粉砂質(zhì)地層中的深淺基坑同步施工技術(shù)

中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司 北京 101100

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

新建鄭州至新鄭機場城際鐵路地下段站前工程ZJZQ-Ⅳ標(biāo)位于具有典型黃河沖洪積平原含粉砂質(zhì)地層特征的河南省鄭州市航空港區(qū)，設(shè)計總長為5 216.10 m。屬于明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)，基坑深度13.50～29.90 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 200 mm@1 400 mm的鉆孔灌注樁加φ600 mm@1 400 mm的旋噴止水樁，主體結(jié)構(gòu)為地下1層，分為四線三跨，采用單洞四線、單洞雙線的結(jié)構(gòu)形式。

工程起始段與新鄭機場二期擴建工程的T2航站樓、捷運系統(tǒng)工程及行李隧道工程處于同一基坑內(nèi)且采取同步交叉施工，交叉部分基坑總長920 m，寬120 m，A段與B段上部為機場T2航站樓。C段、D段與行李隧道緊鄰，凈距為0.80～1.50 m，行李隧道與捷運系統(tǒng)工程相鄰，凈距為8.10～8.30 m（圖1）。

圖1 工程總平面示意

新鄭機場二期擴建工程行李隧道工程長701 m，基坑深11.30 m，暗埋段長560 m，敞開段長141 m，行李隧道結(jié)構(gòu)伸入T2航站樓內(nèi)38.40 m。

新鄭機場二期擴建工程捷運系統(tǒng)工程包括1座車站及1段區(qū)間，基坑深8.60～12.20 m，車站長131.60 m，結(jié)構(gòu)寬37.80 m，區(qū)間長517.40 m，結(jié)構(gòu)外包寬22.30 m。

1.2 工程地質(zhì)水文概況

本工程為第四系全新統(tǒng)（Q4）、第四系上更新統(tǒng)沖積層（Q3）、第四系中更新統(tǒng)沖洪積層（Q2）地層，主要為粉土地層、粉砂地層、細(xì)砂地層；本場地地下水類型屬于第四系松散巖類孔隙水，主要含水層在粉砂、細(xì)砂和粉土層中，具體地下水位埋深為3～6 m。

2 超大型基坑支護(hù)方案

1）整個大基坑邊坡采用二級放坡形式，護(hù)坡采用二級放坡加土釘墻，護(hù)坡面層擴展至坡頂和坡腳一定距離，坡頂與施工道路相連，坡腳與基坑內(nèi)道路相連。坡面采用厚80 mm的C20早強噴射混凝土，內(nèi)配φ6 mm@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)[1-2]。

2）城鐵隧道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁加鋼支撐（混凝土支撐）的形式，排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm的鉆孔灌注樁，間距1 400 mm，樁外側(cè)采用φ800 mm@600 mm三重管高壓旋噴加固。樁間網(wǎng)噴混凝土采用厚100 mm的C20早強噴射混凝土，內(nèi)配φ8 mm@150 mm×150 mm鋼筋焊接網(wǎng)。

3）捷運通道和行李隧道均采用明挖順作法施工，排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ800 mm的鉆孔灌注樁，間距1 000 mm，基坑標(biāo)準(zhǔn)段樁長16.70 m，混凝土強度等級為水下C35。捷運車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)2道鋼支撐，車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂圈梁設(shè)計為800 mm×1 200 mm。車站所處地層地下水位較高，樁間采用φ600 mm@1 000 mm三重管旋噴樁止水，樁間網(wǎng)噴混凝土采用厚100 mm的C20早強噴射混凝土，內(nèi)配φ6 mm@150 mm×150 mm鋼筋焊接網(wǎng)。

3 基坑降水布置

3.1 降水布置原則

采取大基坑降水與城鐵基坑內(nèi)降水相結(jié)合的方式，根據(jù)不同深度深基坑降水要求，確定了分區(qū)、分時的多級降水布置方案，在按需降水的原則下，確保土方工程順利施工，有效控制降水引起的變形。

3.2 降水方案確定

1）大基坑降水。基坑降水以管井井點降水為主、排水溝明排為輔。在整個大基坑兩側(cè)坡腳部位各設(shè)置1排，單排井間距25 m，深度為28～31 m。

2）城鐵隧道基坑降水。基坑降水以管井降水為主、排水溝明排為輔，井間距約12 m，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的斷面寬度，在開挖斷面上分別施作1孔、2孔、3孔降水井，在開挖基坑的兩側(cè)設(shè)排水明溝，每隔20 m左右設(shè)1口集水井，再用水泵抽入地表污水處理設(shè)施。

4 施工總體部署與流程

4.1 施工部署

針對坑中坑、坑連坑工程特有的難點與特點，結(jié)合周邊復(fù)雜的限制條件及緊迫的工期，確定了以下總體施工部署[3-4]。

1）將整個大基坑分區(qū)、分段實施：城際隧道分成A、B、C、D4個區(qū)段進(jìn)行施工，捷運車站及通道分成車站與兩部分通道共3個區(qū)段進(jìn)行施工，行李隧道同樣分成3個區(qū)段進(jìn)行施工。

2）鉆孔灌注樁及基坑加固施工部署：城際隧道圍護(hù)樁和捷運車站圍護(hù)樁同步施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完畢后開始基坑加固及基底加固施工。

3）降水部署：在第1層土方開挖及放坡支護(hù)完成后開始大基坑兩側(cè)降水井施工，然后根據(jù)開挖進(jìn)度施作城鐵隧道降水井。

4）土方開挖部署：土方開挖分區(qū)分段，有利于迅速建立支撐，減小基坑變形。第1階段土方開挖是本工程土方開挖的重點，可以施作護(hù)坡、排水溝及降水井；緊接第2階段開挖城鐵隧道土方，迅速建立第1道支撐，土方開挖遵循先撐后挖、分段實施的原則，并與結(jié)構(gòu)施工合理穿插，以有效控制基坑變形，同時捷運車站土方開挖也開始進(jìn)行。

4.2 施工總流程

1）在平面上，城際隧道A、B、C、D4個區(qū)段同時施工，捷運車站及通道3個區(qū)段同時施工，行李隧道3個區(qū)段也同時施工。

2）在垂直方向上，總體施工流程為先深后淺，T2航站樓地下室在A區(qū)結(jié)構(gòu)施工完畢后開始施工，捷運車站及通道與城鐵隧道結(jié)構(gòu)單元可以同步施工，因城鐵隧道最深，必須在城鐵隧道結(jié)構(gòu)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元施工完畢后再施工相應(yīng)平行位置的行李隧道各單元。

5 基坑施工變形與受力分析

5.1 數(shù)值模擬驗算

驗算選用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，采用GTS三維數(shù)值模擬計算軟件分析。在考慮既有施工方案的基礎(chǔ)之上，模擬既有城際鐵路施工完成的情況下行李隧道明挖基坑施工和捷運系統(tǒng)基坑施工同步完成的工況，驗算圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、基坑坑底隆起和地表沉降數(shù)值是否在安全范圍內(nèi)。

5.2 計算結(jié)果分析

5.2.1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

如圖2和圖3所示，城鐵基坑完成時和3個基坑都施工完成時引起的最大內(nèi)側(cè)水平位移分別為9.39 mm和10.44 mm，底面的水平位移分別為0.89 mm和1.29 mm。由城鐵基坑施工引起的水平位移變化為9.39 mm，由行李隧道基坑和捷運系統(tǒng)基坑施工共同引起的水平位移變化為1.05 mm。

圖2 外側(cè)城鐵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖3 內(nèi)側(cè)城鐵基坑圍護(hù) 結(jié)構(gòu)水平位移

分析圖4發(fā)現(xiàn)，捷運車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移沿深度逐漸增大，左側(cè)在坑底處最大達(dá)到了37 mm；右側(cè)也是沿著深度逐漸增大，最大達(dá)到了58 mm。分析圖5發(fā)現(xiàn)，捷運區(qū)間基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移沿深度逐漸增大，左側(cè)在坑底處最大達(dá)到了83 mm，右側(cè)也是沿著深度逐漸增大，最大達(dá)到了26 mm。另外比較捷運車站基坑和區(qū)間基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移大小發(fā)現(xiàn)，車站位置明顯大于區(qū)間位置，二者在左側(cè)最大值相差達(dá)到了46 mm，在右側(cè)達(dá)到了32 mm。

5.2.2 基坑坑底隆起

分析圖6發(fā)現(xiàn)，當(dāng)城鐵基坑開挖完成時，由于沒有受到其他基坑的影響，在整個縱向長度方向上坑底隆起基本維持在16.44 mm；當(dāng)另外2個基坑施工完成后，城鐵基坑坑底隆起整體變大，在起始位置（即遠(yuǎn)離行李隧道基坑一側(cè)）變化較終點小，變化基本維持在17～22 mm，平均值為20.16 mm。

分析圖7發(fā)現(xiàn)，捷運系統(tǒng)基坑在車站部位和區(qū)間部位的坑底隆起有明顯的區(qū)別，車站部位較區(qū)間部位大，車站部位最大達(dá)到15.60 mm，而區(qū)間部位最大為9.40 mm。

圖4 捷運車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖5 捷運區(qū)間基坑圍護(hù) 結(jié)構(gòu)水平位移

圖6 城鐵基坑坑底隆起變化示意

圖7 捷運基坑坑底隆起變化示意

分析圖8發(fā)現(xiàn)，行李隧道基坑坑底隆起在端部較小，而在與放坡段連接的基坑坑底隆起較大，最大達(dá)到了11.35 mm。

圖8 行李隧道基坑坑底隆起變化示意

5.2.3 基坑外地表沉降

分析圖9發(fā)現(xiàn)，地表豎向位移基本呈現(xiàn)出離基坑越遠(yuǎn)豎向位移越小的趨勢。在城鐵基坑開挖后繼續(xù)開挖行李隧道基坑和捷運基坑會增大地表的位移，但增大幅度較小，基本維持在1 mm，而在距離基坑44 m處，2條曲線有交叉現(xiàn)象，但由于二者變化規(guī)律一致且相差較小，所以產(chǎn)生交叉現(xiàn)象屬于正常情況。分析圖10發(fā)現(xiàn)，當(dāng)群坑基礎(chǔ)施工完成時，捷運基坑一側(cè)的地表豎向變形規(guī)律與城鐵一側(cè)地表豎向位移變化規(guī)律基本一致，最大豎向位移為8.50 mm。

5.3 變形分析

通過數(shù)值模擬的方法研究了由多個近距離基坑施工引起的“群坑效應(yīng)”，分析由各基坑開挖后引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形、坑底隆起、兩側(cè)地表豎向變形，可以得出如下結(jié)論[5-6]。

圖9 城鐵基坑一側(cè)地表沉降

圖10 捷運基坑一側(cè)地表沉降

1）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移受到土壓力大小的影響，而土壓力大小又受到土體條件和鄰近基坑圍護(hù)約束的影響，如捷運車站和捷運區(qū)間基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移就發(fā)生了明顯相反的變化；

2）由基坑開挖卸載引起的坑底隆起主要受卸載量的影響，而當(dāng)群坑近距離施工時影響較為明顯，如由于后續(xù)捷運系統(tǒng)基坑和行李隧道基坑開挖引起的城鐵基坑坑底隆起達(dá)到了3.72 mm；

3）群坑作用下地表的土體豎向變形有疊加效應(yīng)，但影響非常小。遠(yuǎn)離基坑的地表豎向變形只受鄰近基坑開挖的影響。

6 結(jié)語

本工程基坑監(jiān)測的各項實測值均在預(yù)警范圍內(nèi)，表明深淺基坑同步施工技術(shù)在該施工區(qū)域得到了成功應(yīng)用。本文通過現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，論證了深淺基坑同時作業(yè)時，通過采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔離技術(shù)、合理組織施工順序等措施，不僅可以有效地控制既有建筑的沉降變形量，確保城鐵隧道基坑自身及周邊環(huán)境安全，而且能夠很好地提高結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。