巖溶地區(qū)臨近地鐵超大深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

鄔龍剛，楊開(kāi)彪

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

隨著城市地下空間的不斷開(kāi)發(fā)，越來(lái)越多的基坑處于城市中心地帶，基坑周邊存在現(xiàn)狀道路、管線(xiàn)、建構(gòu)筑物以及地鐵等等，導(dǎo)致基坑工程已成為一個(gè)系統(tǒng)工程，不僅需要考慮基坑本身的安全，同時(shí)需考慮對(duì)周邊環(huán)境的影響以及社會(huì)問(wèn)題[1]?；谏鲜鲈?，單一支護(hù)方式已難以滿(mǎn)足受周邊建設(shè)條件制約的基坑設(shè)計(jì)，復(fù)雜基坑的設(shè)計(jì)應(yīng)因地制宜，針對(duì)不同的地質(zhì)情況、周邊建構(gòu)筑的結(jié)構(gòu)形式及重要性進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性原則[2]。國(guó)內(nèi)學(xué)者就基坑工程對(duì)鄰近地鐵隧道影響機(jī)理、地鐵變形的發(fā)展規(guī)律等進(jìn)行了一系列分析與研究[3-10]。本文以某一深大基坑工程設(shè)計(jì)為例，在基坑處于地質(zhì)條件復(fù)雜、周邊存在現(xiàn)狀運(yùn)營(yíng)地鐵及建筑等制約條件較多的情況下，詳細(xì)分析了復(fù)雜條件下基坑設(shè)計(jì)，并以項(xiàng)目實(shí)踐加以驗(yàn)證，為類(lèi)似工程提供了參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為大型地下空間聯(lián)合基坑，基坑內(nèi)含30幅地塊以及地塊之間的公共空間（公共空間包括地下商業(yè)、市政隧道）組成。地下環(huán)路為單層結(jié)構(gòu)，地塊內(nèi)為-2～-4 層地下室。聯(lián)合基坑長(zhǎng)約460 m、寬約370 m，周長(zhǎng)約1769 m，臨近基坑各地塊深度約10.5～14.5 m，面積約17 萬(wàn)m2。

基坑南北兩側(cè)亦為現(xiàn)狀城市道路?；游鱾?cè)為建設(shè)中的城市主干道，基坑?xùn)|側(cè)為現(xiàn)狀城市道路，且其下為運(yùn)營(yíng)中的地鐵2 號(hào)線(xiàn)（明挖現(xiàn)澆，天然基礎(chǔ)），東北角為現(xiàn)狀地鐵站，地鐵區(qū)間距基坑約14.1～20.3 m，地鐵站距基坑約10 m，地鐵站和區(qū)間隧道埋深約11 m。此外，基坑西北角為保留的現(xiàn)狀8 層商業(yè)樓，距支護(hù)結(jié)構(gòu)最近距離約9.7 m，設(shè)一層地下室，采用CM 樁復(fù)合地基?；又苓吳闆r見(jiàn)圖1。

圖1 基坑周邊情況示意圖

從項(xiàng)目簡(jiǎn)介可知，該深基坑周邊環(huán)境非常復(fù)雜，對(duì)基坑變形控制要求比較高，尤其要考慮基坑開(kāi)挖對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵及現(xiàn)狀商業(yè)樓的影響。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

擬建場(chǎng)地地層按地質(zhì)成因及力學(xué)性質(zhì)依次分為：由人工填土（Qml）、沖積- 洪積層（Qal+pl）、殘積層（Qel）及下覆基巖二疊系（P）的泥巖、炭質(zhì)灰?guī)r。其中沖積-洪積層主要由淤泥質(zhì)土、可塑（硬塑）狀粉質(zhì)黏土、粉砂層、中粗砂層組成。場(chǎng)地100 個(gè)鉆孔中揭露炭質(zhì)灰?guī)r的鉆孔80 個(gè)孔，揭露溶洞的鉆孔有54 個(gè)，見(jiàn)洞率約為67.5%，線(xiàn)巖溶率為43.02%，為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育場(chǎng)地。溶洞以無(wú)充填及半充填為主，充填物主要為軟塑狀粉質(zhì)黏土、砂土及風(fēng)化巖屑為主。

擬建場(chǎng)地位于沖洪積平原上，鉆探期間測(cè)得鉆孔的初見(jiàn)水位埋深介于0～5.3 m，水位高程位于10.14～15.11 m；穩(wěn)定水位埋深介于0.20～5.50 m之間，地下水埋藏整體不深，并隨著季節(jié)變化而水位發(fā)生變化，地下水位變化幅度約為2～5 m。地下水類(lèi)型主要為填土層的上層滯水、砂層孔隙水、巖層中的裂隙水、巖溶水。典型地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。

圖2 基坑典型地質(zhì)斷面圖

2 基坑設(shè)計(jì)方案

2.1 基坑支護(hù)的特點(diǎn)和難點(diǎn)

通過(guò)工程概況及地質(zhì)水文條件介紹可知，本工程的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)難點(diǎn)如下：（1）基坑?xùn)|北側(cè)為現(xiàn)狀地鐵站，地鐵車(chē)站距基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最近約10 m，基坑?xùn)|側(cè)與地鐵2 號(hào)線(xiàn)區(qū)間基本平行（區(qū)間長(zhǎng)度約350 m），距基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)約14.1～20.3 m，地鐵站和區(qū)間埋深約11 m，采用天然地基基礎(chǔ)?；邮┕み^(guò)程中不能中斷或影響地鐵運(yùn)營(yíng)，對(duì)變形要求比較高。（2）基坑西北角9.7 m 處為現(xiàn)狀8 層商業(yè)樓，設(shè)一層地下室并采用復(fù)合地基處理，對(duì)沉降較為敏感，且該處基坑恰位于大陽(yáng)角處，如何確保該處基坑安全是本工程的重難點(diǎn)。（3）本工程基坑位于巖溶發(fā)育地區(qū)，尤其是基坑南北兩側(cè)為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育場(chǎng)地。灰?guī)r在地下水的作用下形成巖溶、土洞現(xiàn)象，易造成地面塌陷或塌坍，嚴(yán)重威脅本工程及周邊建（構(gòu)）筑物的安全。（4）聯(lián)合基坑尺寸大，內(nèi)含多個(gè)地塊，各地塊出讓及建設(shè)時(shí)序各不相同，工期長(zhǎng)，如何保證復(fù)雜情況下基坑安全是本工程的重點(diǎn)難點(diǎn)。

2.2 基坑選型分析

鑒于本工程聯(lián)合基坑范圍大、深度較深，基坑臨近建構(gòu)筑物、地鐵、市政道路等，周邊環(huán)境復(fù)雜。綜合本基坑特點(diǎn)、地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、基坑及周?chē)鷺?gòu)建物安全及造價(jià)等多方面因素考慮，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，將本基坑分為A～H 共計(jì)8 個(gè)分區(qū)（見(jiàn)圖3）。

圖3 基坑支護(hù)分區(qū)平面圖

（1）基坑四個(gè)角部具備內(nèi)支撐條件，且臨近現(xiàn)狀建筑物、地鐵車(chē)站或區(qū)間隧道、道路及地下管線(xiàn)等，為保證基坑安全，采用80 cm 地連墻+ 鋼筋混凝土桁架支撐支護(hù)（基坑B、D、F、H 區(qū)），見(jiàn)圖4。基坑陽(yáng)角處采用40 cm 鋼筋混凝土板進(jìn)行加強(qiáng)，在西北角靠近8 層現(xiàn)狀商業(yè)樓處，因避讓商業(yè)樓形成大陽(yáng)角，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力非常不利，且該處支撐長(zhǎng)度較大，為此，大陽(yáng)角轉(zhuǎn)折處采用了格柵狀地連墻，因該處基坑內(nèi)側(cè)緊貼地下環(huán)路，無(wú)法采用留土反壓，設(shè)計(jì)沿地連墻兩個(gè)方向向基坑內(nèi)側(cè)各延伸兩幅地連墻以抵抗沿地連墻的水平分力，待陽(yáng)角兩側(cè)地塊建筑地下室完成后再拆除基坑內(nèi)側(cè)地連墻施工地下環(huán)路。

圖4 東北角基坑支護(hù)典型斷面圖

（2）基坑?xùn)|側(cè)中部臨近地鐵區(qū)間隧道（基坑G 區(qū)），不具備內(nèi)支撐或錨索條件，且基坑僅開(kāi)挖至聯(lián)合基坑基底、地塊不需要繼續(xù)下挖的范圍，采用格柵式地下連續(xù)墻支護(hù)，格柵內(nèi)尺寸3.0 m×2.4 m，地連墻厚80 cm，為保持成槽過(guò)程中槽壁的穩(wěn)定，格柵內(nèi)部采用Φ500 水泥攪拌樁進(jìn)行加固。格柵式連續(xù)墻中部接頭采用剛性十字鋼板接頭進(jìn)行連接，以提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度及抗側(cè)向變形能力（見(jiàn)圖5、圖6）。

圖5 東側(cè)中部基坑支護(hù)典型斷面圖

圖6 格柵式地連墻大樣圖

（3）其余臨近市政道路的基坑采用80 cm 地連墻+ 二至四道預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)（基坑A、C、E 區(qū)），見(jiàn)圖7。

圖7 南北側(cè)及西側(cè)中部基坑支護(hù)典型斷面圖

2.3 基坑施工注意事項(xiàng)

鑒于本工程的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)針對(duì)本項(xiàng)目的工程特點(diǎn)和難點(diǎn)提出了針對(duì)性的施工注意措施如下。

（1）場(chǎng)地巖溶區(qū)域的地連墻每3～6 m 長(zhǎng)度范圍施作一個(gè)超前鉆孔，支護(hù)結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)的溶（土）洞區(qū)域在基坑支護(hù)施工前采用雙液漿預(yù)處理，以確保施工安全及截?cái)嗷觾?nèi)外水力連通。

（2）施工過(guò)程中不允許采用沖孔、擠土工藝以及爆破工藝；地鐵側(cè)地連墻施工建議采用雙輪銑成槽機(jī)；連續(xù)墻、基礎(chǔ)樁基、立柱樁基等須采用泥漿護(hù)壁施工，并采取有針對(duì)性措施防止塌孔。

（3）地鐵保護(hù)80 m 范圍各地塊樁基應(yīng)從原地面施工，地塊內(nèi)溶洞均于開(kāi)挖前處理完畢。

（4）合理控制各地塊開(kāi)挖工序，分區(qū)分塊開(kāi)挖，減小基坑暴露的空間尺寸及時(shí)間，地塊未開(kāi)發(fā)時(shí)不得開(kāi)挖。

（5）為避免基坑施工排水對(duì)地鐵造成不利影響，嚴(yán)格控制地下水位，嚴(yán)禁采取深層降水措施，并在地鐵側(cè)布置水位回灌井，確保地下水位下降幅度控制在1.0 m 以?xún)?nèi)；施工期間加強(qiáng)地下水位（包括巖溶水）的監(jiān)測(cè)。

（6）施工期間對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，地鐵監(jiān)測(cè)及保護(hù)要求按軌道交通相關(guān)規(guī)范及主管部門(mén)要求執(zhí)行。

（7）基坑開(kāi)挖前應(yīng)在地鐵側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外預(yù)埋注漿孔，如地鐵隧道或出入口發(fā)生險(xiǎn)情，則采取跟蹤補(bǔ)償注漿等措施加固；施工單位施工前應(yīng)根據(jù)本工程特點(diǎn)編制針對(duì)性的保護(hù)應(yīng)急預(yù)案。

（8）基坑F 區(qū)、G 區(qū)部分路段地連墻范圍存在早期基坑遺留的錨桿（索），施工前施工單位應(yīng)摸查清楚其分布范圍，施工前制定安全可行的施工專(zhuān)項(xiàng)方案，施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

3 基坑支護(hù)計(jì)算及結(jié)果分析

本文采用理正深基坑軟件對(duì)基坑支護(hù)進(jìn)行計(jì)算，土體參數(shù)取值見(jiàn)表1。限于篇幅，本節(jié)僅選取臨近地鐵東北側(cè)基坑計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

表1 土體計(jì)算參數(shù)

東北側(cè)基坑支護(hù)理正計(jì)算結(jié)果包絡(luò)圖見(jiàn)圖8?；幼畲笪灰茷?0 mm，位移主要發(fā)生于開(kāi)挖第二道支撐至基坑底面土方的工況。

圖8 理正基坑軟件單元模型計(jì)算結(jié)果包絡(luò)圖（東北角）

采用理正整體分析對(duì)東北角支護(hù)進(jìn)行整體分析，位移結(jié)果見(jiàn)圖9，其中連續(xù)墻墻體最大側(cè)移為17.22 mm，最大位移位于第二道支撐至基坑底面范圍，支撐中部最大側(cè)向變形為21.71 mm。

圖9 理正基坑軟件整體模型位移（東北角）

由上述計(jì)算結(jié)果可知，理正整體模型比單元模型計(jì)算結(jié)果偏大，從后期施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)的情況來(lái)看（見(jiàn)圖10 中CX38 測(cè)斜數(shù)據(jù)），對(duì)于此類(lèi)大尺寸深基坑，整體模型較單元模型更真實(shí)地反映了基坑支護(hù)體系對(duì)變形的影響。

4 基坑實(shí)施及效果

目前，聯(lián)合基坑北半幅各地塊地下室基本已施工至±0.00 標(biāo)高并完成回填，根據(jù)基坑、地鐵區(qū)間、車(chē)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，西北側(cè)基坑連續(xù)墻最大側(cè)移發(fā)生在CX22，為24 mm，該處現(xiàn)狀商業(yè)建筑沉降最大點(diǎn)為CJ8，最大沉降值為11 mm；東北側(cè)基坑連續(xù)墻最大側(cè)移發(fā)生在CX38，約22.7 mm，地鐵車(chē)站出入口最大沉降點(diǎn)為DM2，最大沉降值約14 mm，其中7 mm 發(fā)生在地連墻成槽施工期間，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均在容許范圍之內(nèi)（見(jiàn)圖10～圖12）。

圖10 基坑西北角CX22、東北角CX38 測(cè)斜孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖11 基坑西北角商業(yè)樓位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖12 基坑?xùn)|北角地鐵車(chē)站沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

（1）本文通過(guò)一深大基坑工程實(shí)例，因地制宜，針對(duì)不同的地質(zhì)情況、周邊地鐵及建構(gòu)筑的實(shí)際情況對(duì)基坑采取分區(qū)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)思路可為類(lèi)似工程借鑒。

（2）臨近地鐵的超大深基坑如采用超長(zhǎng)支撐+地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)重視地連墻成槽施工對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的不利影響，注意泥漿比重等施工參數(shù)。此外，溫差對(duì)超長(zhǎng)支撐的受力與位移影響不能忽視。

（3）應(yīng)對(duì)基坑陽(yáng)角（尤其是大陽(yáng)角）處針對(duì)性分析與設(shè)計(jì)以確?；蛹爸苓吔?gòu)筑物安全。

（4）巖溶地區(qū)的基坑應(yīng)重視基坑內(nèi)外溶洞的連通性，在基坑直接結(jié)構(gòu)前，應(yīng)對(duì)其支護(hù)結(jié)構(gòu)一定寬度及深度范圍內(nèi)的溶洞進(jìn)行預(yù)處理后方可開(kāi)挖。

（5）緊鄰地鐵的超大深基坑施工時(shí)，應(yīng)采用分區(qū)分片開(kāi)挖，避免基坑暴露時(shí)間；臨近地鐵基坑施工過(guò)程中不允許采用沖孔、擠土工藝以及爆破工藝；在基坑開(kāi)挖前應(yīng)提前做好基坑的回灌、注漿措施及應(yīng)急預(yù)案。