深圳軟土地區(qū)地下蓋挖地鐵停車場樁基工程實(shí)踐

李文武

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

0 引 言

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，為充分利用城市建設(shè)用地，越來越多的地下停車場、地下商業(yè)廣場等地下結(jié)構(gòu)在填海淤泥地層中建造。淤泥地層為靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用形成，具有含水量高、壓縮性高、孔隙比高和天然密度低、抗剪強(qiáng)度低、承載力低的工程特性。淤泥地層不應(yīng)直接作為結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)持力層，淤泥地層的樁基設(shè)計(jì)要求樁的成樁工藝、樁的持力層選擇合理，并根據(jù)具體工程情況分析樁側(cè)負(fù)摩阻力對基樁的影響。填海淤泥地層常富含碎石土及大粒徑塊石，具均勻性差、密實(shí)度差、欠固結(jié)、高壓縮性等不良工程特性，樁基施工時(shí)易導(dǎo)致塌孔、沉渣過厚等不利影響。

蓋挖逆作法施工與常規(guī)明挖法施工相比，主要特點(diǎn)有：（1）不另設(shè)支撐體系，降低造價(jià)，避免了支撐的設(shè)置和拆除，節(jié)約資源、降低能耗、體現(xiàn)了低碳經(jīng)濟(jì)、綠色施工的時(shí)代要求；（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移小，有利于周圍的建筑和管線等環(huán)境的保護(hù)，具有顯著的社會效益[1]。由于在基坑變形控制、周邊建（構(gòu)）筑沉降控制、施工工期節(jié)約等方面具有明顯的優(yōu)勢，蓋挖逆作法在復(fù)雜地質(zhì)和復(fù)雜環(huán)境條件下的應(yīng)用得到了較快的發(fā)展[1-5]。本文以深圳地鐵13號線內(nèi)湖停車場項(xiàng)目為背景，對填海淤泥地層蓋挖逆作地下結(jié)構(gòu)樁基設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

深圳市城市軌道交通 13號線內(nèi)湖停車場位于南山區(qū)人才公園下方，為地下1～2層地下停車場。停車場西側(cè)為科苑大道及深圳灣一號大型商業(yè)樓層，南側(cè)為東濱路以及東濱路隧道，東側(cè)為沙河西路以及沙河西路隧道，北側(cè)為深圳灣內(nèi)湖。停車場基坑全長約710 m，基坑寬度約為100～170 m，基坑深度約12～14 m。停車場內(nèi)部建筑包括運(yùn)用庫、運(yùn)轉(zhuǎn)綜合樓、綜合樓、維修樓、物資倉庫、消防水池與泵房、牽引所等1～2層全地下建筑物，見圖1。

圖1 內(nèi)湖停車場總平面圖Fig. 1 Plan view of Neihu parking lot

1.2 工程地質(zhì)

內(nèi)湖停車場位于深圳灣內(nèi)湖填海區(qū)，場地揭露地層主要有第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積層（Q4mc）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）、第四系殘積層（Qel）、燕山四期(γβ5κ1)花崗巖。

主要地層巖性特征如下：

①-1素填土，欠固結(jié)、可塑狀，平均 5.5 m；①-2-1填碎石土，粒徑2～18 cm，含量50%～70%，稍密-中密狀，平均8.4 m；①-2-2填塊石，粒徑20～40 cm，含量50%～70%，稍密-中密狀，平均5.4 m；④-1-2淤泥，灰黑色、流塑性為主，標(biāo)貫擊數(shù)平均值N=2.1擊，平均7.5 m；⑧-1-2硬塑礫質(zhì)黏性土，硬塑狀、含20%～25%砂礫，平均6.76 m；[11]-1全風(fēng)化黑云母花崗巖，褐紅色，褐黃色夾灰白色，各種礦物已風(fēng)化為黏性土，呈堅(jiān)硬土柱狀，遇水軟化、崩解，平均8.16 m。代表地質(zhì)鉆孔地層剖面見圖2，厚度見表1。

圖2 代表地質(zhì)鉆孔圖Fig. 2 Representative geological borehole map

表1 代表地質(zhì)鉆孔地層厚度Table 1 Thickness of representative geological borehole

1.3 方案概況

內(nèi)湖停車場主體結(jié)構(gòu)采用蓋挖逆作法施工，基坑深約14 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1 500@1 100 mm套管咬合樁（葷樁、素樁間隔），如圖3。頂板逆作施工同時(shí)兼作圍護(hù)結(jié)構(gòu)第一道支撐，豎向支撐構(gòu)件采用鋼格構(gòu)柱，鋼格構(gòu)柱下設(shè)樁基礎(chǔ)，采用一柱一樁設(shè)計(jì)，樁間距8.4～11.5 m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計(jì)算如圖4，圍護(hù)樁計(jì)算水平位移為28.48 mm?；A(chǔ)采用擴(kuò)底鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)樁身直徑1 200 mm，樁底擴(kuò)孔直徑1 800～2 200 mm，樁底持力層為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖（土狀），樁長28～33 m。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖Fig. 3 Plan of enclosure structure

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形包絡(luò)圖Fig. 4 Envelope diagram of internal force and deformation of envelope structure

主體結(jié)構(gòu)頂板施工后，蓋挖至基坑底并順筑施工底板、側(cè)墻、中柱、中板和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，后期頂板覆土厚度2～5 m。施工階段，豎向支撐構(gòu)件采用鋼格構(gòu)柱。使用階段，主體結(jié)構(gòu)中柱采用型鋼混凝土柱（在格構(gòu)柱基礎(chǔ)上澆筑一圈鋼筋混凝土），施工工序如圖5所示。

圖5 施工工序圖Fig. 5 Construction process

2 樁基結(jié)構(gòu)受力分析

楊學(xué)林[6]提出，豎向支承體系的設(shè)計(jì)是基坑“逆作法”設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在地下室逆作期間，由于基礎(chǔ)底板尚未封底，地下室墻、柱等豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件尚未形成，地下各層和地上計(jì)劃施工樓層的結(jié)構(gòu)自重及施工荷載均需由豎向支承體系承擔(dān)。

填海淤泥地層蓋挖逆作施工地下結(jié)構(gòu)樁基結(jié)構(gòu)受力分析的關(guān)鍵問題有兩個(gè)：（1）需要根據(jù)蓋挖逆作施工工序及樁基結(jié)構(gòu)豎向受壓、抗拔的不同要求，分別分析施工期間臨時(shí)立柱樁基受壓承載力、使用期間永久柱樁基受壓承載力、使用期間永久柱樁基抗拔承載力要求。主體結(jié)構(gòu)計(jì)算水土壓力全部采用分算，計(jì)算單樁豎向承載力時(shí)應(yīng)考慮地下水的有利作用取低水位，計(jì)算單樁抗拔承載力時(shí)應(yīng)考慮地下水位的不利作用取高水位。（2）樁基結(jié)構(gòu)受力分析，如何考慮淤泥地層的影響。由于本工程基坑底面以下為厚度約2～10 m的淤泥地層，因此設(shè)計(jì)要求樁基施工前采用高壓旋噴樁、三軸攪拌樁對軟土地基進(jìn)行加固，以滿足基坑底面蓋挖施工場地要求。針對深厚填海淤泥地層基坑構(gòu)建了“蓋挖逆作+疏樁基礎(chǔ)+復(fù)合地基”組合技術(shù)措施[7-9]。

對④-1-2淤泥的加固復(fù)合地基設(shè)置了兩種方案，在上覆①-1填土區(qū)域采用雙排 Ф850攪拌樁格柵加固，如圖6；在上覆有①-2-2填塊石地層區(qū)域，采用Ф600雙重管旋噴樁格柵加固，如圖7。格柵中間采用Ф600雙管旋噴樁點(diǎn)狀加固。加固范圍為基底以下整個(gè)淤泥層范圍（4～12 m）。蓋挖立柱位于格柵加固的條帶內(nèi)，從而確保了立柱的穩(wěn)定性。

圖6 攪拌樁加固大樣圖Fig. 6 Diagram of deep mixing pile

圖7 旋噴樁加固大樣圖Fig. 7 Diagram of rotary jet grouting pile

在樁基受力分析時(shí)，劉鵬等[10]提出了考慮樁、土變形協(xié)調(diào)的軟土剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算方法。本工程計(jì)算模型考慮樁-土-地基共同作用，計(jì)算地層物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)復(fù)合地基檢測值選用。

2.1 計(jì)算模型

本工程采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，通用有限元軟件ANSYS 10.0進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算分析剖面，結(jié)構(gòu)模型如圖8～9所示，設(shè)計(jì)頂板厚 1.0 m，中板厚0.4 m，底板厚1.0 m，側(cè)墻厚0.8 m，型鋼中柱截面0.8 m×1.2 m（臨時(shí)鋼立柱截面0.6 m×0.6 m）、柱縱向間距8.4 m，樁基直徑1.2 m。墻、板、柱采用梁單元模擬，地層采用彈性非受壓彈簧單元模擬，樁基采用桿單元模擬，受力計(jì)算考慮樁-土-結(jié)構(gòu)共同作用。地基持力層主要為④-1-2淤泥等軟弱土層，根據(jù)地基處理后試驗(yàn)段檢測數(shù)據(jù)，并參考地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取處理后地基垂直基床系數(shù)Kv=15 MPa/m，側(cè)向約束地層主要以①-1素填土、④-1-2淤泥層為主，根據(jù)勘察報(bào)告取水平基床系數(shù)Kh=5 MPa/m。

圖8 受力分析計(jì)算剖面圖Fig. 8 Structure profile for stress analysis

圖9 受力分析計(jì)算模型圖Fig. 9 Model of stress analysis

2.2 計(jì)算結(jié)果

（1）單樁豎向承載力

施工階段，僅澆筑結(jié)構(gòu)頂板，頂板保護(hù)覆土取0.5 m，施工期間地下水位降至地面2 m以下，施工荷載取20 kPa。使用階段，結(jié)構(gòu)整體已澆筑施工，頂板覆土取不利厚度3 m，計(jì)算地下水位取底板以下1 m（有利荷載），計(jì)算結(jié)果如圖10～11所示，圖中所示軸力為斷面每延米的計(jì)算值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，樁基最大豎向力標(biāo)準(zhǔn)值Nk=653×8.4=5 485.2 kN。

圖10 施工階段標(biāo)準(zhǔn)組合樁基軸力圖Fig. 10 Axial force of pile foundation in construction stage

圖11 使用階段標(biāo)準(zhǔn)組合樁基軸力圖Fig. 11 Axial force of pile foundation in use stage

（2）單樁抗拔承載力

使用階段，結(jié)構(gòu)整體已澆筑施工，頂板覆土取平均厚度2 m，計(jì)算抗浮水位取地面以下約0.5 m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)頂板連接，參與抗浮受力驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如圖12所示，最大抗拔力標(biāo)準(zhǔn)值Nak=228×8.4=1 915.2 kN。

圖12 使用階段標(biāo)準(zhǔn)組合樁基抗拔力圖Fig. 12 Uplift resistance of pile foundation in service stage

（3）復(fù)合地基承載力

使用階段，豎向承載力驗(yàn)算考慮樁-土-結(jié)構(gòu)共同作用，復(fù)合地基根據(jù)等效土彈簧剛度模擬。

扣除地層彈簧應(yīng)力集中段（如墻角處），底板跨中有計(jì)算不利軸力約 104 kN。折算地層應(yīng)力pk=104/1（計(jì)算長度）/0.5（單元寬度）=208 kPa。考慮深寬修正后的復(fù)合地基承載力特征值需滿足：fspk+1.0×10×(10-0.5)≥208 kPa，即要求fspk≥113 kPa。

2.3 疏樁基礎(chǔ)

本工程樁基礎(chǔ)采用疏樁設(shè)計(jì)理念，利用蓋挖逆作工法格構(gòu)柱下的樁基礎(chǔ)，采用一柱一樁設(shè)計(jì)。鉆孔樁樁徑 1.2 m，樁間距 8.4～11.5 m，樁長 28～33 m，基底持力層為全風(fēng)化、土狀強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖。

管自立等[11]提出了剛-柔性復(fù)合樁基設(shè)計(jì)思想主要是“長樁疏布、高強(qiáng)復(fù)合”。本工程樁疏樁間距大于7倍樁距，樁長28～33 m，樁底進(jìn)入全、強(qiáng)風(fēng)化巖（土狀），有效防止和減少樁間土的壓縮下沉對主體樁的下拉作用。采用雙重管旋噴樁、深層攪拌樁作復(fù)合體, 樁長 4～12 m，作承載力“高強(qiáng)復(fù)合”進(jìn)行補(bǔ)償。柔性短樁與剛性長樁形成兩個(gè)空間層面的應(yīng)力狀態(tài)，既充分發(fā)揮樁間土復(fù)合地基的承載力，又充分發(fā)揮剛性長樁承載力和控制沉降的功能。

3 樁基施工技術(shù)

3.1 樁端孔孔樁

根據(jù)勘察報(bào)告整個(gè)場地基底以下60 m深度范圍內(nèi)均為全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（土狀），且樁身穿越淤泥質(zhì)土層最大厚度可達(dá)10 m，常規(guī)成樁工藝難以滿足設(shè)計(jì)單樁豎向承載力要求。本工程采用樁底擴(kuò)孔設(shè)計(jì)，如圖13，設(shè)計(jì)樁身直徑1 200 mm、樁底擴(kuò)孔直徑1 800～2 000 mm，旋挖擴(kuò)孔鉆頭機(jī)械擴(kuò)孔施工，經(jīng)現(xiàn)場檢測成樁質(zhì)量及樁基承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。如某計(jì)算樁基豎向承載力要求不小于5 485 kN，根據(jù)建筑樁基技術(shù)規(guī)范，設(shè)計(jì)樁長31 m，當(dāng)采用1 200 mm等直徑灌注樁時(shí)，計(jì)算承載力僅3 139 kN，不滿足承載力要求；當(dāng)采用樁底擴(kuò)孔2 000 mm設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算承載力可達(dá)5 795 kN，承載力提高約84.6%，滿足承載力要求。

圖13 樁端擴(kuò)孔大樣圖Fig. 13 Detail drawing of pile tip reaming

3.2 塌孔及樁底沉渣控制

場地填海淤泥地層，樁身鉆孔易塌孔、縮徑，經(jīng)現(xiàn)場試樁建議采用全護(hù)筒跟進(jìn)，直至穿越淤泥層及回填塊石層。本工程樁基為摩擦型端承樁，設(shè)計(jì)要求樁底沉渣厚度控制值50 mm，為保證施工質(zhì)量，澆筑水下混凝土前應(yīng)嚴(yán)格檢查沉渣厚度，如沉渣厚度超出規(guī)范要求，則利用導(dǎo)管進(jìn)行二次清孔。同時(shí)為增強(qiáng)樁基差異沉降安全儲備，樁底預(yù)埋一根注漿管，預(yù)留樁端后注漿條件。根據(jù)現(xiàn)場施工過程中臨時(shí)立柱沉降監(jiān)測結(jié)果最大-12.2 mm及樁基承載力試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)值，本項(xiàng)目未實(shí)施樁端后注漿試驗(yàn)段。

3.3 一樁一柱調(diào)垂施工

王允恭[1]提出的精細(xì)嚴(yán)密的“一柱一樁”的調(diào)垂定位技術(shù)，使逆作法豎向支承系統(tǒng)構(gòu)造簡單施工便捷，在開挖施工結(jié)束后可全部作為永久結(jié)構(gòu)使用。

型鋼立柱后期現(xiàn)澆混凝土兼永久立柱，樁基施工過程中需采取專門的措施對型鋼立柱進(jìn)行定位和調(diào)垂。本工程采用校正架機(jī)械調(diào)垂法，施工時(shí)首先將校正架中心與樁位軸線校正一致，再用Ф20鋼膨脹螺栓將校正架底部固定在鋼筋混凝土地坪上，利用校正架上的校正螺栓來調(diào)整格構(gòu)柱的中心線和垂直度，如圖14。

圖14 型鋼立柱對中校正架圖Fig. 14 Alignment frame of steel column

3.4 監(jiān)測成果

內(nèi)湖停車場蓋挖逆作主體結(jié)構(gòu)已于2021年10月底全部施工完成，期間進(jìn)行了自動化監(jiān)測（見表2）。

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)總表Table 2 Summary of monitoring data

對疏樁的監(jiān)測分為兩個(gè)階段，當(dāng)?shù)装迨┕ね旰蟪两当O(jiān)測最大值為-12.2 mm，待頂板覆土水位回升后為10.9 mm（上?。１O(jiān)測結(jié)果表明，內(nèi)湖停車場（地下一層層高9 m）在深厚軟土地層（14.8 m淤泥地層）采用蓋挖逆作法能有效的控制基坑水平變形。

4 結(jié) 論

以深圳地鐵 13號線內(nèi)湖停車場項(xiàng)目為背景，對填海淤泥地層蓋挖逆作地下結(jié)構(gòu)樁基設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵問題提出以下建議與結(jié)論。

（1）針對深厚淤泥地區(qū)深大基坑可采用“蓋挖逆作+疏樁基礎(chǔ)+復(fù)合地基”綜合安全技術(shù)體系，蓋挖逆作工法確保了基坑的水平變形控制要求；疏樁基礎(chǔ)+復(fù)合地基既解決了淤泥施工過程承載力要求，以及蓋挖逆作工法的承載力要求，同時(shí)滿足地下停車場運(yùn)營期間的承載力和沉降變形要求。

（2）填海淤泥地層蓋挖逆作地下結(jié)構(gòu)樁基設(shè)計(jì)，建議采用樁-土-結(jié)構(gòu)共同受力模型，分析不同工況下的樁基受力，同時(shí)淤泥層地基處理需滿足施工過程中承載力和結(jié)構(gòu)沉降要求。

（3）復(fù)合地基設(shè)計(jì)首先需滿足承載力要求，包括施工期機(jī)械行走要求和使用期承載力要求。變形檢算時(shí)，應(yīng)使樁、土剛度相對協(xié)調(diào)，使樁、土應(yīng)力理想發(fā)揮，合理確定樁間土承載力值，從而優(yōu)化樁基設(shè)計(jì)及投資。

（4）填海淤泥地層樁基設(shè)計(jì)，應(yīng)采取措施提高樁基承載力。內(nèi)湖停車場工程實(shí)踐表明，當(dāng)樁端位于全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（土狀）地層，采用擴(kuò)孔灌注樁承載力提高約84.6%。同時(shí)針對現(xiàn)場沉渣控制難度大的特點(diǎn)，建議增設(shè)樁端后注漿措施增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全儲備，困難條件下樁基承載力可考慮20～30%的提高作用。

（5）地填海淤泥地層，樁身鉆孔易塌孔、縮徑、偏位，建議施工采用全護(hù)筒跟進(jìn)，直至穿越淤泥層及回填塊石層。對于型鋼立柱兼永久立柱的結(jié)構(gòu)做法，施工過程中可采用機(jī)械校正架來保證平面及垂直誤差。