wěn)定性有不利影響?；滓韵峦翆又饕獮閺?qiáng)透水的承壓水含水層，其中⑥1層的滲透系數(shù)達(dá)到35 m/d，對(duì)基坑干開(kāi)挖的抗突涌安全極為不利。

3）承壓含水層主要為巨厚層的卵石層，埋深達(dá)到50 m，賦存層滲透性好，富水性強(qiáng)；含水層頂板距離基坑坑底不足5 m，地連墻深度為64.5 m，未能完全隔斷基坑內(nèi)外承壓水的水力聯(lián)系。

4）基坑緊鄰長(zhǎng)江，承壓含水層與長(zhǎng)江江水存在直接水力聯(lián)系，接受江水補(bǔ)給，故承壓水水位與長(zhǎng)江水位平齊（勘察期間長(zhǎng)江水位為+5.8 m）。

2 基坑設(shè)計(jì)難點(diǎn)及技術(shù)對(duì)策

2.1 基坑設(shè)計(jì)難點(diǎn)

目前，類似于梅子洲風(fēng)井這種超深、緊鄰補(bǔ)給源、巨厚卵礫石承壓含水層且周邊環(huán)境保護(hù)要求高的基坑工程，在國(guó)內(nèi)外均屬罕見(jiàn)?；釉O(shè)計(jì)施工過(guò)程中會(huì)遇到基坑突涌及滲流穩(wěn)定、超高承壓水頭、結(jié)構(gòu)抗浮、對(duì)周邊環(huán)境尤其是梅子洲子堤的影響等關(guān)鍵問(wèn)題與難點(diǎn)，必須采取切實(shí)可行的技術(shù)對(duì)策，才能保證基坑工程的順利實(shí)施。

2.1.1 坑底突涌及滲流穩(wěn)定性

根據(jù)2.1節(jié)所述之地質(zhì)及水文條件，風(fēng)井開(kāi)挖過(guò)程中，將經(jīng)歷未揭穿承壓水隔水層、坑底為黏性土（或淤泥質(zhì)黏土）及揭穿隔水層、坑底為粉細(xì)砂2種工況。

1）工況1分析。當(dāng)風(fēng)井開(kāi)挖到一定深度，坑底黏性土在承壓水壓力作用下，將產(chǎn)生突涌現(xiàn)象，其臨界開(kāi)挖深度可按GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］或JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》［12］采用式（1）進(jìn)行驗(yàn)算。式中：γm為透水層以上土的飽和重度，kN/m3；t+Δt為透水層頂面至基坑底面的深度，m；pw為含水層水壓力，kPa。

當(dāng)γm取18.1 kN/m3，pw取299 kPa（承壓水頭高度取29 m，特別需要指出的是，在確定承壓水頭高度時(shí)，偏安全地忽略粉質(zhì)黏土夾粉砂透鏡體的影響，如圖2所示），則按式（1）計(jì)算得到為含水層頂板距坑底的距離t+Δt應(yīng)不小于18.2 m，則開(kāi)挖深度大于11.7 m時(shí)基底將出現(xiàn)突涌；此時(shí)需采用降水措施降低坑內(nèi)承壓水水頭，方可保證基坑安全。

2）工況2分析。當(dāng)基坑開(kāi)挖揭穿隔水層，坑底為透水的粉砂時(shí)，在承壓水動(dòng)壓力作用下，粉砂易發(fā)生流砂現(xiàn)象。為滿足坑內(nèi)施工安全，可按JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》［12］采用式（2）對(duì)降水深度進(jìn)行驗(yàn)算。式中：D為截水帷幕底面至坑底的土層厚度，m；D1為承壓含水層頂面至坑底的土層厚，m；γ′為土的重度，kN/m3；Δh為基坑內(nèi)外的水頭差，m；γw為水的重度，kN/m3。

取D＝16 m、D1＝16.6 m、γ′＝8.1 kN/m3、Kse＝1.6，按式（2）計(jì)算得到基坑開(kāi)挖到坑底后為防止坑底出現(xiàn)突涌，坑內(nèi)外的水頭差Δh≤22.9 m，即坑內(nèi)水頭降深至少應(yīng)達(dá)到29.4 m。

2.1.2 通風(fēng)井涌水量估算

梅子洲風(fēng)井緊臨長(zhǎng)江，切穿了承壓水含水層。在無(wú)隔水條件下，基坑涌水量可按均質(zhì)含水層承壓-潛水非完整井估算，取滲透系數(shù)k＝35 m/d（含水層以卵礫石為主），經(jīng)計(jì)算涌水量Q＝175 483 m3/d或Q＝7 312 m3/h。可以看出，由于風(fēng)井處緊臨長(zhǎng)江，承壓含水層以強(qiáng)透水的卵礫石為主，地下水補(bǔ)給豐富，降水施工難度大。在基坑地下連續(xù)墻實(shí)施完畢后，為充分了解該場(chǎng)地承壓水層的水文地質(zhì)特征，以選擇合理的施工方案，進(jìn)行了水文地質(zhì)專項(xiàng)抽水試驗(yàn)［11］。根據(jù)抽水試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果，坑外單井出水能力達(dá)5 280 m3/d，坑內(nèi)單井出水量達(dá)到2 400 m3/d，進(jìn)一步說(shuō)明了地下水十分豐富。此外，水位恢復(fù)至100%，需要60 min；恢復(fù)至65%僅需4 min，地下水恢復(fù)十分迅速，表明地下水具有較強(qiáng)的補(bǔ)給來(lái)源。因此，采用常規(guī)的干開(kāi)挖方案，水位降深大、降水風(fēng)險(xiǎn)大、不確定性多。

2.1.3 抗浮穩(wěn)定性

風(fēng)井基坑最大開(kāi)挖深度約48 m，地下水對(duì)水位以下的巖土體及結(jié)構(gòu)有靜水壓力作用，并產(chǎn)生浮力。在施工及運(yùn)營(yíng)階段，作用在基礎(chǔ)底面上的水壓力可達(dá)480 kPa，當(dāng)結(jié)構(gòu)側(cè)壁摩阻力與其重力之合小于浮力時(shí)，將產(chǎn)生上浮。尤其是梅子洲風(fēng)井兼做逃生疏散通道，需在④1粉細(xì)砂層和④2粉質(zhì)黏土層施做井下附屬結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)分別對(duì)施工期、運(yùn)營(yíng)期進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算，確?？垢“踩?。

2.2 基坑設(shè)計(jì)采取的技術(shù)對(duì)策

2.2.1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)工程類比并結(jié)合必要的計(jì)算分析，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚度為1 200 mm的地下連續(xù)墻，地連強(qiáng)厚度與基坑直徑比為1/25。由于基坑平面呈圓形布置，為了充分利用圓筒形結(jié)構(gòu)的“拱效應(yīng)”，使地連墻各槽段間相互擠壓約束形成整體共同作用，有必要在頂部設(shè)置大剛度的頂冠梁以增大槽段間的整體剛度，使各槽段共同受力。

為保證基坑開(kāi)挖過(guò)程中地連墻各槽段間能協(xié)調(diào)受力，本基坑頂部設(shè)置尺寸為1.2 m×2.5 m的頂冠梁；基坑內(nèi)部根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果并結(jié)合風(fēng)井內(nèi)部結(jié)構(gòu)的建筑使用功能，設(shè)置4道環(huán)梁，尺寸均為0.8 m×1.5 m。頂冠梁與4道環(huán)梁共同組成圓筒形地連墻的內(nèi)支撐體系，并與其共同受力，如圖3所示。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)方案示意圖Fig.3 Profile of strutting structure of deep foundation pit

2.2.2 基坑開(kāi)挖方法設(shè)計(jì)

根據(jù)前述計(jì)算，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度大于11.7 m時(shí)，若仍采用常規(guī)干開(kāi)挖，則需降低坑底承壓水水頭以確?；影踩划?dāng)采用干開(kāi)挖方法開(kāi)挖至坑底時(shí)，為防止坑內(nèi)突涌危及基坑及結(jié)構(gòu)安全，需將承壓水頭降低近30 m。由于基坑坑底位于強(qiáng)透水的卵礫石層，距離長(zhǎng)江防洪子堤很近，承壓水與長(zhǎng)江江水存在直接水力聯(lián)系，持續(xù)降水將會(huì)引起長(zhǎng)江防洪堤的破壞并對(duì)連續(xù)墻產(chǎn)生不良影響，因此降水難度及風(fēng)險(xiǎn)極大。

故在基坑開(kāi)挖方法設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到常規(guī)干開(kāi)挖存在諸多弊端，推薦采用水下開(kāi)挖，即當(dāng)開(kāi)挖深度在11.0 m以淺時(shí)，采用明挖順做方式，依次分層分塊開(kāi)挖坑內(nèi)土體并澆筑相應(yīng)的環(huán)梁結(jié)構(gòu)。隨后，向坑內(nèi)注水并以水下開(kāi)挖方式完成坑內(nèi)剩余土體的開(kāi)挖，在水下開(kāi)挖過(guò)程心中坑內(nèi)液面需根據(jù)坑外地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確?？觾?nèi)水位不低于坑外地下水位。如此，由于坑內(nèi)采用水下開(kāi)挖，基坑內(nèi)外側(cè)水位基本一致，在開(kāi)挖過(guò)程中，不存在基底突涌風(fēng)險(xiǎn)；此外，由于坑內(nèi)水壓力對(duì)地連墻具有支撐作用，可有效改善地連墻在受力狀態(tài)，并增加基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2.3 基坑封底設(shè)計(jì)

如圖2和圖3所示，風(fēng)井底板處于粉細(xì)砂層中，土質(zhì)軟弱，容易產(chǎn)生變形，且該層為承壓含水層。底板下風(fēng)道、疏散樓梯、消防電梯、排煙道及電纜井等附屬結(jié)構(gòu)也在其中修筑。

在修建附屬結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)底部承受的承壓水壓力高達(dá)367 kPa，故必須對(duì)坑內(nèi)土體進(jìn)行加固，且必須保證加固體的密實(shí)性和防水密封性，方能保證工程順利實(shí)施。

通過(guò)多方案比選，采用了水下混凝土封底方案以確保附屬結(jié)構(gòu)施工時(shí)的抗浮安全性，具體措施如圖3所示，封底措施由2部分組成。

1）在坑底至盾構(gòu)隧道下方約1 m范圍內(nèi)采用C35素混凝土，以在施做井內(nèi)附屬結(jié)構(gòu)時(shí)承受坑底的高承壓水壓力確?；影踩?。

2）在C35封底混凝土至主體結(jié)構(gòu)底板間的區(qū)域采用C20水下素混凝土，以增加盾構(gòu)穿越過(guò)程中對(duì)地連墻的支撐作用，確保地連墻及基坑的穩(wěn)定與安全；且回填素混凝土體具有一定程度的水密性可防止出現(xiàn)大量滲漏或突涌。此外，此區(qū)域?yàn)槎軜?gòu)穿越區(qū)域，采用C20素混凝土也可降低盾構(gòu)切削素混凝土的難度與風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.4 基坑施工工序設(shè)計(jì)

合理的基坑施工工序設(shè)計(jì)能顯著改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，減小支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及由于基坑開(kāi)挖引起的地表沉降及臨近建筑物變形，并能防范基底突涌、涌砂涌泥等潛在風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)梅子洲風(fēng)井基坑的具體特點(diǎn)，采用的主要施工工序如下。

1）地下連續(xù)墻施工完畢，并對(duì)井內(nèi)上部淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層疏干降水后，進(jìn)行坑內(nèi)土方開(kāi)挖（如圖4（a）所示），在開(kāi)挖過(guò)程中同步施做井內(nèi)支撐環(huán)梁。

2）在水下開(kāi)挖過(guò)程中，利用抽水試驗(yàn)的試驗(yàn)井作為水位觀測(cè)井對(duì)坑內(nèi)外的地下水位進(jìn)行不間斷檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)對(duì)坑內(nèi)液面高度進(jìn)行調(diào)整，確?？觾?nèi)水位不低于坑外水位（如圖4（b）所示）。

3）水下開(kāi)挖至坑底后及時(shí)對(duì)坑底進(jìn)行平整，對(duì)坑底障礙物、殘留泥砂和地連墻內(nèi)壁進(jìn)行清理，確保坑底無(wú)沉渣、地連墻內(nèi)壁無(wú)泥沙殘留，隨后水下分層澆筑C35與C20封底混凝土至設(shè)計(jì)標(biāo)高，如圖4（c）所示。

4）排除坑內(nèi)的泥漿，進(jìn)行井內(nèi)附屬結(jié)構(gòu)側(cè)墻的施工，如圖4（d）、4（e）所示。在施工過(guò)程中，先挖除結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的C20素混凝土，隨后順做結(jié)構(gòu)側(cè)墻。

5）由于盾構(gòu)需在井內(nèi)進(jìn)行檢修，故在盾構(gòu)需穿越的范圍內(nèi)采用C15素混凝土臨時(shí)回填，其上澆筑主體結(jié)構(gòu)底板以作為蓋板保證盾構(gòu)掘進(jìn)的施工安全，如圖4（f）所示。帶盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)后，完成剩余結(jié)構(gòu)的施工。

3 計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果

3.1 計(jì)算方法

考慮到風(fēng)井處地層分布較為復(fù)雜，且基坑平面呈圓形，具有良好的空間力學(xué)效應(yīng)，采用基坑工程計(jì)算常用的平面桿系有限元法難以反映其真實(shí)的受力狀態(tài)；而復(fù)雜的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，使得連續(xù)介質(zhì)有限元法所需本構(gòu)模型及相關(guān)參數(shù)難以確定，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在較大出入。因此，在計(jì)算時(shí)，采用基于規(guī)范的三維板殼-彈簧有限元法，結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)為板殼和梁組成的空間結(jié)構(gòu)，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐視為一體，對(duì)擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算，假定主動(dòng)側(cè)土壓力已知，被動(dòng)土壓力用土彈簧體現(xiàn)。通過(guò)在外側(cè)迎土面施加不同的外力邊界和逐次移除內(nèi)側(cè)開(kāi)挖面各土層土彈簧單元，實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖過(guò)程的模擬。地下連續(xù)墻采用S4殼單元，支撐、圍檁、冠梁均采用B31梁?jiǎn)卧?，?nèi)襯墻及底板也采用S4殼單元，連續(xù)墻分幅之間采用連接單元連接。

圖4 關(guān)鍵施工工序示意圖Fig.4 Profile of key construction stages

根據(jù)實(shí)際情況，連續(xù)墻底部采用豎向約束，地連墻外部施加主動(dòng)水土壓力，根據(jù)土層的滲透性分級(jí)分別采用水土分算或水土合算，內(nèi)部有水荷載時(shí)施加徑向水壓力。基坑內(nèi)部采用法向彈簧約束，根據(jù)勘察報(bào)告提供的地基抗力系數(shù)確定，當(dāng)模擬地連墻內(nèi)部土體開(kāi)挖時(shí)，采用釋放彈簧的方式實(shí)現(xiàn)。

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 地連墻變形

梅子洲風(fēng)井的地下連續(xù)墻在開(kāi)挖完成和坑內(nèi)排水后的變形如圖5所示。圖5（a）是連續(xù)墻開(kāi)挖完成后的徑向變形計(jì)算結(jié)果，由于開(kāi)挖過(guò)程中風(fēng)井內(nèi)部水面比坑外地下水位要高，抵消了坑外的水壓力，且由于梅子洲風(fēng)井連續(xù)墻由24幅組成，整體性很好；因此，風(fēng)井連續(xù)墻在開(kāi)挖完成后的變形值很小，最大變形值不足1 mm，開(kāi)挖底面附近的變形最大。圖5（b）是連續(xù)墻在坑內(nèi)排水后的徑向變形計(jì)算結(jié)果，待水下澆筑的底板和C20素混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，將坑內(nèi)水體排出，這時(shí)連續(xù)墻的變形增大，最大變形值為1.3 mm，出現(xiàn)在第3道環(huán)梁的深度。

圖5 連續(xù)墻徑向變形（單位：m）Fig.5 Radial deformation of diaphragm wall（m）

3.2.2 地連墻受力地下連續(xù)墻在開(kāi)挖完成和坑內(nèi)排水后的豎向彎矩

如圖6所示。圖6（a）是開(kāi)挖完成后地下連續(xù)墻的豎

向彎矩計(jì)算結(jié)果，其中正彎矩表示連續(xù)墻外側(cè)受拉，負(fù)

彎矩表示連續(xù)墻內(nèi)側(cè)受拉，最大正彎矩為489 kN·m，出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖底面附近；最大負(fù)彎矩為-200 kN·m，出現(xiàn)在開(kāi)挖底面上下一定高度范圍。圖6 （b）是坑內(nèi)排水后地下連續(xù)墻的豎向彎矩計(jì)算結(jié)果，由于底板澆筑后與連續(xù)墻形成共同支護(hù)體系，連續(xù)墻的最大正彎矩有所減小，為465 kN·m，仍出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖底面附近；而隨著坑內(nèi)水的排出，上部連續(xù)墻承受在外部水壓力作用下變形增大，負(fù)彎矩也相應(yīng)增大，最大為-333 kN·m，出現(xiàn)在連續(xù)墻上部第3道環(huán)梁的位置。

圖6 連續(xù)墻豎向彎矩（單位：N·m）Fig.6 Vertical moment of diaphragm wall（N·m）

3.2.3 C35封底混凝土變形及受力

由于坑底的C35封底素混凝土和C20封底素混凝土均為水下澆筑，故在計(jì)算過(guò)程中將底板與連續(xù)墻考慮為相互摩擦接觸，在外力作用下可以發(fā)生一定量的位移。

底板豎向變形如圖7所示。圖7（a）是底板澆筑后的豎向位移計(jì)算結(jié)果，由于底板與連續(xù)墻之間采用摩擦接觸，且坑內(nèi)水位較坑外水位高，底板在重力的作用下向下發(fā)生一定的豎向變形，最大位移量為17.5 mm；圖7 （b）是坑內(nèi)水排出后的底板變形計(jì)算結(jié)果，底板澆筑完成排出坑內(nèi)的水后，底板在下部水壓力的作用下向上變形，底板豎向沉降量減小至4.8 mm，表明底板及C20素混凝土的重力可以滿足抗浮穩(wěn)定性的要求。

圖7 底板豎向變形云圖（單位：m）Fig.7 Contour of vertical deformation of bottom concrete（m）

底板最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖8所示，其中正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。圖8（a）是底板澆筑后的最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，由于底板與連續(xù)墻之間采用摩擦接觸，因此底板基本處于受壓狀態(tài)，僅在底板與連續(xù)墻接觸的位置出現(xiàn)4.8 kPa的拉應(yīng)力，整體受力狀態(tài)較好。圖8（b）是坑內(nèi)排水后的最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，由于底板底面作用有較高的水壓力，底板與連續(xù)墻相連接觸面出現(xiàn)拉應(yīng)力值增大，最大值為0.47 MPa，小于C30混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（1.43 MPa），底板整體受力狀態(tài)較好，能夠滿足抗浮及強(qiáng)度要求。

3.2.4 開(kāi)挖方案分析及確定

從上述計(jì)算結(jié)果可知，第4道環(huán)梁及封底混凝土均為水下澆筑，可以滿足底板抗浮穩(wěn)定性的要求，且連續(xù)墻及環(huán)梁在施工過(guò)程中的受力狀態(tài)較好，能夠保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。其主要缺點(diǎn)在于水下澆筑混凝土的質(zhì)量控制要求較高，且水下將主體結(jié)構(gòu)底板以下約18 m高的C20素混凝土全部澆筑完成，需要在坑內(nèi)水體排出后將素混凝土部分中間開(kāi)鑿出供盾構(gòu)進(jìn)洞之后的刀盤檢修的空間和風(fēng)井下部結(jié)構(gòu)的施工空間，破除混凝土的工作量將非常大。

按照上述確定的支護(hù)結(jié)構(gòu)、封底措施、開(kāi)挖方法及施工工序，梅子洲風(fēng)井基坑施工已于2013年5月順利完成。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在基坑施工過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)及防洪子堤均處于安全狀態(tài)。水下開(kāi)挖及坑內(nèi)灌水排除完成后的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景照片如圖9所示。

圖8 底板最大主應(yīng)力云圖（單位：Pa）Fig.8 Contour of maximum principal stress of bottom concrete （Pa）

圖9 現(xiàn)場(chǎng)施工情況Fig.9 Photos of site condition

4 結(jié)論與建議

結(jié)合南京緯三路長(zhǎng)江隧道梅子洲風(fēng)井基坑，對(duì)臨江高承壓水超深基坑實(shí)施過(guò)程中的重難點(diǎn)進(jìn)行了分析，在支護(hù)結(jié)構(gòu)、開(kāi)挖方法、實(shí)施方案及施工工序等方面均采取了相應(yīng)的技術(shù)對(duì)策，并進(jìn)行了計(jì)算分析，從實(shí)際實(shí)施效果來(lái)看，本文采取的各項(xiàng)技術(shù)措施是合理可行的。得出的主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)。

1）在基底存在較高承壓水且難以隔斷坑內(nèi)外地下水的水力聯(lián)系時(shí)，基坑開(kāi)挖存在較大的突涌風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，采用水下開(kāi)挖方式可防止基底突涌的發(fā)生。

2）采用水下開(kāi)挖時(shí)，由于開(kāi)挖過(guò)程基坑內(nèi)的水壓力可抵消部分的坑外主動(dòng)側(cè)水土壓力，可改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形狀態(tài)，對(duì)基坑工程的穩(wěn)定性有利。

3）水下封底混凝土的設(shè)置可承受坑底巨大的承壓水壓力，是確保工程實(shí)施的關(guān)鍵性措施；封底混凝土的厚度及設(shè)置形式應(yīng)綜合考慮抗浮安全、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及施工便利等因素綜合確定。

4）隨著深大基坑的增大，遇到基坑坑底位于承壓含水層且難以完全隔斷坑內(nèi)外地下水水力聯(lián)系的情況將越來(lái)越多，本文采用的方法可為類似工程提供參考依據(jù)。值得注意的是，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)做到水下澆筑大體積混凝土的質(zhì)量保證措施及封底混凝土與地連墻的有效粘結(jié)。

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Analysis on and Countermeasures for Water Inrush in Construction of Ultra-deep Foundation Pit at Riverside under High Confined Water：Case Study on Deep Foundation Pit of Meizizhou Ventilation Shaft of Weisanlu River-crossing Tunnel in Nanjing

HU Yunhua

（CCCC Second Highway Consultants Co.，Ltd.，Wuhan 430056，Hubei，China）

Water inrush and bottom floating must be avoided in the construction of ultra-deep foundation pits at riverside under high confined water.Therefore，rational construction procedure should be planned for such foundation pits so as to ensure the stability of the retaining structures and the foundation pits themselves and to provide safe conditions for the construction of the main structures in the foundation pits.In the paper，the construction of the foundation pit of Meizizhou ventilation shaft of Weisanlu river-crossing tunnel in Nanjing is studied.The challenges in the construction of the foundation pit are analyzed，technical countermeasures are taken in the aspects of retaining structure，excavation method，implementation plan and construction procedure，the technical scheme of underwater excavation and underwater bottom-sealing is adopted，and the optimum construction procedure is determined according to the calculation analysis results.Conclusions drawn are as follows：1）For ultra-deep foundation pits where the excavation depth and the confined aquifer thickness are so large that it is difficult for the waterproof curtain to penetrate the confined aquifer，the application of underwater excavation can effectively avoid water inrush and can improve the force and deformation state of the retaining structures；2）The underwater bottom-sealing concrete，which can bear the high pressure of the confined water，is the key to the successful implementation of the project.

Weisanlu river-crossing tunnel；ultra-deep foundation pit at riverside；high confined water；water inrush；anti-floating stability；underwater excavation；underwater bottom-sealing

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.013

U 45

A

1672-741X（2015）11-1194-08

2015-08-17；

2015-10-05

胡云華（1980—），男，湖北宜城人，2008年畢業(yè)于武漢巖土力學(xué)研究所，巖土工程專業(yè)，博士，高級(jí)工程師，主要從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)與研究工作。