深厚軟土地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型及綜合措施與分析

宋元平 盧繼指 李耀華

【摘 要】文章結(jié)合武漢軌道交通8號(hào)線某地鐵車站深厚軟土深基坑設(shè)計(jì)的整個(gè)階段，綜合考慮深厚軟土地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型涉及的多個(gè)具有代表性的環(huán)境因素：交通疏解、緊鄰湖泊、臨近地下建構(gòu)筑物等，闡述深基坑圍護(hù)選型的方法及確保安全實(shí)施所采取的綜合措施；對深厚軟土深基坑臨近大型箱涵構(gòu)筑物進(jìn)行了開挖影響分析，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)提出箱涵變形控制標(biāo)準(zhǔn)和安全保護(hù)措施。

【關(guān)鍵詞】深厚軟土；地鐵深基坑；地下連續(xù)墻；圍護(hù)樁；槽壁加固；大型箱涵；基坑偏壓；變形控制標(biāo)準(zhǔn)

【中圖分類號(hào)】TU753 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2018）05-0131-04

0 引言

城市軌道交通建設(shè)中常遇到在臨近湖泊的地段敷設(shè)地鐵線路的情況，這些地段一般存在深厚軟土地層，地下水豐富且補(bǔ)給充足，不利于地鐵深基坑施工；同時(shí)，道路交通疏解、市政綜合管線、沿岸建構(gòu)筑物等受深基坑開挖的不利影響問題將更加突出。因此，合理選擇適宜的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)方式將非常關(guān)鍵，針對基坑所在場地環(huán)境采取配套的綜合輔助措施也是工程成功的重要一環(huán)；同時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型和輔助措施應(yīng)充分考慮施工的便利性，提高開挖出土效率。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型過程中，技術(shù)、安全、環(huán)保、造價(jià)、施工等是衡量方案優(yōu)劣的主要指標(biāo)。

1 工程概況

1.1 車站概況

武漢8號(hào)線某站為地下兩層島式車站。車站結(jié)構(gòu)外包總長約608 m，主體結(jié)構(gòu)采用雙層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基坑深度約18 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度約21.3 m。車站主體沿二環(huán)快速路珞獅南路段南北向布置，由于站位侵占部分路面，所以車站采用半蓋挖順作法進(jìn)行施工。車站大里程段東側(cè)臨近南湖，小里程段東側(cè)及端頭臨近6 m×2 m箱涵，箱涵為磚混結(jié)構(gòu)，屬于對沉降非常敏感的構(gòu)筑物?；又苓厛龅仄矫娌贾脠D如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)

1.2.1 工程地質(zhì)

基坑南段場地通過填湖形成，勘察揭示場地下方存在深厚淤泥層。車站頂板覆土厚度約3.6 m，車站場地范圍地層從上至下依次為1-1雜填土層、1-2素填土層、1-3淤泥層、1-4淤泥質(zhì)黏土層、1-5黏土層、10-1、10-2粉質(zhì)黏土層及下覆14a、14b巖層等。車站底板主要位于10-1、10-2地層，部分位于1-5地層。

1.2.2 水文地質(zhì)

車站場地緊鄰南湖，場地內(nèi)地下水按賦存條件及水力學(xué)性質(zhì)，主要為潛水、上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。

（1）潛水水位基本與南湖水位一致，標(biāo)高為18.50～19.30 m，其水位一般情況下隨南湖漲落而變化。

（2）上層滯水：上層滯水主要賦存于場地上部人工填土中，勘察期間實(shí)測場地上層滯水靜止地下水位埋深為1.50～3.00 m，標(biāo)高為17.62～20.02 m。上層滯水對擬建工程基坑開挖施工影響較小。

（3）孔隙水：承壓水主要賦存于10-2a黏土夾碎石層、14a弱膠結(jié)含砂黏土巖及14b弱膠結(jié)砂巖層中，水位埋深為4.20～5.50 m，標(biāo)高為15.94～17.17 m，建議承壓水位按17.17 m考慮。

（4）基巖裂隙水：基巖裂隙水主要賦存于下部基巖孔隙、裂隙及破碎帶中，主要接受其上部含水層中地下水的下滲及側(cè)向滲流補(bǔ)給?；鶐r裂隙水與承壓水呈連通關(guān)系，對基坑工程施工有一定影響。

（5）場地地下水對混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性；土對混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性。

1.2.3 不良地質(zhì)

地鐵車站基坑范圍內(nèi)主要不良地質(zhì)作用為淤泥及淤泥質(zhì)土軟弱土層厚度較大且層厚變化較大，基坑開挖時(shí)易造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大、臨近地下構(gòu)筑物變形損壞。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型及支撐體系的設(shè)計(jì)

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合比較與總體選型

軌道交通工程線路通常沿城市繁華主干道敷設(shè)，地鐵基坑深度一般在10 m以上，施工期間需要綜合考慮管線遷改、交通疏解及周邊建構(gòu)筑物的保護(hù)等，因此目前應(yīng)用最為普遍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要有兩種，即地下連續(xù)墻與鉆孔灌注樁，這2種圍護(hù)結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍（見表1）。根據(jù)基坑所處場地工程、水文地質(zhì)、周邊環(huán)境及地下管線等條件，對照表1可以比選出較為適宜的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，該過程屬于概念設(shè)計(jì)范疇，對整個(gè)基坑支護(hù)方案的合理性具有決定性的意義，是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。

上文所述車站規(guī)模較大，周邊環(huán)境較為復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)車站場地工程及水文地質(zhì)情況、周邊環(huán)境等條件擬定合適的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，達(dá)到技術(shù)合理、安全環(huán)保；還應(yīng)根據(jù)不同的條件，分區(qū)段比選不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，達(dá)到總體造價(jià)合理的綜合效益。同時(shí)應(yīng)注意基坑支護(hù)的對稱性與整體性，避免形成較大偏壓和剛度不均。

車站地質(zhì)條件較差，軟弱土層厚度大且分布不均，宜采用剛度和整體性較好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。車站東側(cè)：大里程段緊鄰南湖，為了達(dá)到較好的止水效果，選擇地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)較為合理；而東側(cè)小里程段大斷面箱涵距離基坑凈距約3 m，為了控制基坑開挖變形及有效保護(hù)箱涵，應(yīng)選擇剛度和整體性較好的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。車站西側(cè)：大里程端部臨近南湖水域，該范圍擬采用連續(xù)墻；西側(cè)其余部位理論上可以采用較為經(jīng)濟(jì)的鉆孔灌注樁+樁間止水帷幕的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，但實(shí)際勘察顯示，西側(cè)基坑壁范圍淤泥層更厚，且分布范圍廣，為了兼顧基坑剛度及受力對稱，較好地保護(hù)箱涵，最終選擇采用地下連續(xù)墻。綜上所述，在總體上，本站采用地下連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)更為合理。

2.2 地下連續(xù)墻墻厚及支撐布置方案比選分析

2.2.1 計(jì)算取用地層物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算涉及地層及其物理力學(xué)參數(shù)詳見表2。

2.2.2 地下連續(xù)墻墻厚及支撐方案

本站基坑重要性等級(jí)為一級(jí)，要求基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移≤40 mm；BH-6 000 mm×2 000 mm排水箱涵段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移不大于30 mm。根據(jù)以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，初步擬定連續(xù)墻厚度為800～1 000 mm。連續(xù)墻墻厚及支撐方案的具體確定主要考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制、連續(xù)墻含鋼量等因素，在確保安全的情況下，合理控制造價(jià)。臨近箱涵段圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)較嚴(yán)，同時(shí)該段西側(cè)為淤泥深厚段，因此該段支護(hù)方案應(yīng)加強(qiáng)，即為圍護(hù)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)段（如圖2所示）。

據(jù)此，擬定了以下備選方案組合：

（1）方案一：臨近箱涵-深厚軟土加強(qiáng)段，采用800 mm厚連續(xù)墻+5道內(nèi)支撐；其他段采用800 mm厚連續(xù)墻+4道內(nèi)支撐。

（2）方案二：臨近箱涵-深厚軟土加強(qiáng)段，底板以上坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)軟土采用攪拌樁適當(dāng)加固，提高被動(dòng)區(qū)地層參數(shù)?；泳捎?00 mm厚連續(xù)墻+4道內(nèi)支撐。

（3）方案三：臨近箱涵-深厚軟土加強(qiáng)段，采用1 000 mm厚連續(xù)墻+4道內(nèi)支撐；其他段800 mm厚連續(xù)墻+4道內(nèi)支撐。

以上方案不同之處是圍護(hù)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)段的支護(hù)方法，因此重點(diǎn)對該部位進(jìn)行比較分析。圍護(hù)結(jié)構(gòu)按施工過程采用增量法進(jìn)行分析，分別采用天漢基坑設(shè)計(jì)軟件（V2015）版與理正深基坑軟件7.0版，分段選取最不利鉆孔進(jìn)行分析計(jì)算（如圖3、圖4、圖5所示）。

方案一對比計(jì)算顯示，深厚軟土側(cè)計(jì)算結(jié)果對圍護(hù)加強(qiáng)段起控制作用，方案二、方案三將給出深厚軟土側(cè)計(jì)算結(jié)果（如圖6、圖7所示）。

通過分析計(jì)算結(jié)果可知，上述3個(gè)方案均能滿足要求。方案一加強(qiáng)段采用800 mm連續(xù)墻，較為經(jīng)濟(jì)，但連續(xù)墻配筋率較大，需要采用并筋的形式配置鋼筋；基坑豎向設(shè)置5道內(nèi)支撐，支撐在豎向較密，施工不便，效率較低。方案二充分利用增量法原理，對坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)軟土進(jìn)行加固，提高被動(dòng)區(qū)參數(shù)，可有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形；攪拌樁加固將增加較多費(fèi)用，相對方案一造價(jià)較高；攪拌樁加固后便于機(jī)械在基坑內(nèi)開挖施工，提高開挖出土效率。方案三連續(xù)墻墻厚采用1 000 mm，造價(jià)最高；但圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度大，采用4道內(nèi)撐，利于施工。

方案二兼顧了造價(jià)與工期，但其實(shí)際效果難以估量，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也較少，根據(jù)武漢地區(qū)其他個(gè)別類似深厚軟土基坑的使用效果來看，如果嚴(yán)格實(shí)施施工，能夠較為有效控制變形。應(yīng)進(jìn)一步積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用過程中采取有效的措施切實(shí)達(dá)到加固被動(dòng)區(qū)的效果。由于交通疏解的影響，車站采用半蓋挖法施工，基坑開挖與出土效率會(huì)受到基坑上方鋪蓋路面系統(tǒng)的限制，綜合各方面的因素，在條件允許的情況下，宜推薦采用方案三，特別在初步設(shè)計(jì)階段，應(yīng)優(yōu)先采用方案三。

方案中支撐可根據(jù)實(shí)際需要采用混凝土支撐或鋼支撐，鋼支撐應(yīng)采用直徑為800 mm的規(guī)格。根據(jù)對比計(jì)算表明，施加預(yù)應(yīng)力后，鋼支撐剛度也能滿足變形要求，但其整體性不及混凝土支撐，實(shí)際使用時(shí)可采用2道混凝土支撐+2道鋼支撐的組合。

3 基坑開挖對箱涵的影響與措施

位于基坑?xùn)|側(cè)的6.0 m×2.0 m箱涵距離基坑間距約3.0 m，箱涵為磚混結(jié)構(gòu)，對沉降變形敏感，采用Midas GTS軟件對基坑開挖過程對箱涵的影響進(jìn)行模擬分析。分析模型中，土層的參數(shù)按照土層的物理力學(xué)參數(shù)取值，連續(xù)墻采用混凝土板模擬，剛度則按照實(shí)際剛度取值（如圖8、圖9所示）。

根據(jù)武漢地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，BH-6 000 mm×2 000 mm箱涵相鄰管節(jié)差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)可取不大于50 mm，保護(hù)箱涵應(yīng)從連續(xù)墻成槽與基坑開挖2個(gè)方面全面考慮。宜優(yōu)先采用剛度較大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，連續(xù)墻厚度可取為1 000 mm；對箱涵一側(cè)連續(xù)墻槽壁進(jìn)行攪拌樁加固，并在加固體內(nèi)設(shè)置型鋼；在基坑施工過程中，應(yīng)對箱涵沉降變形進(jìn)行適時(shí)跟蹤監(jiān)測。

4 結(jié)論與建議

在深厚軟土場地開挖地鐵深基坑風(fēng)險(xiǎn)較大，地下水、不良地質(zhì)等因素均不利于基坑的穩(wěn)定；軟土深基坑變形較難控制，施工過程中對臨近的建構(gòu)筑物可能產(chǎn)生不利的影響，因此應(yīng)擇優(yōu)選用適宜的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與支護(hù)方案，確?？傮w方案合理。方案論證是一個(gè)多因素的復(fù)雜的博弈過程，應(yīng)力求做到方案技術(shù)先進(jìn)合理、安全環(huán)保、造價(jià)合理并易于施工等。

（1）工程、水文地質(zhì)是最重要的基礎(chǔ)資料，應(yīng)有足夠詳盡的勘察資料支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)的比選。場地周邊環(huán)境因素如交通疏解、市政管線、臨近建構(gòu)筑物等也應(yīng)統(tǒng)籌予以考慮，妥善解決各主要矛盾。

（2）復(fù)雜場地條件的地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型需要進(jìn)行一系列系統(tǒng)而有針對性的比較分析、一定數(shù)量的有效數(shù)據(jù)支撐并不斷優(yōu)化予以確定，關(guān)注主要矛盾，根據(jù)實(shí)際情況有所側(cè)重和取舍。

（3）深厚軟土地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形一般較大，特別在基坑附近存在對位移敏感的建構(gòu)筑物時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制要求更嚴(yán)，一般要求圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有較大的剛度。就側(cè)向剛度而言，D1 200 mm@1 400 mm鉆孔灌注樁的等效側(cè)向剛度基本與1 000 mm厚的地下連續(xù)墻剛度相當(dāng)，當(dāng)能采用止水帷幕或坑外降水妥善解決基坑止水問題時(shí)，鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)重點(diǎn)予以考慮。

（4）目前，規(guī)范尚未對各種結(jié)構(gòu)的箱涵的變形限值予以明確規(guī)定，文中給出的參考值基于武漢地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)沒有經(jīng)驗(yàn)或足夠把握時(shí)，可提出比該參考值更嚴(yán)的限值。

（5）方案二基坑內(nèi)部坑壁以上軟土采用攪拌樁加固后，根據(jù)增量法原理，理論上確能達(dá)到大幅減少變形的效果，天漢深基坑軟件可以模擬這種工況，計(jì)算中取用加固體等效內(nèi)摩擦角參數(shù)，該參數(shù)可通過加固體設(shè)計(jì)強(qiáng)度根據(jù)規(guī)范公式反算得出。但方案二實(shí)際效果如何，尚需積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（6）地鐵工程設(shè)計(jì)階段性很強(qiáng)，每個(gè)設(shè)計(jì)階段關(guān)注的重點(diǎn)不一樣，初設(shè)階段對圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型顯得尤為重要，因?yàn)閲o(hù)結(jié)構(gòu)在總的土建造價(jià)中占比較大，而基坑支護(hù)方案或措施不當(dāng)將增加基坑施工的安全風(fēng)險(xiǎn)，所以圍護(hù)選型失誤或重視不夠往往后患無窮，初設(shè)階段甚至是方案設(shè)計(jì)階段就理應(yīng)予以足夠重視。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]