軟土地區(qū)復(fù)雜環(huán)境下地鐵區(qū)間風(fēng)井基坑設(shè)計(jì)及研究

姜志威

（廣州同捷交通工程咨詢有限公司，廣東 廣州 510140）

0 引言

上海作為我國(guó)最早建設(shè)地鐵的城市之一，目前上海已開通運(yùn)營(yíng)了15條軌道交通線路，為進(jìn)一步完善軌道交通網(wǎng)絡(luò)，上海軌道交通18號(hào)線作為上海新一輪軌道交通規(guī)劃線路之一，起著連接寶山、楊浦、浦東三區(qū)的重要作用。當(dāng)線路位于遠(yuǎn)郊區(qū)域時(shí)，由于區(qū)間距離較長(zhǎng)，而高峰時(shí)期列車發(fā)車間隔較短，因而需要在較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)設(shè)置中間風(fēng)井。針對(duì)地鐵風(fēng)井的設(shè)計(jì)也已有諸多學(xué)者進(jìn)行了研究[1，2]。

1 工程概況

上海軌道交通18號(hào)線一期工程滬南公路站～御橋站區(qū)間全長(zhǎng)約2.87 km，區(qū)間起訖里程為XK11+919.944～XK14+793.403；在滬南公路與外環(huán)高速路路口西南側(cè)的綠地內(nèi)設(shè)有一座中間風(fēng)井，風(fēng)井中心里程為XK12+878.052。該風(fēng)井周邊環(huán)境較為復(fù)雜，風(fēng)井北側(cè)為DN273航油管線，風(fēng)井南側(cè)為擬規(guī)劃外環(huán)河道，風(fēng)井東側(cè)為滬南公路，風(fēng)井西南側(cè)為DN800污水管，滬南公路現(xiàn)狀下方市政管線密集。受擬規(guī)劃河道的影響，風(fēng)井南側(cè)為地下兩層結(jié)構(gòu)，北側(cè)為地下三層結(jié)構(gòu)。風(fēng)井東西向長(zhǎng)約44 m，南北向?qū)捈s28.1～30.5 m，基坑開挖深度約25.7 m，采用明挖順作法施工。風(fēng)井的平面布置及剖面布置見圖1、圖2。

圖1 滬～御中間風(fēng)井平面布置圖

1.1 工程地質(zhì)

中間風(fēng)井?dāng)M建場(chǎng)地區(qū)域地層自上而下依次為①1人工填土、③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（局部夾③j灰色砂質(zhì)粉土）、④灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤11灰色黏土（局部夾⑤1t灰色粉砂夾粉質(zhì)黏土）、⑤12灰色粉質(zhì)黏土、⑤31a灰色粉質(zhì)黏土夾粉砂、⑤32a灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、⑤32b灰色粉砂夾粉質(zhì)黏土、⑤33灰色黏土、⑦2灰黃～灰色粉細(xì)砂。主要土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

1.2 水文地質(zhì)

擬建場(chǎng)區(qū)地下水主要包括賦存于淺部土層的潛水，賦存于⑤1t、⑤32a、⑤32b層的微承壓水及⑦2層的承壓水，其中⑤1t層為⑤11與⑤12層之間的夾層，不與其他承壓水層連通，⑤32a層與⑤32b層相鄰連通，⑤32b層與⑦2層局部連通；⑤32b層底埋深約57.5 m，⑦2層層頂埋深約 57.5～58.5 m（未揭穿）；潛水水位埋深0.90～1.1 0m，承壓水水位埋深一般3.0 ～12.0 m。

2 風(fēng)井設(shè)計(jì)重難點(diǎn)分析

（1）基坑開挖深度大

基坑北側(cè)的航油管線埋深約8.7～10.3 m，根據(jù)航油管線保護(hù)要求，區(qū)間隧道頂距航油管線的凈距不應(yīng)小于5 m，區(qū)間隧道埋深增加，導(dǎo)致風(fēng)井開挖深度大于常規(guī)區(qū)間風(fēng)井開挖深度，本工程風(fēng)井基坑開挖深度約25.7 m。

（2）鄰近管線較多

風(fēng)井現(xiàn)狀周邊的管線較多，DN273航油管線距基坑最近距離約16.4 m，DN800污水管距基坑最近距離15.3 m，DN500高壓燃?xì)夤芪挥陲L(fēng)井范圍（施工階段臨排至風(fēng)井西側(cè)），此外還有較多電纜、給水、通信等市政管線緊鄰或上跨風(fēng)井，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況，距離較近及位于風(fēng)井上方的管線臨排至風(fēng)井滬南公路東側(cè)。

（3）不良地質(zhì)

擬建場(chǎng)地淺部地層中局部有③j灰色砂質(zhì)粉土層，層厚約2.5～4.5 m；該土層容易影響地下連續(xù)墻的成槽質(zhì)量。

（4）承壓水位高

影響本基坑的主要為⑤32a、⑤32b微承壓水層，且⑤32b層局部與⑦2承壓水層連通，按實(shí)測(cè)5.92 m及最不利3 m承壓水水頭埋深計(jì)算時(shí)，基坑在開挖過程中會(huì)發(fā)生突涌，因此基坑開挖過程中應(yīng)進(jìn)行降承壓水作業(yè)[3]。

（5）預(yù)留遠(yuǎn)期線路盾構(gòu)下穿條件

根據(jù)機(jī)場(chǎng)快線規(guī)劃方案，規(guī)劃線路需要穿越現(xiàn)狀風(fēng)井區(qū)域；且由于風(fēng)井北側(cè)為航油管線及外環(huán)高速橋樁，南側(cè)為規(guī)劃外環(huán)南河、申花足球地塊，線路調(diào)整空間較小。因此，在風(fēng)井設(shè)計(jì)過程中需要考慮為遠(yuǎn)期盾構(gòu)下穿預(yù)留條件。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及周邊環(huán)境影響分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該風(fēng)井基坑開挖深度約25.7 m，安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)合場(chǎng)地土層特性及上海工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全等因素，擬采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐作為圍護(hù)支撐體系。其中地墻厚度1.2 m，地墻長(zhǎng)度53.5 m（含7 m素混凝土段），沿基坑縱向共設(shè)置了七道支撐，其中第一、四道支撐為鋼筋混凝土支撐（第一道支撐尺寸為0.8 m×0.8 m，第四道支撐尺寸為1 m×1 m），其余為鋼管支撐（第七道為壁厚20 mm的Φ800 mm鋼管支撐，其余為壁厚16 mm的Φ609 mm鋼管支撐）。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

（1）坑內(nèi)土層加固

由于基坑開挖深度較大，坑底位于⑤12層，開挖范圍內(nèi)④層淤泥質(zhì)土層較厚（7～9 m），為降低開挖時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，坑內(nèi)采用旋噴樁進(jìn)行兩層裙邊+抽條加固。第一層加固體位于第四道鋼筋混凝土支撐中心處，第二層加固體位于坑底，加固層厚均為3 m。旋噴樁加固體28 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu≥1.0 MPa。

（2）不良地質(zhì)處理

為防止地墻沉槽過程中③j灰色砂質(zhì)粉土層范圍內(nèi)出現(xiàn)塌孔等問題，在地下連續(xù)墻兩側(cè)采用三軸攪拌樁進(jìn)行預(yù)加固，加固深度至③j層層底下約1.5 m，確保地下連續(xù)墻的沉槽施工質(zhì)量。

（3）承壓水處理

本工程擬采用懸掛止水帷幕+減壓降水相結(jié)合的技術(shù)處理方案，確?？觾?nèi)承壓水位降低至安全高度以下，實(shí)現(xiàn)“按需降水”，且該方法也已在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用[4-7]，且根據(jù)《上海市基坑工程技術(shù)規(guī)范》（DJ/TJ08-61-2010）[8]中的規(guī)定，當(dāng)隔水帷幕進(jìn)入承壓水層長(zhǎng)度大于9 m時(shí)，可采用坑內(nèi)降水方案。本工程中的地墻受力計(jì)算所需長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上再增加了7 m長(zhǎng)素混凝土段作為止水帷幕，地墻進(jìn)入承壓水層的長(zhǎng)度約10～13 m，并在坑內(nèi)設(shè)置了承壓水降水井，增加了承壓水的補(bǔ)償滲流路徑，確保施工過程采取有效降水措施后不會(huì)發(fā)生突涌；此外，在坑外航油管等重點(diǎn)區(qū)域設(shè)置回灌井，減小降水過程中對(duì)重要管線的影響。

（4）地下連續(xù)墻預(yù)留下穿條件

為便于后期機(jī)場(chǎng)快線穿越風(fēng)井底板下東西兩側(cè)地墻，結(jié)合基坑設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，在底板下3 m至墻底范圍地墻內(nèi)力較小，因此在風(fēng)井東西兩側(cè)地墻自底板下3 m至墻底范圍均采用玻璃纖維筋[10]（GFRP），且此范圍混凝土標(biāo)號(hào)調(diào)整至C30；考慮到十字鋼板等剛性接頭后期切割困難，而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，GXJ橡膠接頭在地墻長(zhǎng)度大于40 m時(shí)，接頭箱在拔出的過程中容易導(dǎo)致橡膠帶斷裂，因此，東西兩側(cè)地墻擬采用鎖口管接頭，南北兩側(cè)采用十字鋼板接頭。此外，在后期機(jī)場(chǎng)快線盾構(gòu)穿越施工過程中為確保盾構(gòu)均勻、同步切割地墻，在切割面處，盾構(gòu)軸線應(yīng)與地墻垂直。

3.2 周邊環(huán)境影響分析

為準(zhǔn)確反映基坑開挖過程中對(duì)周邊管線等的影響，采用有限元軟件對(duì)基坑開挖過程及周邊管線的附加變形進(jìn)行模擬分析。本次模擬分析主要針對(duì)一倍基坑開挖深度范圍內(nèi)的管線。結(jié)合簡(jiǎn)化的計(jì)算剖面，建立平面模型進(jìn)行模擬分析。

（1）計(jì)算本構(gòu)模型及單元

本次分析中土體采用了修正莫爾庫(kù)倫模型，地下連續(xù)墻、支撐采用線彈性模型。土體參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告提供的各土層參數(shù)選用（加固范圍內(nèi)的土體按加固體強(qiáng)度指標(biāo)選用）。

采用三角形、四邊形單元模擬土體，采用梁?jiǎn)卧M地下連續(xù)墻、混凝土支撐，采用桁架單元模擬鋼管支撐，采用梁?jiǎn)卧M管線。地下連續(xù)墻和土體之間采用接觸單元進(jìn)行模擬。

（2）計(jì)算區(qū)域及計(jì)算邊界

豎直影響深度取至坑底下大于2H（H為基坑開挖深度），水平影響范圍一般為不小于4H（H為基坑開挖深度）。由于基坑變形為對(duì)稱變形，計(jì)算分析過程中可取一半作為計(jì)算區(qū)域，模型尺寸為70 m×100 m（深度×寬度），底部施加X、Y兩個(gè)方向約束，兩側(cè)邊施加X方向約束。

（3）開挖工況模擬

為了真實(shí)的反映基坑開挖過程中的變形，需要對(duì)整個(gè)開挖過程進(jìn)行模擬。通過鈍化某一區(qū)域的土體單元達(dá)到模擬開挖該范圍土體的效果；通過激活支撐單元，可實(shí)現(xiàn)加撐過程的模擬。

（4）計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果（見圖3～圖6）

圖3 基坑開挖有限元計(jì)算模型

圖4 基坑開挖至坑底時(shí)土體水平位移圖

圖5 基坑開挖至坑底時(shí)土體豎向位移圖

圖6 基坑開挖至坑底時(shí)鄰近管線豎向位移圖

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，風(fēng)井開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，地面最大沉降為10.4 mm，圍護(hù)墻最大側(cè)向變形為36.5 mm，DN800污水管線的最大沉降9.3 mm，DN273航油管的沉降為8.9 mm，滿足基坑環(huán)境保護(hù)等級(jí)一級(jí)的變形控制值。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于滬南公路站—御橋站區(qū)間主要沿著滬南公路走行，中間風(fēng)井選址難度大，本風(fēng)井周邊環(huán)境條件復(fù)雜，施工難度。目前中間風(fēng)井已順利完成了基坑的開挖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)回筑的施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圍護(hù)墻體的變形、地表沉降以及航油管等市政管線的沉降變形均處于有效控制范圍內(nèi)。本工程的設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方案也可為今后類似工程提供借鑒。