填海淤泥地層蓋挖半逆作地鐵地下停車場支護體系設(shè)計

彭 帥，張 馳，文彥鑫

（中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都 610031）

1 前言

隨著我國城市化建設(shè)的快速發(fā)展，越來越多的地下工程在填海淤泥地層中建造。由于填海淤泥地層為軟弱地層，土層孔隙比大、含水量高、抗剪強度低、壓縮性高、靈敏度高，對基坑圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向約束能力弱，易導(dǎo)致基坑變形過大。同時，填海淤泥地層充填人工填塊石層，地層均勻性差、塊石粒徑大、透水性強、自穩(wěn)能力差，對基坑支護、樁基施工具有不利影響。如何在填海淤泥地層周邊環(huán)境變形控制嚴格的條件下，保證地下工程的順利實施，是需要解決的工程難點問題。

地鐵地下停車場施工方法主要有明挖法和蓋挖法2 種。明挖法施工是先開挖地面土體形成基坑，然后在基坑中修筑主體結(jié)構(gòu)的一種地下工程施工方法。明挖法施工工序簡單、技術(shù)成熟，在地鐵地下停車場中廣泛應(yīng)用。蓋挖法是在蓋板及支護體系保護下，進行土方開挖、結(jié)構(gòu)施工的一種地下工程施工方法，其中蓋挖半逆作法是指結(jié)構(gòu)頂板中的混凝土梁板兼作基坑水平支撐，完成圍護結(jié)構(gòu)及頂板后，分層開挖土方、架設(shè)支撐，從底板自下而上施工其余結(jié)構(gòu)的施工方法[1]。由于逆作頂板與圍護結(jié)構(gòu)連接成整體，水平剛度比常規(guī)的支撐體系大大提高，可有效控制支護結(jié)構(gòu)位移。同時逆作頂板可兼作施工場地使用，大大縮短施工工期。因此，蓋挖半逆作法更適用于變形控制要求嚴格、施工場地條件受限的環(huán)境條件。深圳地鐵13 號線內(nèi)湖停車場是全國第一個位于填海淤泥地層的全地下地鐵停車場，本文以內(nèi)湖停車場為例，探討填海淤泥地層蓋挖半逆作地下結(jié)構(gòu)水平支護體系設(shè)計的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，相關(guān)經(jīng)驗可為類似工程提供參考和借鑒。

2 工程概況

深圳地鐵13 號線內(nèi)湖停車場位于深圳灣總部基地，內(nèi)湖人才公園下方，為兼車輛段功能的全地下1～2 層地鐵地下停車場，結(jié)構(gòu)長725 m，寬149 m，深12～15 m，總建筑面積約10.0 萬m2，為亞洲最大的蓋挖地鐵地下停車場。地鐵停車場東側(cè)鄰近沙河西路，西側(cè)鄰近科苑大道及深圳灣一號城市綜合體，南側(cè)鄰近東濱路，北側(cè)鄰近人才公園（一期）及深圳灣內(nèi)湖，平面圖及實景圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 內(nèi)湖停車場平面圖（單位：m）

圖2 內(nèi)湖停車場實景圖

內(nèi)湖停車場場地原為海積平原地貌，后經(jīng)填海平整為陸地，地勢較為平坦?；娱_挖地層從上至下主要為素填土（可塑狀）、填碎石土、填塊石、填砂、淤泥（軟塑～流塑狀）。地基持力層主要為淤泥（軟塑～流塑狀）、粉質(zhì)黏土（可塑狀），土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 工程特點及難點分析

在填海淤泥地層中采用蓋挖半逆作法修建地鐵地下停車場可借鑒的經(jīng)驗少，工程特點及技術(shù)難點主要包括以下幾個方面。

（1）頂板兼作第一道支撐和永久頂板，保證填海淤泥地層開挖施工支護結(jié)構(gòu)安全和周邊環(huán)境安全的同時，還要為現(xiàn)場施工提供場地條件，滿足施工和使用階段的荷載要求，其設(shè)計需綜合考慮諸多影響因素。

（2）填海淤泥地層中充填大量回填塊石，圍護結(jié)構(gòu)和地基加固設(shè)計，需要考慮地下障礙物對施工的不利影響。

（3）蓋挖半逆作施工，僅頂板逆作兼作基坑第一道水平支撐，末逆作施工中板。在深厚淤泥地層段，如何增設(shè)第二道支撐，是水平支撐設(shè)計的一大難點。

（4）豎向支承臨時鋼立柱兼永久柱，臨時結(jié)構(gòu)與永久結(jié)構(gòu)如何可靠連接，在深厚軟弱地層中如何保證樁基礎(chǔ)承載力達到設(shè)計要求也是該工程一大難點。

4 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

4.1 總體方案

內(nèi)湖停車場主體結(jié)構(gòu)采用箱形框架結(jié)構(gòu)、蓋挖半逆作法施工。頂板及立柱逆作施工后，蓋挖至基坑底順筑施工側(cè)墻、底板、中板及內(nèi)部結(jié)構(gòu)?；訃o結(jié)構(gòu)采用咬合樁支護，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（格構(gòu)柱后澆混凝土），同時割除不需要的臨時鋼格構(gòu)柱。代表結(jié)構(gòu)橫剖面如圖3所示，地層-結(jié)構(gòu)有限元計算模型如圖4所示，主要施工步序如圖5所示。

圖3 代表結(jié)構(gòu)橫剖面圖（單位：m）

圖4 地層-結(jié)構(gòu)有限元計算模型

圖5 施工工序圖

4.2 支護體系設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 圍護結(jié)構(gòu)選型

地下連續(xù)墻施工振動小、墻體剛度大，防滲性能好，既可作為基坑的側(cè)向支護結(jié)構(gòu)，也可作為逆作樓板的豎向承載結(jié)構(gòu)。因此，蓋挖法施工的圍護結(jié)構(gòu)若在軟土地層中，可優(yōu)先采用地下連續(xù)墻[1]。但由于本工程位于淤泥填海區(qū)，軟弱淤泥層中存在大量填塊石，現(xiàn)場開挖地層如圖6、圖7所示。填塊石層埋深約0.0～19.0 m，揭露厚度0.6～15.3 m，塊石粒徑多為20～40 cm，最大粒徑超過1.5 m。采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機成孔的同時具有良好的清障效果，適用于硬質(zhì)地下障礙物密集的復(fù)雜地質(zhì)條件[2]。因此，本工程圍護結(jié)構(gòu)推薦采用咬合式排樁支護、硬切割施工工藝，即在Ⅰ序樁混凝土初凝后進行Ⅱ序樁成孔作業(yè)，如圖8所示。

圖6 現(xiàn)場開挖淤泥地層

圖7 現(xiàn)場開挖填塊石地層

圖8 咬合式排樁布置（單位：mm）

4.2.2 基坑加固措施

基坑開挖地層主要為淤泥，且基坑底部以下淤泥不利厚度可達9.5 m。當(dāng)基底嵌固段淤泥不采取加固措施時，根據(jù)有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果，計算地面最大沉降位移為44 mm，基坑內(nèi)最大隆起位移為32 mm，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為35 mm、最大彎矩為2 275 kN·m，不滿足SJG 05-2011《深圳市基坑支護技術(shù)規(guī)范》中的變形控制要求[4]。

本工程采用雙重管高壓旋噴樁、三軸攪拌樁加固基坑嵌固段范圍內(nèi)淤泥，以提高土體的抗剪強度和側(cè)向抗力。基坑內(nèi)土體加固布置，如圖9所示。含填塊石土?xí)r，在地質(zhì)鉆引孔后，采用雙重管高壓旋噴樁加固；無填塊石土?xí)r，采用三軸攪拌樁加固。

圖9 基坑加固布置圖（單位：mm）

根據(jù)現(xiàn)場施工測試，采用三軸攪拌樁加固時，水泥摻量不小于150 kg/m；高壓旋噴樁加固時，水泥摻量不小于210 kg/m，可滿足水泥土加固體28 天無側(cè)限抗壓強度不小于0.8 MPa 的設(shè)計要求?；浊豆潭斡倌嗉庸毯螅Y(jié)合地區(qū)經(jīng)驗，水泥土加固體強度取原始土體強度的4倍進行計算。根據(jù)有限元計算結(jié)果，地面最大沉降位移為16 mm，基坑內(nèi)最大隆起位移為9 mm，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為12 mm、樁身最大彎矩為1 428 kN·m，可滿足SJG 05-2011《深圳市基坑支護技術(shù)規(guī)范》中的變形控制要求[4]。

4.2.3 水平支撐設(shè)計

（1）頂板逆作。頂板逆作兼圍護水平支撐結(jié)構(gòu)，頂板、頂梁應(yīng)同時滿足施工期間圍護結(jié)構(gòu)受力和使用期間主體結(jié)構(gòu)受力要求。對于后期需要割除的臨時立柱，應(yīng)單獨設(shè)置系梁以滿足施工期間受力。

（2）模板體系。為減少淤泥地層沉降變形的不利影響，本工程采用開挖土層2.5 m、建渣夯實加固地基后，架設(shè)鋼管支架澆筑頂板。

（3）斜撐設(shè)計。當(dāng)開挖地層位于不利淤泥地段（淤泥厚度達15 m 時），需要增設(shè)第二道支撐。為方便施工，可將側(cè)墻逆作至第二道支撐下方，并將鋼斜撐與頂梁連接，以結(jié)構(gòu)頂板自重和覆土壓重來平衡支撐軸力，具體如圖10、圖11所示。

圖10 水平斜撐設(shè)計圖（單位：mm）

圖11 現(xiàn)場水平斜撐圖

通過數(shù)值模擬計算，不利淤泥段增設(shè)鋼斜撐后，支護結(jié)構(gòu)最大變形可由28 mm 減小為22 mm。

4.2.4 豎向支承設(shè)計

（1）邊支座約束。內(nèi)湖停車場圍護結(jié)構(gòu)為臨時圍護結(jié)構(gòu)，同時兼作逆作頂板的豎向邊支座。

（2）中支座約束。施工期間頂板中間支座采用臨時鋼格構(gòu)柱，后期兼作型鋼混凝土永久柱，鋼格構(gòu)柱采用一柱一樁形式。

由于該工程地質(zhì)鉆孔揭露60 m 深度范圍末見中風(fēng)化巖層，設(shè)計樁端持力層為全～強風(fēng)化花崗巖（土狀），為提高樁基豎向承載力，采用擴底樁設(shè)計，且預(yù)留樁底后注漿條件，當(dāng)施工過程中監(jiān)測立柱沉降超過20 mm時，啟動樁端后注漿加固措施。中間立柱節(jié)點做法如圖12所示。

圖12 臨時立柱與頂板連接大樣圖（單位：mm）

5 支護體系實施效果

（1）環(huán)境保護指標(biāo)。根據(jù)監(jiān)測報告，實際施工過程中基坑邊最大地表沉降為19.8 mm，圍護結(jié)構(gòu)最大水平變形為15.6 mm，鋼格構(gòu)柱最大沉降12.21 mm，頂板最大上浮3.0 mm，周邊建筑最大沉降10.5 mm，周邊管線最大沉降12.3 mm，均滿足SJG 05-2011《深圳市基坑支護技術(shù)規(guī)范》中的變形控制要求[4]。

（2）進度經(jīng)濟指標(biāo)。內(nèi)湖停車場總建筑面積約10 萬m2，從2019年9月樁基施工，至2021年6月主體結(jié)構(gòu)竣工，總工期僅21 個月。逆作頂板為現(xiàn)場施工提供了寬闊的場地條件，與同條件的明挖順作法工程對比，節(jié)約工期約6 個月。頂板逆作施工，無需設(shè)置后期拆除的混凝土支撐，方便施工的同時，也實現(xiàn)了節(jié)能減排，與同條件的明挖順作法工程對比，節(jié)約工程造價約1 293 萬元。

（3）社會效益指標(biāo)。由于頂板逆作，支護結(jié)構(gòu)采用樓板代替水平支撐，施工的安全度大大增加。此外，地下開挖在頂板的保護下實施，施工形象好、施工噪聲小，實現(xiàn)了安全文明施工。

6 結(jié)論

本文以內(nèi)湖停車場為例，探討填海淤泥地層蓋挖半逆作地下結(jié)構(gòu)水平支護體系設(shè)計的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，總結(jié)主要工程設(shè)計經(jīng)驗如下。

（1）當(dāng)填海淤泥地層基坑支護深度小于15 m、支撐數(shù)量不大于2 道時，采用蓋挖半逆作法設(shè)計既可解決基坑變形引發(fā)的環(huán)境保護問題，又可減少工期和工程造價。

（2）蓋挖半逆作地下工程位于填海淤泥地層，應(yīng)考慮人工填碎石、填塊石層對鉆孔的不利影響，合理選擇圍護結(jié)構(gòu)形式和基坑內(nèi)土體加固措施。

（3）蓋挖半逆作地下工程位于填海淤泥地層，建議開挖土層并加固地基后，架設(shè)鋼管支架澆筑頂板，避免土模澆筑頂板導(dǎo)致施工沉降。支護結(jié)構(gòu)可根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，決定是否增設(shè)第二道鋼斜撐設(shè)計，提高水平支護承載力。

（4）蓋挖半逆作地下工程位于填海淤泥地層，臨時立柱樁端持力層未遇巖層時，可在全～強風(fēng)化花崗巖（土狀）地層采用擴底樁設(shè)計并采用預(yù)埋樁端后注漿措施，提高樁基承載力、控制立柱沉降。