軟土地區(qū)地鐵車站深基坑工程施工控制技術(shù)研究

尹明遠(yuǎn)YIN Ming-yuan

（中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海 200070）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)整體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的一線城市加快了城市軌道交通工程的建設(shè)。寧波市為適應(yīng)新時(shí)期城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，先后編制三輪建設(shè)規(guī)劃，當(dāng)前第二輪建設(shè)正在推進(jìn)中。因軟土地質(zhì)的流變特性而導(dǎo)致的圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻施工質(zhì)量缺陷及基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量過(guò)大可能造成的基坑風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題迫切需要解決，設(shè)計(jì)方通常通過(guò)加大圍護(hù)結(jié)構(gòu)截面尺寸、嵌入深度、提高支撐剛度等方式來(lái)提高安全系數(shù)，施工方主要是依靠類似工程施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制。因此充分掌握軟土地區(qū)地鐵車站深基坑工程施工的控制技術(shù)來(lái)保證軟土地區(qū)深基坑施工安全，進(jìn)而指導(dǎo)后續(xù)工程施工顯得尤為重要。

1 工程背景

寧波地鐵6 號(hào)線春華路站車站主體為地下二層島式單柱雙跨（局部雙柱三跨）車站，基坑全長(zhǎng)203.6m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度19.70m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約18.21～18.551m；端頭井基坑寬度為24.4m，端頭井基坑深度19.978～20.407m。車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐形式，第一道為混凝土支撐，其余為鋼支撐。基坑地層從上到下依次為：①1a 雜填土、①2 黏土、①3T 泥炭質(zhì)土、①3a 淤泥、②1 黏土、②2b 淤泥質(zhì)粘土、④1b 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④1a 淤泥質(zhì)粘土、④2a 黏土、⑤4a 粉質(zhì)黏土、⑥4b 圓礫、⑦1粉質(zhì)黏土。

2 軟土地層的特性

眾所周知，軟土地層通常具有強(qiáng)度低、壓縮性高、含水率高、靈敏度高、流變性大等特性，而土的流變規(guī)律又包括蠕變性、流動(dòng)性、應(yīng)力松弛性、長(zhǎng)期強(qiáng)度特性等，土方開(kāi)挖后，原狀土土壓力平衡被打破，土體變形不會(huì)發(fā)生突變，在“時(shí)間”和“空間”上存在滯后性。因?yàn)檐浲恋牧髯兲匦燥@著，所以在地下連續(xù)墻施工成槽后槽壁暴露時(shí)間與土體位移之間存在關(guān)聯(lián)性，槽壁暴露的時(shí)間越長(zhǎng)，縮孔、塌孔越明顯，越容易造成卡籠或混凝土充盈系數(shù)小于1 的結(jié)果；在深基坑土方開(kāi)挖時(shí)，分步開(kāi)挖的支護(hù)開(kāi)挖部位土體、空間尺寸的暴露時(shí)間和土體的位移之間也有著一定的相關(guān)性，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移隨著土方開(kāi)挖時(shí)間的延長(zhǎng)而逐步擴(kuò)大，土方開(kāi)挖越深，圍護(hù)結(jié)構(gòu)暴露的范圍越大，意味著流變現(xiàn)象會(huì)越顯著，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形越明顯，意味著基坑安全風(fēng)險(xiǎn)也就越大。

3 軟土地區(qū)地下連續(xù)墻施工控制技術(shù)

軟土地區(qū)地鐵車站主體深基坑通常采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐體系作為支護(hù)體系，地下連續(xù)墻根據(jù)周邊環(huán)境的特點(diǎn)、基坑開(kāi)挖深度、地質(zhì)特點(diǎn)等不同因素采用不同的接頭形式，常用接頭形式為工字鋼接頭和鎖口管接頭，春華路站地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)采用的是鎖口管接頭?？紤]到軟土的流變性，如何保證成槽過(guò)程中及成槽完成后至混凝土澆筑前墻槽不縮孔、不塌孔，混凝土澆筑過(guò)程中不發(fā)生繞流，確保后續(xù)墻幅施工與已成墻縫間連接質(zhì)量是施工控制要點(diǎn)。

3.1 泥漿比重控制

成孔（槽）過(guò)程中泥漿相對(duì)于泥漿護(hù)壁成孔（槽）施工工藝來(lái)說(shuō)就是“血液”，不同配比的“血液”于不同地層的適用性決定了成孔（槽）的質(zhì)量，因此解決軟土地區(qū)地下連續(xù)墻成槽過(guò)程中的縮孔、塌孔的根本還在于泥漿配比。本車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工初期，對(duì)不同的循環(huán)泥漿比重下軟土地區(qū)地墻成槽槽壁情況，結(jié)合超聲波成像結(jié)果進(jìn)行了分析，同樣在成槽完成1h 內(nèi)對(duì)相鄰3 幅墻的10～20m 槽深位置進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比循環(huán)泥漿比重在1.08、1.10、1.12 三種情況發(fā)現(xiàn)：循環(huán)泥漿比重控制在1.12 時(shí)形成的泥皮護(hù)壁效果最好，塌孔情況幾乎沒(méi)有（不同比重下泥漿護(hù)壁效果詳見(jiàn)圖1-圖3），也就意味著成槽過(guò)程中適當(dāng)提高泥漿比重有利于軟土地區(qū)地下連續(xù)墻成槽后的護(hù)壁效果。

圖1 泥漿比重1.08 槽壁檢測(cè)

圖2 泥漿比重1.10 槽壁檢測(cè)

圖3 泥漿比重1.12 槽壁檢測(cè)

3.2 槽壁暴露時(shí)長(zhǎng)控制

除了增加泥漿護(hù)壁效果以外，縮短槽壁暴露時(shí)長(zhǎng)也是關(guān)鍵控制要點(diǎn)，在槽壁暴露的時(shí)長(zhǎng)包括四道必要工序時(shí)間及工序（清孔、鎖口管安裝、鋼筋籠吊裝、導(dǎo)管安裝）之間的間隔時(shí)間之和，因此縮短槽壁暴露時(shí)間可以從這兩個(gè)方面進(jìn)行控制。工序本身時(shí)間優(yōu)化可以通過(guò)提前預(yù)拼鎖口管、提前掛鋼筋籠卸扣等方式實(shí)現(xiàn)，工序之間間隔時(shí)間優(yōu)化，可以通過(guò)避免“槽等籠”的現(xiàn)象、協(xié)調(diào)好導(dǎo)管安裝與混凝土到場(chǎng)時(shí)間。通過(guò)對(duì)槽壁暴露時(shí)長(zhǎng)的控制，可有效的保證因軟土流變特性而造成的縮孔、塌孔現(xiàn)象，進(jìn)而保證地墻施工質(zhì)量。

3.3 防繞流填料控制

因?yàn)檐浲恋牧髯兲匦约暗蛷?qiáng)度性，地墻混凝土澆筑過(guò)程中需對(duì)繞流問(wèn)題進(jìn)行解決，了解地下連續(xù)墻接頭形式的人都知道，柔性接頭中鎖口管接頭相對(duì)于工字鋼接頭防繞流控制更為關(guān)鍵。為做好軟土地質(zhì)防繞流控制，針對(duì)鎖口管與超挖土面之間的空隙回填處理在增加鎖口管插入深度的同時(shí)采用建筑混凝土碎渣回填與常規(guī)的土袋回填進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)實(shí)際效果可知，鎖口管與其背部土層間間隙較小，采用土袋回填容易卡袋，采用建筑碎渣利用其自重大，顆粒小的特點(diǎn)可保證回填密實(shí)，對(duì)防繞流的控制效果更好，因此軟土地層鎖口管后側(cè)回填選擇顆粒小自重大的填料更可靠。

3.4 墻縫刷壁控制

相比工字鋼接頭形式，采用鎖口管接頭的墻縫滲水路徑更短，措施不到位很難解決墻縫滲漏水問(wèn)題。針對(duì)墻縫間可能存在夾渣造成后續(xù)墻縫滲漏水的情況，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中采用的刷壁設(shè)備尤為關(guān)鍵。通常情況下刷壁設(shè)備包括液壓抓斗刮刀（圖4）及重力式刷壁器，采用液壓抓斗刮刀進(jìn)行墻壁，其主要原理是：安裝的抓斗刮刀需緊貼已成型槽口內(nèi)，而抓斗的另一邊靠緊已經(jīng)放好的鎖口管，這樣液壓抓斗在刮除淤泥的過(guò)程中，可以防止抓斗向另一側(cè)偏移，確保刮除接頭淤泥的效果。而重力式刷壁器（圖5）利用了其本身的自重工作，相比前者缺少了一個(gè)水平定向的力，刷壁效果相比前者欠佳，因此軟土地區(qū)選擇液壓抓斗刮刀刷壁更有利于控制地墻接縫的施工質(zhì)量。

圖4 本工程液壓抓斗刮刀示意圖

圖5 重力式刷壁器刷壁示意圖

4 軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖施工控制要點(diǎn)

深基坑工程的主要技術(shù)難點(diǎn)在于對(duì)基坑周圍原狀土的保護(hù)，防止基坑變形及地表沉降，減少對(duì)既有建筑物的影響，而軟土地層的蠕變性、流動(dòng)性、應(yīng)力松弛性等特性加劇了對(duì)軟土地區(qū)深基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑變形控制的難度，因此軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖要充分利用軟土的“時(shí)空效應(yīng)”，基坑開(kāi)挖過(guò)程中的施工組織是“配方”，限時(shí)開(kāi)挖、限時(shí)架撐則是“火候”，掌握好“配方”及“火候”才能保證質(zhì)量。

4.1 限時(shí)開(kāi)挖控制

深基坑開(kāi)挖施工往往是圍繞一個(gè)“快”字來(lái)組織，正常地質(zhì)情況下客觀合理的規(guī)劃運(yùn)土路線盡可能解決工作面要求即可滿足，但因?yàn)檐浲恋貙拥牧髯兲匦悦黠@，所以軟土地層基坑開(kāi)挖想要“快”的前提是保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量控制到位，而相同的開(kāi)挖功效下，開(kāi)挖過(guò)程中基坑分層厚度及分段長(zhǎng)度，直接決定了基坑無(wú)支撐暴露時(shí)間和空間，因此土方分層分段要結(jié)合開(kāi)挖設(shè)備的功效及鋼支撐架設(shè)的功效，制定每日開(kāi)挖任務(wù)書，根據(jù)“保開(kāi)挖”、“保架撐”兩個(gè)時(shí)段側(cè)重點(diǎn)不同，動(dòng)態(tài)調(diào)整每個(gè)工作面開(kāi)挖量或增減支撐架設(shè)的人員、設(shè)備，做到每段開(kāi)挖中又分層、分小段，每開(kāi)挖一段長(zhǎng)度為6～8m，每段土方要求在12h 內(nèi)挖完，隨即在4h 內(nèi)安裝完成該段鋼支撐并施加預(yù)應(yīng)力，12h 后觀測(cè)預(yù)應(yīng)力損失及圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移，并復(fù)加預(yù)應(yīng)力，使得基坑達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。考慮到軟土地層流動(dòng)性表現(xiàn)明顯，開(kāi)挖過(guò)程中沿基坑橫斷面開(kāi)挖順序?yàn)橄戎虚g后兩側(cè)，以減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)暴露的時(shí)間；縱向開(kāi)挖總坡度不大于1:4，開(kāi)挖面放坡不大于1:1.5，以確保基坑邊坡穩(wěn)定性。通過(guò)基坑開(kāi)挖過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)生成測(cè)斜位移圖（圖6），表明：分層分塊限時(shí)開(kāi)挖能夠有效地調(diào)動(dòng)地層的空間效應(yīng)，以降低應(yīng)力水平、控制軟土地層流變位移，使基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量控制在合理范圍內(nèi)。

圖6 基坑開(kāi)挖測(cè)斜位移圖

4.2 限時(shí)架撐控制

為滿足限時(shí)架撐的要求，同時(shí)考慮到施工的靈活性，鋼支撐到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后立即預(yù)拼裝并驗(yàn)收，優(yōu)選履帶吊作為主要吊裝設(shè)備，始終保持鋼支撐架設(shè)等土方開(kāi)挖的狀態(tài)，做到隨開(kāi)挖隨架設(shè)，隨架設(shè)隨加力，縮短地層在無(wú)支撐狀態(tài)下的暴露時(shí)間，進(jìn)一步確保了軟土地區(qū)深基坑的安全性。結(jié)合車站基坑整體測(cè)斜數(shù)據(jù)的研究表明，減少每步開(kāi)挖到支撐完畢的時(shí)間，即無(wú)支撐暴露時(shí)間，可明顯控制地下連續(xù)墻的流變位移，在無(wú)支撐暴露時(shí)間小于16 小時(shí)效果尤其明顯，結(jié)合相鄰線路車站基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，長(zhǎng)時(shí)間暴露后墻體位移實(shí)測(cè)值往往超出計(jì)算式的2-6 倍，甚至已超出設(shè)計(jì)時(shí)的極限值，通常最大值出現(xiàn)在基底以下2.5～3m 的位置（圖7），意味著基坑隨時(shí)都有坍塌風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步表明每層土方開(kāi)挖后限時(shí)架撐的重要性。

圖7 軟土流變特征影響分析圖

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)軟土地區(qū)春華路站車站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻施工控制技術(shù)及基坑開(kāi)挖期間保證“限時(shí)開(kāi)挖、限時(shí)架撐”施工控制技術(shù)的研究，為軟土地區(qū)地鐵車站深基坑工程施工過(guò)程中如何充分利用軟土的“時(shí)空效應(yīng)”來(lái)控制軟土地層的流變特性起到了一定的指導(dǎo)作用，確保了軟土地區(qū)深基坑的穩(wěn)定性及安全性，可供類似工程項(xiàng)目參考。