地鐵車站深大基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘? ?要： 以鄰近河流城市的某地鐵車站為研究對象，開展深大基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)合車站所處位置的工程地質(zhì)和水文條件，歸納整理圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的問題，研究問題并提出解決措施，形成設(shè)計方案。針對河岸線距離車站最小距離僅為3 m左右的現(xiàn)狀，提出將柔性粘土咬合樁作為止水體系，使其與內(nèi)部剛性咬合樁相互咬合，顯著降低地基的滲透系數(shù);針對近江側(cè)為有限土體、遠江側(cè)為無限土體的現(xiàn)狀，合理調(diào)整水荷載，抵消土荷載的差異，使得基坑僅向遠江側(cè)變形，保護原有河堤。經(jīng)計算模型構(gòu)建和模擬驗證，“剛+柔”雙重止水體系隔絕了城市水系與基坑的聯(lián)系，對混凝土漿液起到了反向隔絕作用，避免了滲透所造成的環(huán)境污染，為類似工程的設(shè)計和施工提供了寶貴的借鑒價值。

關(guān)鍵詞： 鄰近河流城市;深大基坑;圍護結(jié)構(gòu);止水體系;粘土咬合樁

中圖分類號：TU318? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-141-09

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.025

引言

近年來，隨著城市地鐵線網(wǎng)的發(fā)展，地鐵進入深基坑、超深基坑建設(shè)時期[1-2]，基坑周邊鄰近各種建構(gòu)筑物與河流的工況層出不窮，對基坑的支護設(shè)計、止水效果、安全性能等提出了嚴(yán)格的要求[3-4]，尤其是鄰近城市水系的深大基坑，對基坑的止水效果提出的要求更為嚴(yán)苛[5]。

當(dāng)前較為常用的基坑止水措施有：地下連續(xù)墻、咬合樁、攪拌樁和旋噴樁。大部分止水工藝在粘土等地層有較好的效果。但是，在孤石、飄石、砂卵石層，攪拌樁和旋噴樁并不適用，采用地下連續(xù)墻進行水下成槽又存在塌孔的風(fēng)險，同時泥漿護壁和灌注凝土亦存在污染城市水系的風(fēng)險。

在本文介紹的某地鐵車站圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計案例中，地鐵線網(wǎng)距離河道僅3 m左右。初期采用旋噴樁試樁，發(fā)現(xiàn)混凝土漿液向水系反向滲漏，遂推斷如采用泥漿護壁，泥漿有較大可能性向江內(nèi)滲漏，造成環(huán)境污染。因此，圍護結(jié)構(gòu)形式僅剩咬合樁可供選擇。但是，基坑自身在不對稱土壓力影響下會導(dǎo)致偏載，河水水位反復(fù)變動等因素也會導(dǎo)致基坑受力不穩(wěn)定，使得圍護結(jié)構(gòu)始終處于一種動態(tài)受力的狀態(tài)下，那么咬合樁的咬合部分就存在開裂分叉的風(fēng)險。針對這一工程的特殊性，有必要尋找一種能夠有效輔助止水的柔性支護體系，旨在隔絕水系與基坑的聯(lián)系，同時保證在咬合樁施工期間反向隔絕混凝土漿液，阻止它們隨著地下水涌入河道，避免造成環(huán)境污染。

本文首先介紹地鐵車站周邊的工程地質(zhì)與水文條件;然后歸納整理圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的問題，總結(jié)出設(shè)計重難點;最后對止水工藝、基坑偏載趨勢進行研究，形成一種“剛+柔”雙重止水體系設(shè)計方案。

1? 工程地質(zhì)與水文條件

本地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度為21.1 m，長度為225.3 m，頂板有效覆土厚度約為3.2 m，底板埋深為17.79 m。站址周邊有22層商住樓、17層小區(qū)等建構(gòu)筑物，同時站位位于城市大型河流西側(cè)。河岸線距離車站最小距離約3 m。車站周圍環(huán)境條件復(fù)雜，站位平面圖如圖1所示，河道斷面圖如圖2所示。

根據(jù)鉆孔信息來看，場地范圍內(nèi)上覆第四系人工填土層（Q4ml），其下為第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）中砂及卵石，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖（K2g）。車站基坑范圍內(nèi)土層自上而下分布為：雜填土、素填土、松散卵石土、稍密卵石土、中密卵石土、密實卵石土、強風(fēng)化泥巖、中等風(fēng)化泥巖。砂卵石層滲透系數(shù)為22 m/d;強風(fēng)化泥巖層滲透系數(shù)為0.4 m/d，屬弱—中等透水層。車站底板位于密實卵石土層、強風(fēng)化泥巖及中風(fēng)化泥巖中。車站地質(zhì)斷面圖如圖3所示。

根據(jù)試驗統(tǒng)計結(jié)果，砂卵石層滲透系數(shù)為24.86～27.26 m/d，平均值為26.06 m/d。結(jié)合整個地層情況，建議本場地砂、卵石滲透系數(shù)k值取為22 m/d。

對抽水井進行兩次降深，兩觀測井與抽水井距離相同，1#近河側(cè)觀測孔水位降深低于2#遠河側(cè)觀測孔水位，判斷該河流對場地地下水有補給，河流與地下水之間存在水力聯(lián)系。

2? 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的問題及設(shè)計重難點分析

2.1? 面臨的問題

本基坑的圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計主要面臨如下問題：

（1）圍護結(jié)構(gòu)如何保證在水位變動的情況下安全有效地工作？

（2）在施工允許偏差范圍內(nèi)，圍護結(jié)構(gòu)如果開裂滲水，是否可以及時高效地進行封堵？

（3）近江側(cè)為有限土體，遠江側(cè)為無限土體，那么如何控制基坑向遠江側(cè)變形，以保護原有河堤？

2.2? 設(shè)計重難點

（1）車站端頭井最近位置距離河道僅3 m左右，基坑深度為17.4～18.6 m，須嚴(yán)格控制基坑變形及地下水對基坑開挖的影響。

（2）近江側(cè)為有限土體，遠江側(cè)為無限土體，需考慮基坑的偏載，并減小對河堤的影響。

（3）基坑在開挖期間，樁體存在變形，而鋼筋砼樁+素砼咬合樁隔一布一的方式又為剛性結(jié)構(gòu)，可能會使樁體由于變形產(chǎn)生劈叉，且垂直度控制存在一定的困難。近江側(cè)的地下水可能擊穿咬合樁薄弱部位，使近江側(cè)的河水及地下水大量涌入基坑，產(chǎn)生透水事故風(fēng)險。

3? 止水工藝研究

參照其他站址周圍基坑施工經(jīng)驗，某地塊基坑距離河道約56 m，基坑深度為22.60～25.90 m，基坑支護形式為錨拉排樁、內(nèi)支撐及錨拉雙排樁，圍護結(jié)構(gòu)施工期間，在地下約14 m處存在水的滲漏情況，現(xiàn)場照片如圖4a所示。再如，某美食城基坑距離江岸邊最小距離約20 m，基坑深度約10 m，采用圍護樁支護，坑外管井降水，河水向基坑滲水較大，施工期間曾造成臨近江側(cè)基坑側(cè)壁出現(xiàn)側(cè)壁管涌，現(xiàn)場照片如圖4b所示。

結(jié)合以往經(jīng)驗，在距離河岸50 m處采用間隔柱樁仍存在滲漏水事故風(fēng)險，且本站距離河道僅3 m左右，無法采用間隔柱樁。由于泥漿存在向江內(nèi)滲漏的情況，地下連續(xù)墻與旋噴樁亦無法施工，且攪拌樁不適用于帶孤石的砂卵石地層，遂止水方案初步擬定為樁徑1 200 mm、間距900 mm的咬合樁，咬合段寬度為300 mm，厚度為794 mm。按照本站基坑深度18 m，嵌固深度4 m，進入中風(fēng)化泥巖約2 m等參數(shù)，第一道支撐采用混凝土支撐，剛性連接整個基坑。

同時考慮施工期間土壓力不對稱、水位反復(fù)變動等因素，圍護樁存在變形風(fēng)險。因此，除了咬合樁的剛性防護外，增加一道可以與剛性圍護樁共同作用的柔性支護體系，輔助咬合樁進行止水，旨在保證隔絕江水與基坑的聯(lián)系，同時保證在咬合樁施工期間反向隔絕混凝土漿液，阻止它們經(jīng)地下水涌入河道，避免造成環(huán)境污染。外側(cè)樁體采用輔助止水措施，最好可以具備一定的壓縮性，對混凝土咬合樁咬合部位進行加強，達到剛性咬合樁加柔性可壓縮粘土樁雙重止水帷幕的效果。

根據(jù)上述基本指導(dǎo)方案，考慮在樁外使用旋噴樁或粘土樁進行柔性加固，成樁與止水效果根據(jù)試驗樁質(zhì)量確定。

（1）根據(jù)現(xiàn)場旋噴樁現(xiàn)場試驗結(jié)果顯示：旋噴樁機在下鉆至9 m深左右后發(fā)生了較為嚴(yán)重的卡鉆。經(jīng)過協(xié)調(diào)，現(xiàn)場繼續(xù)下鉆，在下鉆至10 m深左右時，旋噴樁機身由于卡鉆導(dǎo)致機身晃動，并造成金剛石鉆頭損壞。更換鉆頭后，依然存在此現(xiàn)象，遂放棄旋噴樁方案。

（2）粘土咬合樁。初步擬定采用φ1 200 mm @900 mm的一組共計3根試樁。粘土樁成樁擬采用套筒內(nèi)重錘夯擊。

根據(jù)相關(guān)文獻[5]，初步確定試驗工藝流程為：定位截滲軸線、孔位布置、鉆機運行、終孔檢驗、清除孔底沉淀物、安放導(dǎo)料管、分層回填粘土進行錘擊、提升導(dǎo)料管、回填粘土錘擊。

試樁完成后，全樁長范圍內(nèi)咬合部位垂直取芯，觀察孔內(nèi)水位情況，以監(jiān)測咬合樁止水效果。取芯觀察后，鉆孔采用素混凝土回填。取出芯樣，送專業(yè)機構(gòu)檢測抗?jié)B系數(shù)。

1#樁：此樁在拔管拆管過程中發(fā)現(xiàn)有水滲入套管內(nèi)，根據(jù)提升上來的重錘判斷，夯擊套管內(nèi)粘土發(fā)生了彈簧現(xiàn)象，成樁質(zhì)量欠佳。

3#樁：用快放鉤夯擊8次就發(fā)現(xiàn)有彈簧現(xiàn)象。停止夯擊，拔管過程中發(fā)現(xiàn)粘土在套管內(nèi)被擠密壓實后，隨套管一起被帶出，初步判定成樁質(zhì)量欠佳。

2#樁：2#樁成樁期間土彈簧現(xiàn)場與1#、3#樁基本一致，同時拔管過程中發(fā)現(xiàn)粘土在套管內(nèi)被擠密壓實后，隨套管一起被帶出。由于拔樁負壓導(dǎo)致1#、3#樁產(chǎn)生較大沉陷，遂推測本組試驗樁成樁效果均不理想。

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場采用純粘土回填夯實的實驗方案存在如下問題：

（1）分層夯實時如分層厚度較薄，則多次夯實會導(dǎo)致粘土與地下水?dāng)嚢韬笮纬赡酀{，無強度、無止水效果。

（2）分層厚度達到3 m左右，單次夯實在8～15次后，容易導(dǎo)致粘土在導(dǎo)管內(nèi)抱死，發(fā)生粘土無法脫出導(dǎo)管的情況。

（3）按照3 m分層夯實產(chǎn)生抱死現(xiàn)象后，需要拔管并清理粘土。由于導(dǎo)管與孔壁密貼，拔管產(chǎn)生的負壓會導(dǎo)致周邊粘土與水吸入，導(dǎo)致斷樁現(xiàn)象的發(fā)生與泥漿的產(chǎn)生，并引起周邊粘土樁塌孔。

針對以上問題，對施工工藝進行調(diào)整。擬采用灌注的形式進行施工，第二次的試驗樁，分別為1#粘土碎石樁（粘土∶碎石∶水泥=40%∶50%∶10%），2#粘土碎石樁（粘土∶碎石∶水泥=17%∶74%∶9%），3#粘土—混凝土樁（水泥∶粘土∶砂∶碎石∶水∶復(fù)合外加劑=169∶113∶810∶878∶3.6）。

灌注完成后，對樁身打設(shè)鋼花管，對樁身滲水進行監(jiān)測。經(jīng)過觀察，孔內(nèi)水位回復(fù)速度為0.4～1.2 m/h不等。經(jīng)過判定，粘土樁對底層滲透系數(shù)有較大的改善。

根據(jù)水位恢復(fù)法計算滲透系數(shù)的公式為

（1）

其中：k，滲透系數(shù);r，降水井半徑;H，水位深度;t，觀測時間;s1，對應(yīng)時間內(nèi)終止水位深度;s2，對應(yīng)時間內(nèi)初始水位深度。取值如下：r=0.4 m，H=12.5-2.5=10 m，s1=10-1.7=8.3 m，s2=10-2.7=7.3 m，t=1 h=1/24 d。經(jīng)過計算，最大的滲透系數(shù)為k=0.061 m/d，同時取芯檢測抗?jié)B情況，報告顯示在0.5 MPa水壓力下無滲漏現(xiàn)象。

通過試樁施工，各種實驗顯著地降低了地基的滲透性，原滲透系數(shù)在砂卵石24.86～27.26 m/d下實測試樁的滲透系數(shù)最大值為0.061 1 m/d，其結(jié)果符合要求。同時為了便于施工，采用粘土—混凝土樁作為外部輔助止水措施，外側(cè)樁體與內(nèi)部咬合樁相互咬合，形成雙咬合體系。

4? 基坑偏載研究

本工程河道河堤為重力式擋墻，其風(fēng)險源等級為Ⅰ級，基坑降水方案僅考慮坑內(nèi)降水。近江側(cè)為有限土體，遠江側(cè)為無限土體。如圖5所示的基坑變形趨勢圖，兩側(cè)水荷載相同，土荷載q1>q2，基坑整體變形趨勢為由遠江側(cè)向近江側(cè)變形，會導(dǎo)致河堤整體存在向近江側(cè)變形的趨勢，破壞風(fēng)險極大。本章著重研究近江側(cè)圍護樁變形趨勢。

在基坑中部降水，土體荷載為既有荷載，無法改變，能改變的荷載僅為水荷載。利用兩側(cè)水荷載的不同改變基坑整體變形趨勢，使得近江側(cè)水荷載>遠江側(cè)水荷載，達到抵消兩側(cè)土荷載差異的目的，同時控制基坑變形整體趨勢為不向近江側(cè)變形。

為達到上述效果，對臨近本站址范圍內(nèi)的既有民建基坑及現(xiàn)場抽水進行試驗，表明在遠江側(cè)可以進行降水。降水方案確定為：坑內(nèi)布置疏干井，遠江側(cè)布置降水井。

將上述問題簡化為平面問題來考慮，選擇距離河岸最近的斷面作為計算斷面，如圖3所示。江水壓力采用分布荷載模擬，降水前后通過分布荷載大小變化模擬降水，這里主要模擬分析近江側(cè)降水5 m時基坑圍護的變形。

4.1? 計算參數(shù)

（1）圍護結(jié)構(gòu)。止水體系參見圖4a。其中原咬合樁作為基坑的圍護樁使用，粘土咬合樁作為止水體系。數(shù)值模擬中按照剛度等效原則轉(zhuǎn)換成板單元模擬。

（2）基坑內(nèi)支撐。采用錨桿單元模擬。

（3）接觸面。圍護結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用是通過在圍護結(jié)構(gòu)表面設(shè)置古德曼接觸面單元并選取合理的虛擬厚度因子及強度折減因子進行模擬的。

（4）土體參數(shù)

巖土工程勘察設(shè)計參數(shù)根據(jù)地勘報告取值，計算中涉及有效黏聚力c和有效內(nèi)摩擦角φ。卸載再加載泊松比Vur采用Plaxis軟件的建議值，取0.2。參考應(yīng)力refp取100。側(cè)壓力系數(shù)K0可由計算得出。

（5）車站主體結(jié)構(gòu)。采用板單元模擬。

4.2? 計算模型

采用Plaxis2D有限元分析軟件進行計算。考慮到基坑的影響范圍一般為開挖深度的3～5倍，為了消除邊界影響，取模型橫向左右距離基坑中心為5倍開挖深度位置，深度方向取100 m。模型底部施加完全固定約束，在左右兩側(cè)施加豎直滑動約束（固定水平方向位移），模型表面為自由邊界。有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖如圖6所示。

4.3? 計算工況

嚴(yán)格按照設(shè)計方案所述，分為八個施工階段：

首先生成模型，通過運算消除地應(yīng)力;然后，在此基礎(chǔ)上通過“單元殺死功能”生成既有河道和江堤;同時，施加面荷載模擬江水壓力，通過位移置零模擬初始施工條件。

工況一：圍護結(jié)構(gòu)、臨時立柱、咬合樁施工，開挖第一層土并支護，同時抽水;

工況二：施工頂板;

工況三：開挖第二層土并支護;

工況四：開挖到底并支護;

工況五：施做底板;

工況六：施做中板并拆除底部支撐;

工況七：施做頂板拆除第二道支撐;

工況八：施做頂板防水層拆除第一道支撐。

4.4? 計算結(jié)果分析

遠江側(cè)假定抽水5 m，圖7所示為施工完成后變形示意圖，其中圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為5.5 mm。為了更進一步說明施工過程基坑變形規(guī)律，取近江側(cè)圍護結(jié)構(gòu)變形情況進行分析，結(jié)果如圖8a～8h所示。

由圖8可知，開挖第二層土之前圍護發(fā)生呈懸臂式位移分布，隨后開挖地層土體架設(shè)第二道支撐后，圍護結(jié)構(gòu)的位移分布整體上呈擬拋物線形式分布，此后的施工階段圍護結(jié)構(gòu)形形式并未發(fā)生顯著變化，只是變形量隨之增大，整個施工結(jié)束后基坑最大變形為5.496 mm，小于規(guī)范要求值。整個基坑在遠江側(cè)與近江側(cè)水頭差保持在5 m以上，使得整個基坑向遠江側(cè)變形。所以利用遠江側(cè)抽水加咬合樁+粘土樁，在遠江側(cè)布置降水井，能夠保證兩側(cè)水位差控制在5 m以上。

經(jīng)過三維復(fù)核（圖9），采用荷載結(jié)構(gòu)模型進行計算分析表明，當(dāng)遠江側(cè)與近江側(cè)水壓差在4～5 m時，達到圍護結(jié)構(gòu)整體變形趨勢的臨界點。當(dāng)水壓差大于5 m后，基坑整體基本不會向近江側(cè)變形。

5? 結(jié)論

本站圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用了常規(guī)咬合樁與粘土咬合樁結(jié)構(gòu)。本文應(yīng)用計算模型，論證了在大滲透系數(shù)下臨江基坑圍護結(jié)構(gòu)采用“剛+柔”雙重止水體系的合理性和正確性。

在施工期間，該設(shè)計方案收到了極好的效果。開挖驗證表明，基坑內(nèi)坑壁無滲漏點，坑底無涌水。該設(shè)計方案確保了工程施工的安全，保護了景觀河堤節(jié)約了工程成本，確保了工程質(zhì)量，并有利于后期的運營維護，為類似工程的設(shè)計和施工提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。

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作者簡介：

沙開萊（1985—），通信作者，男，四川成都人，本科，工程師，成都理工大學(xué)道路與橋梁工程專業(yè)畢業(yè)，就職于中鐵科學(xué)研究院設(shè)計院。研究方向：地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計與城市基坑設(shè)計。

E-mail： 307780483@qq.com

（收稿日期：2020-09-23）