沿海地區(qū)深厚淤泥質(zhì)地層地鐵深基坑設(shè)計(jì)

龔玲峰

(中土集團(tuán)福州勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350000)

1 車(chē)站概況

車(chē)站位于十字路口處，東南方向?yàn)閺S房，西南方向?yàn)榭盏?，三角地處為臨街兩層商業(yè)板房，東北方向?yàn)槎鄬用穹考芭R時(shí)工棚，西北方向?yàn)榉浪牧瞎荆瑓^(qū)現(xiàn)狀以民房及廠房為主，如圖1所示。

圖1 車(chē)站場(chǎng)址

車(chē)站所在場(chǎng)地的特殊性巖土主要有:填土、軟土及風(fēng)化巖。場(chǎng)地分布的軟土層有〈2-4-1〉淤泥、〈2-4-2〉淤泥質(zhì)土、〈3-5-1〉淤泥夾砂層，厚度平均達(dá)10 m。軟土具有含水量高，孔隙比大，壓縮性高，抗剪強(qiáng)度低，靈敏度高的特點(diǎn)。地鐵施工時(shí)，如過(guò)度降水或?qū)浲恋募庸烫幚聿划?dāng)、地面超載、地鐵運(yùn)行震動(dòng)等容易產(chǎn)生變形固結(jié)，極易引起地面不均勻沉降。

場(chǎng)地地下水類(lèi)型分為上層滯水和承壓水兩種，根據(jù)場(chǎng)地鉆孔資料，孔隙承壓水主要在〈3-2〉(泥質(zhì))粉砂和(含泥)中砂中，該承壓水層對(duì)工程建設(shè)的影響較大，特別是對(duì)基坑開(kāi)挖有較大影響。

2 基坑設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)分析

2.1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系選型

現(xiàn)今地鐵設(shè)計(jì)中，最常用的支護(hù)形式[1]有地連墻+內(nèi)支撐、排樁+內(nèi)支撐體系、SMW工法樁+內(nèi)支撐體系等。

地連墻支護(hù)一般由地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐(混凝土支撐、鋼支撐)組成，這種支護(hù)體系靈活，可順筑、可逆筑、也可半逆筑，施工過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小，且防滲性能好，適用于各種地層及周邊環(huán)境復(fù)雜的深基坑中，適用的基坑深度大。

排樁支護(hù)通常由排樁、支撐及止水帷幕組成，多用于7～15 m深的基坑工程中。當(dāng)開(kāi)挖深度范圍內(nèi)水位較高時(shí)，需要采取隔水措施及降水措施，排樁施工過(guò)程中樁間容易產(chǎn)生滲水等問(wèn)題。

SMW工法樁支護(hù)是由工法樁與內(nèi)支撐組成，該方式同地連墻支護(hù)一樣，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小，抗?jié)B性好，剛度大，但是目前就工法樁的一些設(shè)計(jì)參數(shù)沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，施工的質(zhì)量有時(shí)難以保證。

本基坑地處淤泥地層，施工難，基坑變形也不易控制，其基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的選取是一項(xiàng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

2.2 深厚淤泥層開(kāi)挖方式的選擇

本車(chē)站位置處于道路路口，其基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)淤泥層厚度達(dá)10 m左右，呈深灰色，流塑，飽和，以黏粒為主。深厚的軟土層的開(kāi)挖容易造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失效[2]、基坑失穩(wěn)、滲透變形、地面沉降、坑底隆起和突涌等。在設(shè)計(jì)時(shí)，其開(kāi)挖方式的選取也是一項(xiàng)難點(diǎn)。

2.3 基底處理方式的選擇

對(duì)基底內(nèi)側(cè)土體的加固可以提高被動(dòng)土壓力區(qū)土體的整體強(qiáng)度和側(cè)向抗力，還能控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移情況，降低周邊既有建筑物及地下管線的沉降風(fēng)險(xiǎn)，防止坑底土體隆起破壞及滲流破壞，一定程度上還能彌補(bǔ)圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度不足等問(wèn)題。

軟土地層中常用的基底加固方式有:裙邊加固、抽條加固、滿堂加固、格柵加固等，施工方式有采用三軸攪拌樁或高壓旋噴樁進(jìn)行加固。本基坑地處淤泥地層，采取哪種基底加固方式也是一項(xiàng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

2.4 周邊環(huán)境加固方式的選擇

基坑開(kāi)挖過(guò)程中需要對(duì)周邊環(huán)境采取加固措施，如果不采取加固措施，周邊既有建構(gòu)筑物及管線等變形會(huì)超出變形允許范圍，這嚴(yán)重影響到既有建構(gòu)筑物等的使用安全和壽命，從而有可能會(huì)導(dǎo)致工程索賠，因此，采取加固保護(hù)措施是十分必要的。

本工程主要臨近淺基礎(chǔ)民房及廠房，且周邊管線復(fù)雜，除了市政排水排污等管網(wǎng)以外，還有110 kV電力架高線和電桿等。需要考慮加固措施對(duì)高壓電桿和房屋的擾動(dòng)影響，因此，設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)距離基坑多少米范圍內(nèi)的建構(gòu)筑物采取何種加固方式也是一項(xiàng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

3 深厚軟土層基坑設(shè)計(jì)措施

3.1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系方案

綜合上述情況，設(shè)計(jì)時(shí)考慮在成槽前對(duì)地下連續(xù)墻壁進(jìn)行槽壁加固，加固深度至淤泥層底以下1 m，以此防止地連墻在深厚軟土層施工時(shí)造成塌槽。主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下三軸攪拌樁+連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系。

車(chē)站所在范圍及周邊地下管網(wǎng)繁雜，類(lèi)型眾多，管徑及埋深不一，主要有110 kV電力架高線、D400污水管等。因110 kV高壓線遷改困難、所耗資金龐大且工期長(zhǎng)，因此不采用高壓線遷改的方式，此種情況下設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮施工過(guò)程中高壓線的限高要求。非高壓線及電桿影響范圍內(nèi)地連墻墻幅寬6 m，成槽前采用三軸攪拌樁進(jìn)行槽壁加固，高壓線及電桿影響范圍內(nèi)地連墻墻幅調(diào)為3 m，槽壁加固采用三重管高壓旋噴樁。

盾構(gòu)段和標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)均采用800 mm厚地連墻+四道內(nèi)支撐+一道換撐，如圖2～圖3所示，蓋挖段圍護(hù)采用800 mm厚地連墻+三道內(nèi)支撐+一道換撐。第一道支撐為800 mm×800 mm砼支撐，間距4.5 m 或9 m；第二、三、四道采用φ800，t＝16 mm鋼支撐，間距2.5 m或3 m；換撐為φ609，t＝16 mm鋼支撐，間距3 m；蓋挖段支撐均為φ609，t＝16 mm鋼支撐，間距3 m；中設(shè)臨時(shí)立柱支撐體系，臨時(shí)立柱采用φ600鋼立柱。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)段基坑剖面圖

圖3 支撐平面布置

3.1.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系變形分析

3.1.2.1 車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段模型建立

以標(biāo)準(zhǔn)段為例，假定土體滿足材料的連續(xù)性和均勻性，且為彈塑性體，應(yīng)力應(yīng)變滿足摩爾庫(kù)倫理論，支撐體系為理想彈性體[3]。

建模時(shí)取基坑深度17.6 m，嵌固深度13.5 m，冠梁位置下壓1 m。該斷面基坑為淤泥層，采用坑內(nèi)加固土，加固土寬度取19.3 m，加固3 m厚，粘聚力取30 kPa，內(nèi)摩擦角取20°。地面超載取20 kPa(盾構(gòu)井基坑開(kāi)挖階段按30 kPa考慮)，基坑內(nèi)側(cè)水位取坑底以下0.5 m，基坑外側(cè)水位取地面以下0.5 m，鋼支撐預(yù)加力取1 000 kN。

工況共分18步，分別為:工況1開(kāi)挖至1.8 m；工況2加第1道混凝土支撐；工況3開(kāi)挖至7.8 m；工況4加第2道鋼支撐；工況5開(kāi)挖至11.3 m；工況6加第3道鋼支撐；工況7開(kāi)挖至14.3 m；工況8加第4道鋼支撐；工況9開(kāi)挖至17.6 m；工況10加底板剛性鉸；工況11拆第4道鋼支撐；工況12加換撐；工況13拆第3道鋼支撐；工況14加中板剛性鉸；工況15拆第2道鋼支撐；工況16加頂板剛性鉸；工況17拆第1道混凝土支撐；工況18拆換撐。

3.1.2.2 變形分析[4]

圖4給出了基坑水平位移隨開(kāi)挖深度的關(guān)系曲線，可以看出:

圖4 基坑水平位移隨施工工況變化的關(guān)系曲線

(1)基坑位移隨整個(gè)施工過(guò)程而增大，最大位移發(fā)生在最后一個(gè)工況下；開(kāi)挖至第2道支撐面以下0.5 m位置(工況3)的過(guò)程中位移增加曲率最大，基坑變形速度最快；而從工況3至工況9的開(kāi)挖過(guò)程中位移有所回落，此過(guò)程發(fā)生的位移變化不大；從工況11至工況18的整個(gè)拆撐過(guò)程中位移有所增加，但增加曲率平緩。

從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，控制基坑總體水平位移，可以考慮從控制工況3的水平位移出發(fā)。因?yàn)楣r3的位移變化最大，而后續(xù)過(guò)程位移變化緩慢，因此降低工況3的基坑位移可以控制整個(gè)施工過(guò)程中最大位移值。而工況3的開(kāi)挖深度是由工況4第2道支撐的架設(shè)位置決定的，因此，控制基坑的水平位移應(yīng)該綜合考慮第2道支撐與第1道支撐的豎向間距。

(2)車(chē)站大里程段、小里程段及標(biāo)準(zhǔn)段3個(gè)斷面的位移變化曲線基本一致，主要是因?yàn)檎麄€(gè)地鐵車(chē)站的地層分布相對(duì)均勻，整個(gè)開(kāi)挖區(qū)域幾乎處于淤泥層中，而基坑周邊荷載分布又相對(duì)對(duì)稱。

深厚軟土地層具有高靈敏度、低強(qiáng)度及高壓縮性等特性，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制非常不利。這要求在基坑開(kāi)挖過(guò)程[5]中要嚴(yán)格控制土方分層開(kāi)挖長(zhǎng)度[6]，以保證支撐體系能及時(shí)施工，減少開(kāi)挖過(guò)程中土體無(wú)支撐的暴露時(shí)間[7]。

3.2 基坑開(kāi)挖方式設(shè)計(jì)

結(jié)合交通疏解需要，為保證基坑的安全施工，決定除為滿足交通疏解需要部分采用蓋挖順筑法外，其余部分均采用明挖順筑法。

基坑開(kāi)挖前應(yīng)對(duì)基底軟土層進(jìn)行處理，以防止基坑內(nèi)部大面積卸載后基底產(chǎn)生隆起破壞。

土方開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)遵循“開(kāi)槽支撐、先撐后挖、分層開(kāi)挖、嚴(yán)禁超挖”的原則。開(kāi)挖過(guò)程需保證施工效率，盡量減少土體無(wú)支撐的暴露時(shí)間。

3.3 基底處理方式設(shè)計(jì)

對(duì)基坑底位于淤泥層的部分進(jìn)行直徑850@600三軸攪拌樁抽條加固[8]，如圖5所示。抽條加固深度至基坑底以下3 m，空攪水泥摻量不小于7%，實(shí)攪水泥摻量不小于20%，以此控制基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移以及控制周?chē)孛婧图扔薪?gòu)筑物的沉降，并防止坑底土體隆起破壞[9]。

圖5 基底抽條加固示意

3.4 周邊環(huán)境加固設(shè)計(jì)[10]

本工程對(duì)既有建構(gòu)筑物的加固措施[11]主要有:(1)對(duì)臨近基坑的高壓電桿采用直徑800@1300隔離樁加固，隔離樁的施工對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)相對(duì)較?。?2)對(duì)臨近既有房屋及管線采用注漿[12]保護(hù)法，該工法使用靈活，施工簡(jiǎn)便，在車(chē)站的整個(gè)施工過(guò)程中均可使用，固結(jié)體質(zhì)量可顯著提高。

4 結(jié)語(yǔ)

目前該車(chē)站已完成空載試運(yùn)營(yíng)階段，實(shí)踐表明:

(1)深厚軟土地層中地鐵深基坑的總體設(shè)計(jì)方案采用地連墻+內(nèi)支撐+三軸攪拌樁槽壁加固+三軸攪拌樁基底加固的方式是成功的。

(2)從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，控制基坑總體水平位移，可以從控制第2道支撐的架設(shè)位置著手，綜合考慮第2道支撐與第1道支撐的豎向間距?；娱_(kāi)挖應(yīng)分層分段開(kāi)挖，保證施工效率，減少開(kāi)挖過(guò)程中土體無(wú)支撐的暴露時(shí)間。

(3)為保護(hù)基坑周邊既有建構(gòu)筑物，可采用隔離樁法、注漿加固法等進(jìn)行地面加固。