復雜換乘地鐵車站基坑支護技術(shù)分析

陳 進

(深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳 518026)

0 引言

我國城市地鐵建設如火如荼，但美好的事物往往來之不易，地鐵尤其如此，主要原因是地鐵建造復雜、技術(shù)難度大。另外，地鐵建設的工程事故較多，其中以地鐵基坑支護的事故最多發(fā)，有時甚至是慘痛事故。這就表明了地鐵基坑支護技術(shù)難度較大。國內(nèi)較復雜的地鐵站之一——深圳地鐵老街站換乘綜合體是成功進行復雜地鐵站基坑支護的典型。

1 工程概況

深圳地鐵老街站換乘綜合體地鐵站，換乘綜合體長約100 m，寬約70 m，地下分為4層，最底層埋深25.5 m。地鐵線羅寶線(1號線)和龍崗線(3號線)在此相會、平行同臺換乘，它們上下行的兩條地鐵線在此同時變成上下重疊，南北相對排列。地下第四層，羅寶線為駛往羅湖火車站，龍崗線為駛往龍崗，順方向者可在本層實現(xiàn)換乘;地下第三層，羅寶線為駛往機場，龍崗線為駛往益田，順方向者可在本層實現(xiàn)換乘。不順方向者可在本樓的第三層和第四層之間就實現(xiàn)了換乘。這是所有地鐵換乘方式中最便捷的。節(jié)假日期間出入老街站的最大客流量近40萬人次，異常繁忙。老街站換乘綜合體設計功能取得了成功，在基坑支護施工技術(shù)方面同樣取得了成功。

老街站換乘綜合體的基坑支護復雜，基坑的平面形狀是不規(guī)則的四邊形，南邊長92 m，北邊長91 m，東邊長69 m，西邊長39 m;南北邊線的夾角為19.4°，東西邊線的夾角為8°。基坑周邊環(huán)境條件:南邊是正在運營的地鐵羅寶線，將開挖出露的是其地下連續(xù)墻;北邊是解放西路，其地下是當時待建的地鐵龍崗線老街站;東邊是永新商業(yè)城，是一座20世紀80年代末建成的地面8層、地下1層的混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑，基坑邊距其外墻的距離為4.5 m(地鐵一期工程施工時，已出現(xiàn)擾動變形);西邊是建設路，建設路外側(cè)是走向與其平行的廣深高架鐵路，建設路的路面下有一條寬2 m的雨水箱涵，走向也與建設路平行，廣深鐵路外側(cè)的不遠處是布吉河。具體情況見圖1。

2 基坑支護的設計過程和施工過程

2.1 支護方案選擇

基坑所處的地層主要為軟弱的深厚粉質(zhì)粘土，夾有粉砂，下臥片麻花崗巖，原布吉河從此處經(jīng)過，特區(qū)建設時將其改移;地下水埋深2.5 m。基坑開挖深度:27.5 m。基坑的特點歸納為:平面形狀不規(guī)則，緊鄰80年代末建筑物，既有地鐵羅寶線地鐵老街站必須加以保護，開挖深度大。支護方案比較選擇論證如下:

根據(jù)JGJ 120-2012建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程，安全等級為一級，可供選擇的支護結(jié)構(gòu)為支擋式結(jié)構(gòu)。支擋式結(jié)構(gòu)還可細分為:錨拉式、支撐式、懸臂式、雙排樁、支護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)結(jié)合的逆作法。若選錨拉式，正在運營的羅寶線地鐵老街站得不到保護，基坑開挖后，其南側(cè)的巨大主動土壓力將使地鐵站向基坑變形，甚至破壞，錨拉式受周邊建筑物及地下管線限制不可行。對于支撐式，因基坑平面不規(guī)則，且對撐點間距過大，不可行。對于懸臂式，因基坑開挖深度大、不能保護正在運營的羅寶線地鐵老街站，不可行。對于雙排樁，因東側(cè)永新商業(yè)城的凈距離限制，不能保護正在運營的羅寶線地鐵老街站，且基坑開挖深度超出其適用范圍，不可行。排除以上方案后，本工程選擇了支護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)結(jié)合的逆作法。接下來選擇支護結(jié)構(gòu)的擋土結(jié)構(gòu)，可供選擇的方式有兩種:排樁結(jié)構(gòu)和地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。

圖1 基坑支護與地面建筑及道路關(guān)系圖

排樁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是:造價低于地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，施工機械沒有地下連續(xù)墻復雜，易于組織施工;缺點是基坑止水效果不好，需在排樁背面配旋噴樁止水。地下連續(xù)墻在這些方面正好與排樁相反。考慮到節(jié)約工程投資，本工程采用的是排樁結(jié)構(gòu)。初步布置方式是:基坑西側(cè)和北側(cè)采用直徑1 m的混凝土樁，樁間距1.6 m;為保護永新商業(yè)城，東側(cè)采用直徑1.2 m的混凝土樁，間距2 m;所有樁與樁之間的空隙在基坑外側(cè)用直徑0.8 m的旋噴樁堵塞止水。采用鋼筋混凝土樁和不含鋼筋的素混凝土樁間隔布置，樁與樁之間有0.6 m或0.8 m的孔隙，稱為疏排布樁，進一步節(jié)省了投資。方案定案時，取消樁間空隙，樁與樁相切緊密布置，稱為密排布樁，同時旋噴樁直徑減小為0.6 m。

為了充分發(fā)揮支護樁的懸臂擋土能力，在支護樁和旋噴樁都施工完成后，將基坑土方挖至－1層，從－1層開始逆作施工，因此，稱為半逆作法施工。為確保永新商業(yè)城的安全，在基坑東側(cè)－1層處增設一排預應力錨索。逆作法可加快施工進度，完成主體結(jié)構(gòu)樁柱施工和－1層梁板施工后，向下施工地鐵換乘綜合體和向上施工66 m高的商務公寓可同時進行。

2.2 施工過程對支護方案的檢驗

先按施工圖施工支護樁，再施工三重管旋噴樁。旋噴樁的成樁效果不理想，跟隨的鉆孔抽芯結(jié)果是:淺層0 m～5 m水泥與土的混摻膠結(jié)情況好，中層5 m～10 m的膠結(jié)情況一般，深層10 m以下的膠結(jié)情況差、很差。隨深度增加旋噴成樁直徑減小，原因是深度增加地層應力增加，旋噴切割、攪動的難度增大，直徑與深度成反相關(guān)關(guān)系。

支護樁完成后，將坑內(nèi)土棄挖至－1層，下挖深度5 m，按設計圖紙要求在基坑東側(cè)施作一層預應力錨桿，單根錨桿鎖定力為450 kN。基坑開挖后支護樁的質(zhì)量情況是:支護樁墻面平整，墻面無滲水。基坑頂面位移情況:南面的羅寶線地下連續(xù)墻為零，北側(cè)中部的最大位移19 cm，東側(cè)為零，西側(cè)中部最大位移1.5 cm。坑內(nèi)僅少量積水，積水處位于基坑西端。基坑支護樁在－1層的質(zhì)量較好，有效地滿足了支護設計要求。

挖樁前實施了坑內(nèi)人工降水。根據(jù)JGJ 120-2012建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程來進行降水設計計算，管井數(shù)量n≈3.7，取n=4。在基坑內(nèi)布置4個管井降水。東西側(cè)各布設一口井，北側(cè)布置兩口井。

逆作法是先施工人工挖孔樁，澆筑－4層底板以下的樁基，從－4層安裝鋼管柱至－1層，在鋼管柱周邊焊接剪力鍵或鋼環(huán)梁用以支撐梁板，再澆筑－1層板梁，以－1層板梁支撐基坑周邊的支護樁和地鐵羅寶線老街站，下挖－2層。依次類推施作－3層和－4層。

基坑在人工挖孔樁施工階段基坑內(nèi)的地下水位降深最大，周邊的建筑、道路和地鐵羅寶線未受影響，東邊的永新商業(yè)城最大沉降為50 mm。整體狀況較好，僅出現(xiàn)一次險情。險情發(fā)生在西側(cè)中部緊貼支護排樁的第54號人工挖孔樁。當下挖至地面下約15 m時出現(xiàn)突涌，基坑外側(cè)建設路下流塑狀粉質(zhì)粘土在基坑外側(cè)與樁孔內(nèi)的壓力差作用下透過旋噴止水層和支護樁間的空隙涌向了樁孔，在建設路形成約4 m3的塌陷坑。原因為該處路面下有雨水箱涵，因其滲漏不斷向地下補充水量，使該處坑外地下水位不隨坑內(nèi)下降。另外，建設路車輛震動和緊鄰的廣深鐵路的高速動車震動的激發(fā)誘導突涌。險情出現(xiàn)后，在支護樁外側(cè)采取了袖閥管注漿增強原旋噴樁止水帷幕。

逆作－2層和－3層的施工很順利，因?qū)嵤┝嘶咏邓油临|(zhì)含水少，便于作業(yè)，逆作出土很快，用于逆作梁板的地模施工順利。在最深－4層施工過程中，基坑的支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了兩次險情。第一次是在－4層出土時，基坑西端上次出現(xiàn)突涌的第54號樁柱處又突發(fā)透過支護樁間空隙的粉質(zhì)土涌流，建設路又出現(xiàn)約3 m3的塌陷坑。涌流出的粉質(zhì)土攤在第54號樁柱周圍的－3層混凝土樓板上。同一位置發(fā)生兩次突涌，說明這樣一個事實:旋噴樁和袖閥管注漿對老街站粉質(zhì)土的處理效果甚微。事后用網(wǎng)噴法將該處的支護樁間空隙填實。第二次險情出現(xiàn)在－4層土方即將挖完，－4層的土方從西向東挖，剩余的東端土方有保護支護樁，進而保護基坑頂部永新商業(yè)城的作用。施工時，采用了跳槽開挖法。挖完第一槽后，檢查發(fā)現(xiàn)支護樁中的直徑1 200 mm素混凝土樁在中偏下部位出現(xiàn)了裂縫，最寬的裂縫有4 mm。險情發(fā)現(xiàn)后立即組織全部力量對裂縫樁進行鋼管斜支撐加固。為什么薄弱的素混凝土樁只開裂而未像前兩次險情發(fā)生突然垮塌。原因是該部位坑外地下水位跟隨坑內(nèi)地下水位同時降落，坑外的粉質(zhì)土因地下水降低由總應力狀態(tài)變成了有效應力狀態(tài)，強度增大很多，失去了流動性。在素混凝土受主動土壓力作用向基坑內(nèi)凸出變形開裂后，通過素樁后面土的水平拱效應將土壓力傳給了鋼筋混凝土樁，素樁后的土壓力不再增加。從這一角度看，此次險情未擴大為事故得益于旋噴樁止水效果不佳，這點與上兩次險情是相反的。同時說明了永新商業(yè)城的地下給排水管網(wǎng)未滲漏。坑外地下水位隨坑內(nèi)降水而下降的情況，從開挖完成的第一槽支護樁之間的縫隙的干濕狀況得到了證實，若坑外水位高，縫隙必然很濕或泌水，實際觀察的結(jié)果是縫隙是干的。

從地面到－4層施工結(jié)束，逆作基坑支護體系充分發(fā)揮了穩(wěn)固支撐、保護作用，地鐵羅寶線未產(chǎn)生位移、緊鄰的永新商業(yè)城得到了保護等，達到了設計要求。基坑支護剖面圖見圖2。

圖2 基坑支護剖面圖

3 結(jié)語

通過施工過程的實踐檢驗，復雜的老街地鐵站的基坑支護設計是成功的。總結(jié)經(jīng)驗和教訓，可作下列優(yōu)化:

1)支護樁不能間隔采用素混凝土樁，應全部采用鋼筋混凝土樁。前者的基坑支護結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0僅能達到0.9，后者才能達到1.1，JGJ 120-2012建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程要求為1.1。

2)旋噴樁和袖閥管注漿對本工程土質(zhì)條件的止水處理效果差，可改為深層攪拌。

3)排樁的成孔方法應改進，目前的鉆孔機和沖孔機的成孔垂直度不理想，能勉強達到JGJ 120-2012建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程要求0.5%。若偏差方向相反，在20 m深度處，就可能形成20 cm的間隙，此間隙足以引起基坑外粉質(zhì)土涌入坑內(nèi)。

［1］JGJ 120-2012，建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］陳忠漢，黃書秩，程麗萍.深基坑工程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003：3.