地鐵車站軟土地基變形計算及處理方法*

李 智

(廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，510010，廣州//工程師)

目前，對地鐵車輛段軟土地基(以下簡為“軟基”)加固[1-2]及地鐵區(qū)間隧道軟土地基加固[3-5]的相關(guān)研究已較多，亦有對車站主體結(jié)構(gòu)基底加固的相關(guān)文獻(xiàn)[6-11],但這些研究僅注重于施工技術(shù)[6，10-11]、數(shù)值分析[7]以及基坑控制[8-9]等方面，對基底承載力及變形的計算未見論述。實際設(shè)計時，車站基底加固一般根據(jù)經(jīng)驗，綜合考慮基底承載、變形及基坑開挖因素，由相關(guān)權(quán)威專家拍定加固方案。

本文依托佛山地鐵3號線大墩站一期工程，首先對軟基加固必要性進行了深度分析；其次對目前常見的幾種軟基處理方案進行綜合比選，提出了不考慮施工因素時的較優(yōu)處理方案，并成功應(yīng)用；最后根據(jù)目前行業(yè)狀態(tài)、施工效果及軟基車站位置，提出了地鐵軟基加固更加合理化的相關(guān)建議。

1 工程概況及水文地質(zhì)條件

佛山地鐵3號線大墩站位于現(xiàn)狀荷岳路與規(guī)劃文華南路交叉口，沿規(guī)劃文華南路呈南北向布置。車站總長473.6 m，共設(shè)4個出入口及2組風(fēng)亭，周邊以魚塘及空地為主。

本站分兩期施工。一期基坑位于荷岳路路中以北區(qū)域，長86.75 m；二期基坑為荷岳路路中以南區(qū)域，長386.85 m。其中，一期基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m，深約16.6 m，采用800 mm厚地下連續(xù)墻+3道支撐。標(biāo)準(zhǔn)段第一、二道為混凝土支撐，第三道為雙拼鋼支撐，兩端均采用3道混凝土支撐。基坑開挖范圍內(nèi)主要為魚塘回填土、素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)土?；字饕挥谟倌噘|(zhì)土層中，基底下軟土厚度約6～11 m，如圖1所示。軟土層相關(guān)參數(shù)如表1所示[12]。

圖1 大墩站基坑標(biāo)準(zhǔn)段橫剖面圖

表1 大墩站基底軟土層主要物理力學(xué)參數(shù)

2 加固必要性分析

對地鐵車站而言，普通兩層站埋深均在15 m以上，軟基以淤泥、淤泥質(zhì)土及淤泥質(zhì)粉細(xì)砂為主。地鐵結(jié)構(gòu)對地基承載力及變形控制要求較高，尤其是車站主體，沉降較大時將影響行車安全，需重點控制。

地鐵車站修建完成后，地鐵車站結(jié)構(gòu)(空心)替換了同等體積的原狀土，減輕了基底的壓力，且水位恢復(fù)至地面后，地鐵車站結(jié)構(gòu)尚需采取抗浮措施，因此，許多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為不必計算基底承載力及變形。但地鐵車站施工不是瞬時完成的，車站基坑開挖后，坑底豎向荷載變?yōu)榱?，相?dāng)于卸載，此時坑內(nèi)土體會回彈，主體結(jié)構(gòu)施工及覆土?xí)r，在基底上加載，基底被壓縮。整個車站施工過程中，基底變形為先回彈，再壓縮，其回彈再壓縮變形不能忽略，尤其是軟基車站更不能忽略。本文從地基承載力、變形及基坑計算等方面進行分析。

2.1 地基承載力

圖1所示的是普通標(biāo)準(zhǔn)兩層地鐵車站，埋深3 m，頂、中、底板及側(cè)墻厚度分別取0.8 m、0.4 m、0.9 m及0.7 m，頂、中、底板梁尺寸分別取1.2 m×1.8 m、0.8 m×1.0 m、1.2 m×2.0 m。覆土重度取20 kN/m3,混凝土重度取25 kN/m3。經(jīng)計算，施工期間(覆土完成，水位未上升時)覆土荷載為60 kPa，頂板自重荷載為20 kPa，中板自重荷載為10 kPa，底板自重荷載為22.5 kPa，側(cè)墻自重荷載為20 kPa，梁自重荷載為3.8 kPa,則覆土后基底壓力pk=136.3 kPa。

基底淤泥質(zhì)土經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值[13]為：

fa=fak+ηbr(b-3)+ηdrm(d-0.5)

(1)

式中：

fa——修正后的地基承載力特征值，kPa；

fak——地基承載力特征值，取勘察報告值(60 kPa)；

ηb,ηd——分別為底板寬度和深度地基承載力修正系數(shù)，對淤泥質(zhì)土，ηb=0,ηd=1；

r——底板以下土的重度，取浮重度，對淤泥質(zhì)土，r=7.4 kN/m3；

b——基礎(chǔ)底面寬度，b=3～6 m；

rm——底板以上土的有效加權(quán)平均重度，考慮基坑開挖前降水,取rm=17.4 kN/m3；

d——車站底板埋深，d=16.38 m。

計算可得，fa= 336 kPa。修正后的地基承載力遠(yuǎn)大于基底壓力，地基承載力滿足要求。

上述計算僅考慮了結(jié)構(gòu)本身所需的承載力，施工期間，施工機械所需的承載力與機械型號及施工方式有關(guān)，未加固時可能存在機械陷入基坑情況，此時，應(yīng)做好開挖前的排水固結(jié)等相關(guān)措施。

2.2 基底變形

普通民建的上部結(jié)構(gòu)變形主要由附加荷載引起，計算時一般忽略基礎(chǔ)開挖期間土層的回彈再壓縮變形。與地上結(jié)構(gòu)不同，地鐵車站全部埋置于地下，其變形主要為回彈再壓縮變形。針對圖1所示斷面，對未采取軟基處理時的變形進行分析。為簡化計算，近似取基底以上土層平均重度為17 kN/m3，基底以下淤泥質(zhì)土層厚度取11 m。

2.2.1 地基回彈變形計算

地基回彈變形量計算式為：

(2)

其中

pc=rcd

(3)

Eci=e0Es(0.003 2pc+1.5)

(4)

式中：

sc——地基的回彈變形量，mm；

ψc——回彈量計算的經(jīng)驗系數(shù)，取1.0；

αi、αi-1——分別為基礎(chǔ)底面計算點至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[13]附錄K取值；

zi、zi-1——分別為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面的距離，本文中zi=11 m,zi-1=0；

pc——基底承受過的歷史最大壓力，按開挖前基底以上土層質(zhì)量計算，kPa；

rc——基底以上土層平均重度，考慮基坑開挖前降水，取rc=17 kN/m3;

Eci——土的回彈模量，根據(jù)文獻(xiàn)[14]計算，kPa；

e0——基底以下軟弱土層孔隙比；

Es——基底以下軟土層壓縮模量，MPa。

將參數(shù)代入式(2)～(4)，計算可得：pc=278.46 kPa,Eci=9.213 MPa，sc=309 mm。

2.2.2 回彈再壓縮變形量計算

文獻(xiàn)[12]中無軟土臨界再壓縮比例及臨界再加載比例，本文近似按線性比例進行計算：

(5)

式中：

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》[15]要求，地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移控制值為20 mm,故上述軟基需進行處理。

2.2.3 不考慮底板荷載的回彈再壓縮變形量計算

當(dāng)變形發(fā)生在中板施工之前時，可通過增加軌道高度及調(diào)整中板標(biāo)高的方式處理。實際計算變形時，可在卸載及再加載中扣除底板自重荷載22.5 kPa,即:

pc=255.96 kPa

(6)

pk=113.8 kPa

(7)

將式(6)和式(7)代入式(5)，算得回彈再壓縮變形量為137 mm，仍不滿足要求。

2.2.4 基底不同軟土厚度回彈再壓縮變形量計算

大墩站一期基坑基底軟土厚11 m，計算變形較大，需采取加固措施，但具體軟土多厚時需進行加固，目前尚無相關(guān)理論。本文對普通地鐵車站不同軟基厚度變形量進行了計算(見表2)，結(jié)果表明，基底變形約為軟土厚度的0.015倍，基底存在軟土?xí)r均需處理。

表2 地鐵車站不同軟基厚度變形量

2.3 基坑開挖驗算

利用里正深基坑軟件對圖1斷面進行計算，計算結(jié)果如表3所示。

表3 大墩站基坑計算結(jié)果

由表3可知，加固后基坑能有效減小圍護結(jié)構(gòu)變形和連續(xù)墻內(nèi)力，并能加大被動區(qū)的土壓力。在基坑周邊存在重要建(構(gòu))筑物時，加固作用明顯。

3 軟基處理方案

3.1 常用軟基處理方案

目前，常用的地鐵車站地基處理方案主要有鉆孔樁、堆載預(yù)壓排水固結(jié)法、強夯或強夯置換法、高壓旋噴樁、三軸攪拌樁[1-11]等。各方案的優(yōu)劣如下：

(1) 鉆孔樁:是一項成熟的地基處理方案，近年來較多應(yīng)用到地鐵車站結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點在于受力明確，工程造價相對較低，缺點是不能有效減小基坑開挖期間的變形，一般需與其余加固方案聯(lián)合使用。

(2) 三軸攪拌樁：目前我國華東、華南地區(qū)較多采用三軸攪拌樁加固，其施工工藝已較成熟，但造價相對較高。

(3) 堆載預(yù)壓排水固結(jié)法：該法造價較低、技術(shù)簡單，但施工周期長，在地鐵工程中一般用于需大面積軟基處理的車輛段及停車場等。

(4) 強夯或強夯置換法：此法造價最低，但置換增加了基坑深度，增加了基坑開挖風(fēng)險，一般應(yīng)用于局部基底軟土較薄區(qū)域。

3.2 方案比選

大墩站一期施工段基坑總長86.75 m，長度較小，不適宜采用堆載預(yù)壓排水法;基底軟土厚6～11 m，不適宜采用強夯或強夯置換法。參考廣州、寧波、上海等地做法，通過設(shè)計總體組統(tǒng)籌分析，形成圖2所示的4個軟基處理方案并進行比選。

a) 方案一b) 方案二

c) 方案三d) 方案四

尺寸單位：m

圖2 大墩站軟基加固方案

3.2.1 方案一：樁基+牛腿+三軸攪拌樁抽條

三軸攪拌樁抽條：由于軟土基坑開挖期間外側(cè)土壓力較大，內(nèi)側(cè)軟土能提供的被動土壓力有限，在不加固的情況下，變形不受控，因此，考慮在連續(xù)墻接頭部位進行抽條加固。抽條加固寬度2.05 m，橫向間距6 m(連續(xù)墻寬度)，加固至基底以下4 m，相當(dāng)于一道支撐作用在連續(xù)墻上，減小連續(xù)墻豎向及橫向跨度，減小基坑開挖期間變形。

樁基：承擔(dān)柱子向下傳遞的豎向力。

牛腿：承擔(dān)側(cè)墻向下傳遞的豎向力。

本方案受力明確，造價較低(每延米約4.7萬元),但對牛腿預(yù)埋件要求較高，受控于施工方。

3.2.2 方案二：樁基+三軸攪拌樁抽條

三軸攪拌樁抽條及中部樁基作用同方案一，兩側(cè)采用樁基替換方案一中的牛腿。其優(yōu)點在于質(zhì)量可控,缺點是承臺施工周期長，不利于快速封底,且改變了兩側(cè)墻結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。本方案對防水施工影響最大，造價約為每延米5.0萬元。

3.2.3 方案三：三軸攪拌樁裙邊+抽條

橫向抽條除有類似方案一中的支撐作用外，與中部縱向抽條、兩側(cè)裙邊共同形成復(fù)合地基。中部抽條、裙邊與方案一中樁基、牛腿的作用相同。本方案僅采用一種加固手段，施工方便，且裙邊對基坑開挖變形控制有利，基坑開挖風(fēng)險更低,但其造價相對較高。按加固至基底以下11 m時計算，造價約為每延米9.2萬元，接近方案一加固費用的2倍。

3.2.4 方案四：樁基+三軸攪拌樁裙邊+抽條

樁、抽條與裙邊的組合，中間一排樁替換方案三中的中部縱向抽條。此方案中樁、三軸攪拌樁優(yōu)劣同上，造價高于方案一和方案二，略低于方案三。

3.2.5 綜合比選

綜合上述分析，各方案優(yōu)缺點見表4。大墩站主要從造價和施工風(fēng)險方面考慮。方案一與方案二造價相對較低，但方案一未改變主體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，風(fēng)險較方案二低。方案一比方案三、方案四風(fēng)險稍大，但方案三、方案四造價接近方案一的2倍。綜合考慮上述方案優(yōu)劣及佛山地鐵3號線相關(guān)情況，本站加固方案選擇方案一。

表4 大墩站軟基加固方案比選

4 施工情況

目前，大墩站一期已施工完畢，基底承載力及沉降經(jīng)復(fù)核滿足要求。施工期間，圖1中斷面基坑兩側(cè)連續(xù)墻實測位移與計算位移如表5所示。

由表5可知：① 計算與實測位移在開挖期間增長較快，回筑階段變化較小,最大監(jiān)測位移大于最大計算位移;② 開挖第二層土?xí)r，設(shè)計工況(加固及不加固)計算位移均大于監(jiān)測位移，之后監(jiān)測位移均大于計算位移(這是因為第三道鋼支撐架設(shè)不及時，導(dǎo)致第二、三層土同時開挖，連續(xù)墻位移發(fā)生突變,同時牛腿鋼筋接駁器預(yù)埋位置不準(zhǔn)，導(dǎo)致大量植筋，延長了工期，加大了變形;③ 東、西兩側(cè)監(jiān)測點扣除超挖變形影響后，最終變形分別為29.7 mm、28.8 mm，與設(shè)計變形最大值27.94 mm接近，說明加固效果與設(shè)計吻合。

表5 大墩站一期施工各工況連續(xù)墻位移對比 mm

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

(1) 軟基車站結(jié)構(gòu)基底承載力滿足要求，施工期間需做好排水固結(jié)或采取有效措施保證機械施工安全。

(2) 無上蓋地鐵車站基底變形可按回彈再壓縮進行計算，基底存在軟弱土層時，需采取加固措施，以滿足豎向變形要求。

(3) 加固對基坑開挖變形及內(nèi)力控制作用明顯，周邊存在重要建(構(gòu))筑物時，需按加固控制。

(4) 牛腿+樁基+三軸攪拌樁抽條加固方案費用最低，但需嚴(yán)控施工質(zhì)量，否則將影響牛腿質(zhì)量及加大基坑開挖風(fēng)險。

(5) 不考慮費用時，三軸攪拌樁裙邊+抽條方案最優(yōu)，但目前無加固后回彈試驗作為支撐，其具體加固效果尚有待研究。

5.2 展望

(1) 建議地鐵軟基勘察報告提供基底回彈、再壓縮等相關(guān)參數(shù)，為相關(guān)設(shè)計提供依據(jù)。

(2) 針對城市建成區(qū)軟土基坑，可對方案三進行局部加固研究，提出最小加固厚度比，并考慮人工費等，與其余方案進行比選。對處于未建成區(qū)的軟土基坑，考慮周邊基坑開挖進行主動保護設(shè)計，提出加固要求。

(3) 有條件時，可對不同加固方案的基底最終沉降量進行監(jiān)測，并與理論計算進行對比分析，從控制變形角度評判加固方案的優(yōu)劣性。