佛山地鐵3號線高村站和美旗站軟土深基坑設計分析

蔡明生

（廣東省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司 廣州 510507）

1 概述

隨著國家城市化進程的推進，大城市交通日益擁堵，城市軌道交通成為國內各大城市解決交通問題的主要方式。為配合地鐵與周邊地塊開發(fā)以及提高人民出行的便利，地下車站成為了地鐵車站的主要形式。佛山地鐵3 號線順德范圍，主要屬于珠江三角洲沖積平原地貌，分布的軟弱土層主要為〈2-1A〉第四系海陸交互相淤泥、〈2-1B〉淤泥質土層和〈2-2〉易液化的淤泥質粉細砂層；軟土層具有含水量高，孔隙比大，壓縮性高，抗剪強度低，靈敏度高等特點［1］。高村站和美旗站分別為佛山地鐵3 號線的第13 和第15 個站，兩者直線距離僅為2.9 km；兩站地質條件均為深厚軟土淤泥層，軟土深度達40 多米，地質條件相近，具有很高的可比性。美旗站于2017年7月開挖，10月完成底板施工，連續(xù)墻最大變形為118.44 mm，在施工過程中連續(xù)墻出現(xiàn)開裂等危險情況?；诿榔煺镜那闆r，對高村站主體圍護結構設計以及基坑開挖方案進行優(yōu)化，高村站于2018年3月進行基坑開挖，5月完成表層土開挖及第1 道支撐施工，因主體圍護結構方案變更，暫停基坑開挖，并于2019年1月開始基坑第1 層土方開挖，2019年2月完成底板施工，連續(xù)墻最大變形僅為78.98 mm。本文以兩站工程為背景，探討并分析兩者的基坑圍護結構設計方案以及施工組織管理等，對基坑變形等方面的影響。

2 工程背景

佛山地鐵3 號線高村站位于林上北路和高村工業(yè)區(qū)六路交叉路口，沿林上北路南北向敷設。車站現(xiàn)狀周邊有一小區(qū)、高村小學及林西河河涌，及一處臨時鐵皮房。佛山地鐵3 號線美旗站設于林上路南側規(guī)劃地塊內，沿規(guī)劃道路呈南北方向布置。車站周邊現(xiàn)狀為農田、水塘，周邊無建構筑物和管線。車站概況如表1所示。

高村站圍護結構標準段采用3 道混凝土支撐，第1道混凝土米字撐（主撐700 mm×900 mm+肋撐500 mm×700 mm），第 2、3 道混凝土米字撐（主撐 1 000 mm×1 200 mm+肋撐800 mm×1 000 mm）；基底采用三軸攪拌樁進行抽條加固，加固深度為5 m。地下連續(xù)墻嵌入中風化巖層不少于1.5 m。標準段圍護結構橫剖面如圖1所示，盾構井兩端采用3 道混凝土支撐。

根據(jù)詳勘報告［2］，高村站地質縱剖面從上至下土層分別為:〈1〉素填土、〈2-1A〉海陸交互相淤泥層、〈2-2〉淤泥質粉細沙、〈2-1B〉海陸交互相淤泥質土層、〈8〉中風化巖?；拥撞课挥凇?-1B〉海陸交互相淤泥質土層，基坑底部以下軟土層平均深度約27 m，地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。土層物理力學參數(shù)如表2所示。

美旗站圍護結構標準段采用3 道支撐，第1 道混凝土米字撐（主撐700 mm×900 mm+肋撐500 mm×700 mm），第2 道混凝土米字撐（主撐1 000 mm×1 200 mm+肋撐800 mm×1 000 mm），第 3 道支撐為鋼支撐（φ609，t＝16 mm）；基底采用三軸攪拌樁進行抽條加固，加固深度為4 m。地下連續(xù)墻嵌入中風化巖層不少于1.5 m。標準段圍護結構橫剖面如圖2所示，盾構井兩端采用3 道混凝土支撐。

根據(jù)詳勘報告［1］，美旗站地質縱剖面從上至下土層分別為〈:1-2〉素填土、〈2-1A〉淤泥、〈2-2-1〉粉細砂、〈2-1B〉淤泥質土、〈2-2〉淤泥質粉細砂、〈2-4〉粉質粘土、〈7-2〉強風化巖、〈8-2〉中風化巖層?；孜挥凇?-1B〉淤泥質土層，基坑底部以下軟土層平均深度約22 m，地下水主要為松散層孔隙水和基巖裂隙水，土層物理力學參數(shù)如表2所示。

由高村站和美旗站的地質情況以及土層力學參數(shù)，可知兩者的開挖范圍內主要以〈2-1B〉淤泥質土層、〈2-2〉淤泥質粉細砂層為主。高村站開挖范圍內〈2-2〉淤泥質粉細砂的開挖深度約6.4 m，約占基坑開挖深度的37.8%；〈2-1B〉淤泥質土的開挖深度約7.6 m，約占基坑開挖深度的44.97%；美旗站開挖范圍內〈2-2〉淤泥質粉細砂的開挖深度約9.3 m，約占基坑開挖深度的52.29%；〈2-1B〉淤泥質土的開挖深度約6.7 m，約占基坑開挖深度的37.67%。

由此可見，高村站基坑開挖主要以〈2-1B〉淤泥質土為主，美旗站基坑開挖主要以〈2-2〉淤泥質粉細砂為主；綜合考慮2 種土層的粘聚力、內摩擦角以及標貫等方面，〈2-2〉淤泥質粉細砂與〈2-1B〉淤泥質土相比，含水量低，壓縮性低，抗剪強度高，靈敏度低，總體上力學性能更好；而且，高村站基底以下淤泥層厚度為27 m，比美旗站多5 m?？傮w上，高村站地質情況更為惡劣。

表1 車站概況表Tab.1 Station Overview

圖1 高村站圍護結構橫剖面Fig.1 Transverse Section of the Gaocun Station Enclosure Structure

表2 土層物理力學參數(shù)Tab.2 The Physical and Mechanical Parameters of Soil

圖2 美旗站圍護結構橫剖面Fig.2 Transverse Section of the Meiqi Station Enclosure Structure

3 圍護結構理論計算

根據(jù)車站基坑的深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取車站標準段連續(xù)墻變形最大位置所對應鉆孔進行計算，計算結果如表3和圖3所示，設計計算巖土參數(shù)采用勘察報告值。從表3、圖3可知：由于兩個車站的支撐體系不一樣，高村站3 道支撐均為混凝土支撐，美旗站第1、2 道支撐為混凝土支撐、第3 道支撐為鋼支撐。第3 道鋼支撐剛度較小，主要由第2 道混凝土支撐承受基坑兩側土壓力。所以，兩站軸力計算值相差較大；第1、2 道支撐美旗站軸力設計值較大，第1 道、第2 道支撐軸力分別比高村站多48.24%、31.06%。高村站第3 道支撐較大，比美旗站大2.415 倍。

表3 圍護結構理論計算值Tab.3 Theoretical Calculation of Enclosure Structure

高村站連續(xù)墻變形最大計算值為41.58 mm，美旗站連續(xù)墻變形最大計算值為36.55 mm，高村站比美旗站多5.03 mm，約13.76%。

4 基坑開挖監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 連續(xù)墻變形及變化速率

圖3 圍護結構理論計算內力位移包絡圖Fig.3 The Envelope Diagram of Theoretical Calculation of Inner-force for Enclosure Structure

高村站最大變形位于監(jiān)測點ZQT31，該點于2018年10月22日開始第1 層土方開挖（即第1 道支撐下方土層），于2019年1月8日完成車站地板澆筑。連續(xù)墻位移變化曲線如圖4所示，連續(xù)墻位移變化速率曲線如圖5所示。

美旗站最大變形位于監(jiān)測點ZQT30，該點于2018年7月2日開始第1 層土方開挖，于2018年10月15日完成車站地板澆筑。連續(xù)墻位移變化曲線［3］如圖6所示，連續(xù)墻位移變化速率曲線［4］如圖7所示。

高村站與美旗站在基坑開挖第2、3 層土方時，均有較大的變形速率，其中高村站在開挖第3 層土方時，變化速率到達峰值8.69 mm/d；美旗站在開挖第3層土方時，變化速率到達峰值5.92 mm/d。

圖4 各工況下高村站監(jiān)測點ZQT31 位置連續(xù)墻變形曲線Fig.4 The Deformation Curve of Continuous Wall Displacement in Each Operation Condition for ZQT31 Position of Gaocun Station

圖5 各工況下高村站監(jiān)測點ZQT31 位置連續(xù)墻位移變化速率曲線Fig.5 The Change Rate Curve of Continuous Wall Displacement in Each Operation Condition for ZQT31 Position of Gaocun Station

圖6 各工況下美旗站監(jiān)測點ZQT30 位置連續(xù)墻變形曲線Fig.6 The Deformation Curve of Continuous Wall Displacement in Each Operation Condition for ZQT30 Position of Meiqi Station

圖7 各工況下美旗站監(jiān)測點ZQT30 位置連續(xù)墻位移變化速率曲線Fig.7 The Change Rate Curve of Continuous Wall Displacement in Each Operation Condition for ZQT30 Position of Meiqi Station

4.2 支撐軸力（見表4）

表4 圍護結構實際支撐軸力包絡值與理論值對比Tab.4 The Contrast between the Envelope Value of Axial Force of Supports and Theoretical Value of Envelop Enclosure

5 工程經驗總結

5.1 基坑開挖現(xiàn)場分析

5.1.1 基坑工序安排

在《基坑開挖施工專項方案》中，均明確車站基坑按照20 m 一段，進行分層、分段、對稱開挖。在美旗站基坑開挖過程中，頻頻出現(xiàn)前一段支撐尚未施工，已經進行下一段土方開挖的現(xiàn)象，導致基坑開挖面過大，支撐架設不及時。

結合美旗站的基坑開挖經驗，在高村站基坑開挖過程中，建設各方高度重視支撐架設時間，嚴格按照“開挖一段，支護一段”的原則進行。下一段支撐完成后，方可對上一段土方進行開挖，確?；拥姆€(wěn)定性。

由于高村站支撐體系均為混凝土結構，施工周期較長；為減少基坑暴露的時間，規(guī)定標準段支撐施工時間不超過7 d，端頭井支撐體系施工時間不超過15 d。在施作支撐的過程中，連續(xù)墻位移變化速率逐漸增加，直到混凝土支撐強度超過50%設計強度。對現(xiàn)場混凝土支撐進行檢測分析，結果表明：在晴天的情況下，混凝土澆筑當天強度超過50%設計強度，第3 天約為70%～80%設計強度，第14 天達到設計強度。

5.1.2 支撐架設的順序

對目前已經開挖的佛山3 號線順德段軟基范圍的車站進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)順德醫(yī)院站、高村站、美旗站以及水口站基坑變形最大的位置，均在盾構擴大端與標準段的交接處。該位置受力較為復雜，而且施工質量難以把控。

美旗站在該范圍施工時，按照先完成盾構端支撐，后施作標準段直撐的順序。往往在交接處土方開挖完成后7～10 d 開始支撐的鋼筋綁扎等工序，導致該范圍較長時間處于無支撐狀態(tài)，同時也很難采取有效措施控制基坑變形。高村站在該范圍施工時，按照先完成直撐，后施作盾構端支撐的順序。在到達開挖面后3～5 d 內完成直撐混凝土的澆筑，減少該處無支撐狀態(tài)的時間。將高村站和美旗站基坑開挖階段連續(xù)墻位移變化以及連續(xù)墻位移變化速率進行比較，結果表明高村站在基坑變形控制方面效果更好。

圖8 基坑開挖順序Fig.8 Sequence of the Excavation of the Foundation Pit

5.2 施工方案優(yōu)化建議

美旗站基坑開挖順序如圖8a 所示，首先對盾構端土體進行開挖，然后對標準段土層進行開挖，最后施工混凝土支撐。按照上述順序進行基坑開挖，基坑是先開挖后做支撐，基坑較長時間處于“開挖變形”［3］狀態(tài)。車站基坑變形可分為“開挖變形”和“有撐變形”2 個階段，“開挖變形”階段基坑變形速率較大［3］，故應盡量減少該階段的時長。

依據(jù)時空效應概念［4］并結合上海軟基地鐵基坑開挖的經驗［5-8］以及佛山地鐵3 號線美旗站的開挖情況，對高村站基坑開挖方案進行優(yōu)化，高村站基坑開挖順序如圖8b 所示。首先對標準段進行土體開挖，并完成標準段混凝土支撐的施工，在混凝土強度達到50%以上后，進行盾構端土體開挖以及施工混凝土支撐。上述開挖順序可大大減短基坑“無支撐變形”階段的時間，繼而減少基坑的變形。

依據(jù)高村站基坑開挖情況，對車站基坑開挖順序作進一步優(yōu)化，如圖8c 所示：①對標準段土體進行開挖，并及時架設支撐；②對靠近建構筑物一側的基坑角部土體進行開挖，自基坑角點沿垂直于斜撐方向在基坑內分步開挖，并及時架設支撐；③對遠離建構筑物一側的基坑角部土體進行開挖，并及時架設支撐；④最后對2 個斜撐范圍內的三角形土體進行開挖并挖除坑內余留的土體。上述基坑開挖順序方案充分應用時空效應概念，將基坑在原有分段開挖的基礎上，進一步細分為幾個部分，逐一進行開挖，盡量保持基坑的穩(wěn)定狀態(tài)，減短基坑“開挖變形”階段的時間。

5.3 設計方案優(yōu)化建議

在圍護結構設計方面，高村站采用3 道混凝土支撐，美旗站采用2 道混凝土支撐+雙拼直徑609 mm 鋼支撐。根據(jù)現(xiàn)場第3 道支撐軸力的監(jiān)測情況，美旗站第3 道鋼支撐軸力均不到1 500 kN，遠遠小于計算值；高村站3 道混凝土支撐軸力均大于5 000 kN，最大的第3 道支撐軸力為7 548 kN。從第3 道支撐施工開始到底板澆筑，基坑變形速率較大，在此階段高村站基坑變形了45.03 mm，占總變形值的57%；美旗站基坑變形了66.05 mm，占總變形值的55.77%；而混凝土支撐施工工序復雜，施工時間較長，一般為7～10 d；而鋼支撐架設時間一般為3～5 d，僅為混凝土支撐施工時間的一半。綜上所述，建議第3 道支撐采用φ800鋼支撐，并在施工期間根據(jù)軸力的監(jiān)測情況，進行復加軸力，確保鋼支撐的作用。

6 結論

通過對比佛山地鐵3 號線高村站與美旗站基坑開挖連續(xù)墻變形和支撐軸力的監(jiān)測數(shù)據(jù)，重點闡述分析基坑開挖施工方案和圍護結構設計方案對基坑變形等方面的影響，主要結論如下：

⑴高村站連續(xù)墻變形與理論值比較接近，遠小于美旗站的連續(xù)墻變形值。針對連續(xù)墻的變形，分為“開挖變形”和“有撐變形”兩階段進行分析；“開挖變形”階段，連續(xù)墻變形速率較大，應嚴格按照“開挖一段，支護一段”的原則。下一段支撐完成后，方可對上一段土方進行開挖，確保基坑的穩(wěn)定性。通過對佛山地鐵3 號線順德段軟基范圍的車站進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)基坑變形最大的位置均在盾構擴大端與標準段的交接處。對高村站和美旗站不同的施工順序進行對比分析，提出了基坑施工順序和支撐架設順序的優(yōu)化方案。

⑵結合高村站與美旗站的支撐軸力情況，對圍護結構設計方案提出優(yōu)化建議。美旗站連續(xù)墻變形較大的主要原因為第3 道支撐軸力過小，無法有效控制基坑變形。同時，混凝土支撐施工工序較復雜，時間較長，而第3 道支撐及第3 層土方開挖期間，基坑變形速率較大。而且第3 道支撐的實測軸力較小，建議第3道支撐采用φ800 鋼支撐，并在施工期間根據(jù)軸力的監(jiān)測情況，3 d 內進行復加軸力，確保鋼支撐的作用。本文旨在提供一些類似工程的經驗及思路，為以后同類工程提供參考。

⑶車站端頭擴大端與標準段交接處受力較為復雜，同時基坑圍護結構變形最大；應在此處進行地基加固處理，依據(jù)佛山地鐵3 號線各車站的施工情況，可以依據(jù)基坑地質情況以及施工工期要求，選擇旋噴樁加固或地基預壓排水固結等方式。