江心洲富水砂層超深基坑開挖方案分析研究

□文/馮 翔

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，軌道交通事業(yè)蓬勃發(fā)展，越來越多的過江通道開始建設(shè)[1]。在長江江心洲富水砂層中進(jìn)行區(qū)間中間風(fēng)井深基坑設(shè)計(jì)，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)很大，不僅要考慮基坑自身和周邊建構(gòu)筑物的安全，還要考慮工程造價(jià)及工期的要求，只有合理的工法、設(shè)計(jì)方案和針對(duì)性的措施，才能確?；拥陌踩?，將施工對(duì)周圍環(huán)境的影響降至最低[2]。目前，富水砂層超深基坑工法主要有明挖法、逆作法、半順半逆作法和水中開挖法等。明挖順作法施工便捷、工藝要求不高，應(yīng)用普遍，工期短，造價(jià)低，但對(duì)周邊環(huán)境影響較大，風(fēng)險(xiǎn)較高；逆作法是利用地下工程結(jié)構(gòu)作為基坑的支撐，必要時(shí)增加支撐，邊挖邊施工結(jié)構(gòu)，這種工法利于控制周邊地層變形，但工期較長，造價(jià)較高[3]；水中開挖法施工較為復(fù)雜，底板封底困難，施工質(zhì)量較難控制，在地鐵工程中采用較少[4]。本文針對(duì)某城市江心洲中間風(fēng)井富水砂層超深基坑進(jìn)行工法比選分析和基坑設(shè)計(jì)并采用一維和三維數(shù)值模擬分析研究對(duì)周邊環(huán)境的影響，確定最優(yōu)的基坑設(shè)計(jì)方案并對(duì)工期、造價(jià)進(jìn)行了分析。

1 工程概況

該中間風(fēng)井位于長江江心洲洲尾，沿規(guī)劃道路敷設(shè)，西北-東南方向，周圍現(xiàn)狀為葡萄園、魚塘和農(nóng)田。中間風(fēng)井西北距離長江退堤保護(hù)線93.8 m，東南距離長江二級(jí)水源保護(hù)區(qū)64.68 m，西端距離西側(cè)長江大堤坡腳線108.8 m，東端距離東側(cè)夾江大堤164.98 m。見圖1。

圖1 中間風(fēng)井平面布置

2 地質(zhì)和水文條件

中間風(fēng)井所在地貌類型屬長江邊灘、灘地，地勢(shì)向長江河谷緩傾，地面高程在6.5～8.5 m之間，土層分布見圖2。

圖2 中間風(fēng)井地質(zhì)縱斷面

②-2b4 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（夾砂）、②-3d3 粉砂、②-4d2粉砂工程性質(zhì)極差，土方開挖及樁基施工時(shí)易出現(xiàn)坍塌、縮徑現(xiàn)象；②-5d1粉、細(xì)砂層地層工程性質(zhì)較好?；鶐r埋深約53 m，為K2p 砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖， 工程地質(zhì)性能好。見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

江心洲地下水與長江聯(lián)系密切，水量豐富。根據(jù)地下水賦存條件，主要為松上部土層中的潛水、微承壓水和基巖裂隙水。

潛水含水層主要賦存于填土和淺層的粉砂層中，透水性較好、賦水性較差，主要補(bǔ)給來源為大氣降水入滲，地下水運(yùn)移條件較好，為徑流條件較好的含水層，排泄方式以自然蒸發(fā)為主。

承壓含水層透水性、賦水性均較好，含水層厚度大，分布廣，滲透性能好，與長江水聯(lián)系密切，具有較穩(wěn)定的補(bǔ)給來源，地下水運(yùn)移條件好，為徑流條件較好的含水層，主要為徑流排泄，還存在向基巖入滲補(bǔ)給、地下水開采等方式排泄。

場(chǎng)區(qū)基巖裂隙水為碎屑巖類裂隙水，含水巖組巖性為K2p 白堊系浦口組的碎屑巖組成。強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化砂巖有一定的透水性，中風(fēng)化泥巖可認(rèn)為是不透水層，主要接受側(cè)向入滲補(bǔ)給及上部承壓水下滲補(bǔ)給，排泄方式主要為側(cè)向徑流。

3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型

標(biāo)準(zhǔn)段基坑深38.705 m，端頭井段基坑深約42.85 m 且處于長江邊灘、灘地，施工風(fēng)險(xiǎn)極大，調(diào)研國內(nèi)類似工程，見表2。

表2 國內(nèi)深大地鐵車站基坑總結(jié)

借鑒表2，本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)推薦采用1.5 m 地下連續(xù)墻，入中風(fēng)化泥巖，全部隔斷外圍承壓水，墻內(nèi)側(cè)采用φ850 mm 三軸攪拌樁入②-4d2 粉砂1 m 進(jìn)行防坍塌加固，外側(cè)采用素混凝土墻進(jìn)行止水。

4 施工方法的選擇

現(xiàn)有深基坑施工方法主要有明挖順作法、逆作法、半順半逆法、水中開挖法，見表3。

由表3 可以看出，水中開挖法各方面條件都不適合本工程，故以下僅對(duì)半順半逆法、明挖順作法、逆作法三種方案進(jìn)行比選。

表3 施工工法綜合比較

4.1 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)

1）半順半逆法。先開挖至負(fù)三層底，再自下而上施工上三層結(jié)構(gòu)，直至頂板完成后；再開挖下兩層土體，邊挖邊施工結(jié)構(gòu)，直至底板澆筑完成。見圖3。

圖3 半順半逆法基坑設(shè)計(jì)

2）明挖順作法。自上而下逐層開挖至坑底，隨挖隨撐，結(jié)構(gòu)自下而上施工至頂板，見圖4。

圖4 明挖順作法基坑設(shè)計(jì)

3）逆作法。自上而下邊挖邊施工結(jié)構(gòu)體系，用結(jié)構(gòu)板、墻充當(dāng)逆作基坑的支撐構(gòu)件，最底層需設(shè)置一道雙拼鋼支撐，見圖5。

各方案支撐布置見表4。

表4 各方案支撐布置

由表4可以看出，逆作法所用支撐數(shù)量最少，半順半逆法其次，明挖順作法所用支撐最多。

4.2 基坑內(nèi)力和變形

基坑一維計(jì)算采用理正深基坑7.0 軟件并做如下基本假設(shè)：

1）地下連續(xù)墻按作用在地基上的彈性地基梁來計(jì)算，地層及支撐對(duì)墻體的作用采用一系列彈簧進(jìn)行模擬；

2）施工過程和使用期間分階段按增量法原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，計(jì)算時(shí)計(jì)入結(jié)構(gòu)的先期位移值以及支撐的變形，按“先變形后支撐”的原理進(jìn)行分析，最終的位移及內(nèi)力值就是各階段之累加值；

3）地下水位以下各土層，砂性土采用水土分算，黏性土采用水土合算，計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力；

4）排樁內(nèi)力計(jì)算時(shí)采用彈性支點(diǎn)法，土的水平抗力系數(shù)按m法確定。

施加荷載包括：

1）永久荷載，結(jié)構(gòu)自重、地層壓力、靜水壓力、側(cè)向地基抗力及地基反力；

2）可變荷載，地面車輛荷載及其引起的側(cè)向土壓力及施工荷載。

計(jì)算示意見圖6。

圖6 基坑計(jì)算

基坑變形、抗隆起、整體穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表5。

由表5 可知，半順半逆和逆作法地表沉降和地下連續(xù)墻水平位移均小于明挖順作法，半順半逆的最大水平位移小于逆作法，三方案的穩(wěn)定性計(jì)算均滿足規(guī)范要求[1]，從基坑變形和穩(wěn)定性角度考慮，推薦采用半順半逆法施工。

表5 計(jì)算結(jié)果

4.3 工期

對(duì)三方案進(jìn)度進(jìn)行分析。

1）半順半逆法：總工期為39 月；若考慮每年長江汛期江心洲不能施工的影響，土建總工期55月。

2）明挖順作法：總工期為32月；若考慮每年長江汛期階段江心洲不能施工的影響，土建總工期需要44月。

3）逆作法法：總工期約為47月；若考慮每年長江汛期階段江心洲不能施工的影響，土建總工期需要67月。

工期最短的為明挖順作法，工期最長的為逆作法，半順半逆工期居中。

4.4 綜合比選

三種方案的綜合比選見表6。

表6 三種方案比選

從對(duì)周邊環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)影響和耐久性角度考慮，逆作法風(fēng)險(xiǎn)最小，但施工縫較多，以往同類工法施工的車站運(yùn)營后發(fā)生滲漏的情況較多。綜上，推薦半順半逆法施工。

5 基坑開挖對(duì)長江大堤的影響

5.1 模型

采用MIDAS-NX 巖土與隧道仿真分析軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析半順半逆施工過程對(duì)長江大堤的影響。模型尺寸為400 m(長)×240 m(寬)×120 m(深)，共劃分為288 777 個(gè)網(wǎng)格單元，155 823 個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用摩爾-庫倫計(jì)算準(zhǔn)則，特別對(duì)基坑、結(jié)構(gòu)、基坑周邊土體進(jìn)行了重點(diǎn)細(xì)分。見圖7。

5.2 周邊土體位移

基坑開挖過程中，周邊土體X 方向最大位移為19.3 m，發(fā)生在大盾構(gòu)端墻外側(cè)，方向指向基坑；Y 向最大水平位移為22.7 m，位于負(fù)四層側(cè)墻外側(cè)，方向指向基坑；基坑周邊最大地表沉降為8 mm。見圖8?；又苓呁馏w及地表沉降均是滿足基坑自身的控制值[5～6]。

圖7 三維實(shí)體模型

圖8 基坑周邊土體位移

5.3 對(duì)長江大堤影響

結(jié)構(gòu)施工完成后，長江大堤最大水平位移為0.243 mm，指向基坑方向；最大豎向沉降僅為0.24 mm，均滿足長江及夾江大堤的變形控制(10～-30 mm)的要求，見圖9。說明半順半逆基坑的設(shè)計(jì)是安全的，對(duì)長江大堤的風(fēng)險(xiǎn)影響是可控的。

6 結(jié) 論

1）從技術(shù)角度考慮，區(qū)間中間風(fēng)井采用明挖順作、逆作及半順半逆均是可行的；但從基坑變形、工期、風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)性多方面考慮，本基坑推薦采用半順半逆施工，其中-1～-3層采用順作施工，-4、-5層采用逆作施工。地下連續(xù)墻和內(nèi)襯墻采用疊合墻體系，地下連續(xù)墻入中風(fēng)化巖2.5 m，總長60 m，順作采用大直徑鋼管支撐；逆作階段采用混凝土支撐。半順半逆施工，總工期為39月，總造價(jià)為41 231.9萬元，工期及造價(jià)均介于明挖順作和逆作之間。

2）經(jīng)過計(jì)算分析，半順半逆法施工地下連續(xù)墻最大水平位移17.1 mm，地表最大沉降21 mm，基坑的抗傾覆、抗隆起、整體穩(wěn)定性安全系數(shù)均滿足要求。

3）經(jīng)過三維地層-荷載法數(shù)值模擬結(jié)果分析，施工完成后，周邊土體最大水平位移22.7 mm，地表最大沉降8.0 mm；圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移22.6 mm，均滿足規(guī)范要求。

4）基坑開挖對(duì)長江及夾江大堤的影響較小，施工完成后，長江大堤最大水平位移0.243 mm，最大豎向沉降0.24 mm，遠(yuǎn)小于長江及夾江大堤的現(xiàn)狀控制值?！酢?/p>