淤泥質(zhì)土層明挖地鐵車站深基坑施工技術(shù)

馬洪超

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，西安 710021)

1 工程概況

1.1 車站概況

杭州地鐵機(jī)場(chǎng)快線西溪濕站為X形換乘車站，采用分坑施工法，基坑劃分為5個(gè)獨(dú)立區(qū)域A、B、C、D、E。其中，A、B區(qū)組成機(jī)場(chǎng)快線車站，為地下2層14 m島式車站，結(jié)構(gòu)長272 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.1 m，基坑開挖深度約17.65~19.4 m，采用1 m厚地連墻+2道混凝土支撐+3道鋼支撐的支護(hù)體系；由A、C、D、E區(qū)組成14號(hào)線車站，為地下3層8 m側(cè)式車站，結(jié)構(gòu)長511.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬26.6 m，基坑開挖深度約25.95~29.7 m，采用1 m（局部1.2m）厚地連墻+3道混凝土支撐+4道鋼支撐的支護(hù)體系。

1.2 工程地質(zhì)

1）基坑開挖范圍土層主要為：①1雜填土、④1淤泥質(zhì)黏土、④2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥1淤泥質(zhì)黏土；其中，2層車站基底位于④2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，3層車站基底位于⑥1淤泥質(zhì)黏土。

2）特殊巖土：主要有雜填土、軟土。（1）雜填土：主要為①1層雜填土、①2層素填土，厚度一般為0.6~7.3 m，未完成自重固結(jié)，地連墻成槽施工過程中易造成槽壁坍塌、基坑開挖施工過程中易造成地面沉降過大等。（2）軟土：主要為④層、⑥層淤泥質(zhì)土，具有高含水量（天然含水量大于液限）、高孔隙比（天然孔隙比大于1.0）、高靈敏度、高壓縮性、低承載力等特性，其工程力學(xué)性質(zhì)差，易造成基坑開挖施工過程中地連墻變形大、基坑邊坡坍塌、地面沉降大、支撐體系失穩(wěn)等。

1.3 水文條件

孔隙潛水主要賦存于淺部填土、黏土和淤泥質(zhì)土層中，表部填土富水性、透水性較好，與地表水聯(lián)系密切，地下水位埋深為0.50~3.50 m。

孔隙承壓水主要存在于⑨3、121、141、143、144層砂土、砂礫土，深度位于地下約32.5 m，水位高程約為地面以下4.65 m。

2 重難點(diǎn)問題及原因分析

2.1 地連墻槽壁坍塌

1）重難點(diǎn)問題：地墻成槽時(shí)導(dǎo)墻下10 m范圍出現(xiàn)塌孔，成槽及成墻質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起地面塌陷。

2）原因分析：地面下10 m范圍存在不等厚的雜填土，該土層未完成自重固結(jié)，成槽時(shí)受到擾動(dòng)，即使在泥漿護(hù)壁的情況下，也無法保持土體穩(wěn)定性，出現(xiàn)塌孔，甚至地面下陷。

2.2 混凝土支撐澆筑質(zhì)量控制

1）重難點(diǎn)問題：混凝土支撐底模不穩(wěn)定，出現(xiàn)大量漏漿、跑模現(xiàn)象，混凝土澆筑完成后，支撐線型軸線偏過大，強(qiáng)度前期上升速度較慢，混凝土支撐受力不佳，導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及地表沉降過大。

2）原因分析：淤泥質(zhì)土層呈流塑狀，無自穩(wěn)能力，造成承載力嚴(yán)重不足，以致不能承受混凝土自身重力，出現(xiàn)底模坍塌變形。商品混凝土自身配比原因，雖28 d強(qiáng)度能夠達(dá)標(biāo)，但存在前期強(qiáng)度上升較慢的情況。

2.3 基坑降排水

1）重難點(diǎn)問題：坑內(nèi)降水井水位已降至設(shè)計(jì)水位，但坑內(nèi)土體仍含水量較大，土方開挖過程中土體中水分逐漸流出，導(dǎo)致開挖面積水，破壞土體穩(wěn)定及地基承載力，嚴(yán)重影響土方開挖效率和基坑自身安全。

2）原因分析：基坑內(nèi)土方除表層為雜填土外，基本全部是淤泥質(zhì)土，該土層具有高含水率、高壓縮性、高靈敏度、低滲透系數(shù)等特性，管井降水只能疏干表層滯水，土體自身含水量基本無法疏干，降水效果不佳。

2.4 基坑開挖變形沉降控制

1）重難點(diǎn)問題：基坑開挖施工過程中，地連墻墻體變形、地表沉降、土體深層位移、支撐軸力、臨時(shí)格構(gòu)柱豎向位移等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目變量超標(biāo)，出現(xiàn)基坑安全隱患。

2）原因分析：基坑開挖與支護(hù)是相輔相成的，由于開挖范圍內(nèi)基本全部是淤泥質(zhì)土層，自身低強(qiáng)度、高靈敏度、遇水即化，再加土方開挖速度與支撐架設(shè)及時(shí)性不協(xié)調(diào)，支撐架設(shè)滯后及軟土基坑自身靈敏性是導(dǎo)致基坑變形的最主要原因。

2.5 基坑土方開挖基底及邊坡穩(wěn)定性控制

1）重難點(diǎn)問題：土方開挖時(shí)，土體放坡坡面出現(xiàn)開裂、滑移、坍塌，基底土體出現(xiàn)失穩(wěn)和承載力不足等問題。

2）原因分析：淤泥質(zhì)土層土體穩(wěn)定性差，放坡坡度過大，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)；土體自身含水量大，降排水效果不佳，出現(xiàn)積水，土體被浸泡，加之機(jī)械擾動(dòng)，導(dǎo)致基底土體承載力不足。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 地連墻成槽及槽壁加固

西溪濕地站位于原魚塘范圍，不僅土層為淤泥質(zhì)地層，還具有0.6~7.3 m厚的雜填土，雜填土及淺層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層地連墻成槽易塌孔，故西溪濕地站地連墻先采取槽壁加固再進(jìn)行成槽，以保證地連墻成槽和成墻質(zhì)量。

地連墻槽壁采用三軸攪拌樁工藝進(jìn)行加固，三軸攪拌樁采取兩攪一噴的方式進(jìn)行施工，樁徑850 mm，加固深度為地下15 m范圍；隨著槽段加深，泥漿壓力的余量提高槽壁穩(wěn)定的作用逐漸增加，超過地下15 m范圍可通過適當(dāng)提高泥漿比重來保持槽壁穩(wěn)定。三軸攪拌樁槽壁加固施工參數(shù)如下：下沉速度0.8 m/min，提升速度1.8 m/min，攪拌轉(zhuǎn)速16 r/min，噴漿壓力1.0 MPa，漿液流量280~320 L/min（雙泵），水灰比1.2，水泥摻量15%，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1 MPa。

淤泥質(zhì)土層屬于軟土，地連墻成槽采用泥漿護(hù)壁，成槽機(jī)抓槽即可，適當(dāng)提高泥漿比重，利于槽孔穩(wěn)定。同時(shí)，應(yīng)避免采用旋挖鉆或沖擊錘成孔、方錘修孔等方法，以減少對(duì)槽壁的擾動(dòng)的次數(shù)，控制槽壁穩(wěn)定。

淤泥質(zhì)土層地連墻成槽要合理劃分槽段，不宜過大，首開幅選擇一字幅槽段，采用三抓成槽，中間一抓按0.3~0.7倍抓斗單元長度控制，槽寬控制在5~6 m最為合適；轉(zhuǎn)角幅單獨(dú)進(jìn)行劃分，以避免槽段寬度過大，盡量避免出現(xiàn)“Z”形幅，角槽兩邊不等長時(shí)，應(yīng)先施工短邊再施工長邊，避免第一抓時(shí)槽壁偏斜、塌孔；閉合幅需避開轉(zhuǎn)角等不規(guī)則部位，采用合適的槽壁寬度，應(yīng)充分考慮到工字鋼接頭兩邊各自翼緣板的影響。

3.2 坑內(nèi)及基底土體加固

淤泥質(zhì)土層自身具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低承載力、低強(qiáng)度、遇水即化等特性，導(dǎo)致出現(xiàn)混凝土支撐底模漏漿變形、土方開挖邊坡失穩(wěn)、基底承載力不足、基坑變形敏感等一系列問題，故可對(duì)基坑內(nèi)需開挖土方進(jìn)行弱加固。

加固形式采取裙邊加抽條，平面布置沿地連墻內(nèi)邊四周加固3~4 m寬，垂直于基坑長邊間隔4 m抽條加固4 m，平面加固位置與混凝土支撐位置中心線重合，豎向加固位置為每道混凝土支撐下及基底下3 m范圍，這樣即可保證加固后基坑土體的穩(wěn)定性，又可保證混凝土支撐底模的牢固性。加固工藝可選擇三軸攪拌樁和雙重管高壓旋噴樁進(jìn)行施工，無地下障礙物的情況下盡量選擇三軸攪拌樁進(jìn)行加固，效果較好；有地下障礙物時(shí)選擇高壓旋噴樁進(jìn)行加固，更易于樁位的布置。相比較而言，三軸加固效果更佳。

坑內(nèi)土體弱加固28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.3 MPa即可，水泥摻量過大，加固土體過硬將影響后續(xù)土方開挖效率且無意義，而水泥摻量過少，加固起不到作用，故需嚴(yán)格控制施工參數(shù)。三軸攪拌樁弱加固施工參數(shù)如下：下沉速度1 m/min，提升速度2 m/min，攪拌轉(zhuǎn)速16 r/min，噴漿壓力1.0 MPa，漿液流量280 L/min（雙泵），水灰比1.5，水泥摻量8%。雙重管高壓旋噴樁施工參數(shù)如下：提升速度0.40 m/min，壓縮空氣壓力0.7 MPa，攪拌轉(zhuǎn)速14 r/min，噴漿壓力20 MPa，噴漿量32 L/min，水灰比1.2，水泥摻入量8%。

3.3 基坑降排水

淤泥質(zhì)土層低滲透系數(shù)的特性是降排水最大的不利因素，土體中含有的水分不易流出到管井中，開挖時(shí)土體中水分會(huì)慢慢流到開挖面最低處，降水效果極差，故基坑降排水采用管井降水加明排的方式，管井降水分為降壓井和疏干井，明排采用挖設(shè)排水溝和集水坑，由水泵抽排至地面。

地連墻理論上隔斷了承壓含水層，但實(shí)際可能存在滲漏，為規(guī)避基底突涌風(fēng)險(xiǎn)，故設(shè)置降壓井。結(jié)合站位實(shí)際水位、需降水深度等參數(shù)，根據(jù)抗突涌穩(wěn)定性計(jì)算，基坑降壓井按照每1 000 m2設(shè)置1口，反循環(huán)鉆機(jī)成井，井深42 m，直徑800 mm，采用直徑325 mm橋式濾管，濾管外包60目鐵絲網(wǎng)。

疏干井按照每400 m2設(shè)置1口，反循環(huán)鉆機(jī)成井，井深至基底以下4 m，直徑800 mm，采用直徑273 mm圓孔式濾管，濾管外包60目鐵絲網(wǎng)。

考慮淤泥質(zhì)土層低滲透系數(shù)的特性，明排水是重中之重，除做好管井降水、疏干等工作外，必需設(shè)置排水明溝和集水坑，將坑內(nèi)明水集中處理，方可達(dá)到預(yù)期降排水效果。

3.4 土方開挖及支撐架設(shè)

3.4.1 混凝土支撐施工

在混凝土支撐施工過程中，尤其要注意幾個(gè)問題：（1）混凝土支撐按照每2根作為一個(gè)施工單元最優(yōu)，施工速度越快越好，盡量縮短基坑變形的真空期，支撐達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后再進(jìn)行下步工序。（2）混凝土支撐施工時(shí)，特別注意支撐底部混凝土墊層的穩(wěn)定性，若出現(xiàn)土體加固效果不佳，及時(shí)攪拌石灰硬化土體，墊層混凝土采用C20混凝土，厚度20 cm。同時(shí)，混凝土支撐軸線及線形非常重要，混凝土澆筑前，需嚴(yán)格檢查支撐軸線位置及模板垂直度等指標(biāo)，方可保證混凝土支撐受力效果。（3）混凝土支撐前期強(qiáng)度至關(guān)重要，由于基坑開挖的特殊性，應(yīng)縮短基坑開挖的時(shí)間，盡快封底是保證基坑穩(wěn)定的最好辦法，混凝土支撐一般不可能等到28 d齡期再進(jìn)行下步工序，一定要保持混凝土前期強(qiáng)度上升足夠快，故必需采用早強(qiáng)配比混凝土，必要時(shí)可提高混凝土標(biāo)號(hào)。

3.4.2 鋼支撐施工

鋼支撐施工需注意以下幾個(gè)方面：（1）為保證鋼支撐架設(shè)的及時(shí)性及受力效果，鋼支撐與地連墻連接處一定要在地連墻內(nèi)埋設(shè)3 cm厚鋼板，不建議使用鋼圍檁。（2）組裝鋼支撐規(guī)劃需謹(jǐn)慎，鋼支撐接頭不宜多于4個(gè)，減少接頭，能夠更好地保證鋼支撐的受力效果。（3）淤泥質(zhì)土層基坑鋼支撐預(yù)加軸力需更大，通過實(shí)踐證明，一般軸力加設(shè)至1.4倍設(shè)計(jì)軸力效果最佳。

3.4.3 土方開挖施工

針對(duì)淤泥質(zhì)土層的地質(zhì)特點(diǎn)，基坑開挖應(yīng)充分考慮時(shí)空效應(yīng)，開挖應(yīng)采取分小段、分矮層、減少層與層之間的交叉作業(yè)、拉長每層土開挖的平面距離、縮短每段土方的開挖時(shí)間等。

基坑土方開挖設(shè)備選擇長臂挖機(jī)和抓斗機(jī)，坑內(nèi)設(shè)置小挖機(jī)進(jìn)行喂土，以減少擾動(dòng)，不能采用挖機(jī)逐個(gè)臺(tái)階傳送的方式進(jìn)行開挖。挖運(yùn)設(shè)備每天出土量至少保證800~1 000 m3。

車站土方開挖根據(jù)支撐布置形式，約每20 m劃分為一段，每開挖6~8 m后，及時(shí)架設(shè)支撐，鋼支撐確保12 h內(nèi)完成架設(shè)，混凝土支撐確保2 d內(nèi)完成施工；豎向共分為7層，每層厚度3.5~4 m，混凝土支撐層開挖至支撐底標(biāo)高下20 cm，鋼支撐層開挖至支撐以下50 cm；邊坡放坡坡度設(shè)置為1∶3；在開挖至基底標(biāo)高以上300 mm處，采用小挖機(jī)配合人工開挖，以盡量減少對(duì)基底土的擾動(dòng)。

土方開挖過程中，西溪濕地站深基坑出現(xiàn)個(gè)別混凝土支撐軸力達(dá)到15 000 kN、地連墻墻體變形達(dá)到55 mm、地表沉降達(dá)到45 mm，通過在混凝土支撐上增設(shè)鋼支撐、增大混凝土支撐截面面積、加密架設(shè)鋼支撐、加密監(jiān)測(cè)等措施，及時(shí)控制住了支撐軸力的增加、地墻墻體變形及地表沉降。

4 結(jié)語

杭州地鐵機(jī)場(chǎng)快線西溪濕地站深基坑施工中，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻槽壁加固、坑內(nèi)土體加固、降排水方案優(yōu)化、土方開挖方法及設(shè)備選擇和支撐架設(shè)合理規(guī)劃等措施，有效減少了淤泥質(zhì)土層地鐵車站基坑變形，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。后續(xù)在淤泥質(zhì)土層地鐵車站深基坑施工中，鋼支撐可采用伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)在控制基坑變形方面更加有效。