成都地鐵7號線膨脹土基坑支護(hù)設(shè)計

周 歡，王佳慶，詹谷益

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031;2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都 611731)

1 工程概況

成都地鐵7號線是沿2.5環(huán)方向敷設(shè)的一條閉合環(huán)線，線路全長38.61 km，設(shè)地下車站31座，另設(shè)全地下的崔家店停車場1座，川師車輛段1座，以及OCC控制中心一座、主變電所3座。成都地鐵既有線主要位于砂卵石地層為主的I級階地，對該地層的設(shè)計施工已經(jīng)積累了一定經(jīng)驗(yàn)。7號線的線路近50%穿越含膨脹土的Ⅱ，Ⅲ級階地，在這種地區(qū)修建鐵路、公路、房建等土建工程，因設(shè)計、施工處置不當(dāng)，造成的病害頻頻發(fā)生。因此膨脹土對地鐵基坑的安全影響不容忽視。

地鐵7號環(huán)線沿途經(jīng)過川西平原岷江水系錦江及其支流Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級階地。場地土主要由第四系全新統(tǒng)人工填土層()，沖洪積層(，上更新統(tǒng)沖洪積層()，中下更新統(tǒng)冰水沉積層及白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)泥巖組成。Ⅱ，Ⅲ級階地上覆黏性土為弱～中等膨脹土［1］，其中Ⅲ級階地膨脹土的試驗(yàn)結(jié)果見表1。沿線Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級階地分布情況如圖1所示。

表1 膨脹土性質(zhì)一覽表

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，K2g強(qiáng)風(fēng)化泥巖自由膨脹率為15.0% ～57.0%，膨脹力為10.0～393 kPa;K2g中等風(fēng)化泥巖膨脹力為10～690 kPa，自由膨脹率2.0% ～52.0%。強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中等風(fēng)化泥巖均屬膨脹巖。因?yàn)槟鄮r的吸水膨脹是有一定時間過程的，加之其基本位于車站基坑底部，開挖到基底時，在泥巖未來得及吸水膨脹時，即采用墊層快速封閉基坑，泥巖對車站影響可忽略不計。本文重點(diǎn)對膨脹土進(jìn)行分析研究。

圖1 7號線沿線階地分布

2 膨脹土膨脹機(jī)理及影響因素

《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50112—2013)中對膨脹土的定義為:土中黏粒成份主要由親水性礦物(蒙脫石、伊利石、高嶺石 等［2-3］)組成，同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土［4］。膨脹土中的礦物成分具有較高的親水性，其內(nèi)部結(jié)晶質(zhì)的排列不同，與水結(jié)合時體積變化也存在差異。水滲入晶層之間，形成水膜夾層而引起晶格擴(kuò)張，從而導(dǎo)致土體膨脹，反之失水收縮干裂［5］。此外黏土礦物顆粒表面由于晶格置換一般帶負(fù)電，帶負(fù)電荷的黏土顆粒對于極性水分子和水化陽離子有吸附作用，圍繞土顆粒周圍形成由強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水組成的水化膜，由于結(jié)合水膜加厚使固體顆粒間的距離增大，從而導(dǎo)致土體積產(chǎn)生膨脹。所以說，膨脹土與水相互作用發(fā)生體積膨脹現(xiàn)象，實(shí)際上是晶格擴(kuò)張與水膜增厚的共同結(jié)果。《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》中給出了蒙脫石含量和陽離子交換量與土的自由膨脹率之間的關(guān)系［4］，也充分說明兩者是黏土膨脹性的主要影響因素。

由上述膨脹機(jī)理可以看出，即使某一種黏土具有潛在較高的膨脹趨勢，如果含水量保持不變，即與膨脹土相互作用產(chǎn)生體積膨脹的水的含量不變，體積就不會發(fā)生變化［6-7］。含水量變化是黏土膨脹的直接誘因，是影響土體脹縮特性的關(guān)鍵因素，含水量的輕微增大，就足以引起有害的膨脹［8］。因此，判斷膨脹土的脹縮性指標(biāo)都是反映含水率變化時膨脹土的脹縮量及膨脹力大小的。含水量不變就不會有膨脹變形或膨脹力產(chǎn)生。

3 成都地鐵7號線膨脹土地區(qū)深基坑的設(shè)計與計算

3.1 設(shè)計

《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50112—2013)5.4.5條提出“對高度大于3 m的擋土結(jié)構(gòu)土壓力計算時，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)或當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定土體膨脹后抗剪強(qiáng)度衰減的影響，并應(yīng)計算水平膨脹力的作用［4］”。由于規(guī)范對膨脹土地區(qū)基坑設(shè)計時膨脹力的計算取值規(guī)定不明確，試驗(yàn)室獲取的膨脹土參數(shù)與現(xiàn)場實(shí)際作用條件也不相同。目前計算深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)時，膨脹力通常是在地勘報告提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行一定折減采用。折減程度憑經(jīng)驗(yàn)，計算取值不準(zhǔn)確，也增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的工程量。

根據(jù)以往成都地鐵施工經(jīng)驗(yàn)及地層特點(diǎn)，通常采用基坑外降水施工。基坑開挖前，在基坑外采用大口徑井點(diǎn)降水，將上層滯水及基巖裂隙水等明水排出。在基坑開挖過程中，圍護(hù)樁間同步掛網(wǎng)噴混凝土(圖2)，將地層及時封閉。以上做法可以有效限制水份遷移的梯度和途徑，使膨脹性黏土含水率變化很小、或確保含水率不增大。根據(jù)前述對膨脹土影響因素的分析，膨脹土即使有膨脹趨勢，沒有含水率的增加，膨脹力對基坑施工也不會造成不利影響。因此，成都地鐵7號線膨脹土地段的明挖基坑，以控制含水率變化為設(shè)重點(diǎn)。在開挖與主體結(jié)構(gòu)回筑等施工過程中，通過采取截水封閉膨脹土地層的系列工程措施，限制膨脹土含水率變化，消除膨脹土不利影響后，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)視為僅作用常規(guī)主動土壓力的一般基坑計算。變過去圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動抵抗膨脹土作用為主動消除膨脹土影響。

圖2 樁間掛網(wǎng)噴混凝土

3.2 計算

成都地鐵7號線車站頂板覆土一般控制在3 m。施工方法主要以明挖或蓋挖施工為主，輔以基坑外大口徑井點(diǎn)降水，車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用φ1 200@1 500～2 200灌注樁+鋼管內(nèi)支撐或錨索。Ⅲ級階地代表性車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特征見表2。

對圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力的計算，根據(jù)受力分析來模擬實(shí)際施工過程，并遵循“先變位，后支撐”的原則，在計算過程中計入結(jié)構(gòu)的先期位移值及支撐變形，采用理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件F-SPWS7.0進(jìn)行計算。截面設(shè)計按內(nèi)力包絡(luò)圖進(jìn)行，支撐軸力取各階段計算軸力的最大值。

表2 Ⅲ級階地代表性車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特征

圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算分為完全不計膨脹力影響，和個別車站(如沙河鋪站)計算鋼支撐軸力時計入20%膨脹力影響兩種情況。

4 計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的對比分析

成都地鐵7號線III級階地代表性車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比見表3。表中列出了“開挖至基底”和“最不利工況”兩種代表性工況。其中:①軸力為鋼支撐軸力或錨索拉力標(biāo)準(zhǔn)值(部分檢測結(jié)果缺失);②由于現(xiàn)場圍護(hù)樁鋼筋應(yīng)力監(jiān)測值均遠(yuǎn)小于計算值，故未列出;③圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形括號內(nèi)數(shù)值為與保護(hù)等級對應(yīng)的最大允許變形值，按基坑深度的0.1%確定;④最不利工況出現(xiàn)在回筑階段、最底層支撐拆除時。

表3 Ⅲ級階地代表性車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算與監(jiān)測結(jié)果對比

從表3可以看出:崔家店站錨索軸力監(jiān)測值與計算值最接近，其余鋼支撐監(jiān)測值除個別點(diǎn)外，遠(yuǎn)小于計算結(jié)果;川師站、建材南路站基坑變形較大，但支撐軸力并不大，這與現(xiàn)場支撐作用點(diǎn)圍檁局部壓縮、向基坑內(nèi)變形(如圖3所示)有關(guān)。除沙河鋪站的支撐軸力計算取值時計入了20%的膨脹力進(jìn)行放大以外，在進(jìn)行圍護(hù)樁變形計算時均未計入膨脹力，基坑安全可以得到保證。

圖3 支撐端部圍檁壓縮變形

5 工程措施

7號線膨脹土地段深基坑施工過程中嚴(yán)格采取封閉隔水措施，是消除膨脹力影響、保證基坑安全的關(guān)鍵［9-12］。基坑采取的主要隔水工程措施如下:

1)對基坑開挖影響范圍內(nèi)的雨污水管進(jìn)行處理，防止水滲漏進(jìn)土層。

2)開挖基坑發(fā)現(xiàn)地裂、局部上層滯水或土層有較大變化時，應(yīng)及時采取措施消除隱患方能繼續(xù)施工。基坑施工過程中，加強(qiáng)現(xiàn)場巡查，發(fā)現(xiàn)地表裂縫及時抹灰或灌漿封閉。

3)施工時應(yīng)避開雨季作業(yè)(雨季施工應(yīng)采取防水措施)，各道工序要緊密銜接，分段快速作業(yè)，采取連續(xù)施工、基坑及時封底、即時封閉的原則來保證膨脹土的性狀不受改變，從而減少甚至消除膨脹力的影響。施工過程中不得使基坑暴曬或泡水。當(dāng)車站底板位于膨脹土(膨脹巖)地層時，及時澆注混凝土墊層或采取土工塑料膜覆蓋等措施封閉基底，達(dá)到阻水、隔水的作用，并使基底土層的含水量保持不變，避免基坑在施工期間受環(huán)境變化的影響。

4)基坑頂部地表應(yīng)采取封閉措施，封閉寬度不宜小于5 m，且鄰基坑側(cè)不小于2 m范圍，按照《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50999—2014)中寬散水作法要求施工［4］。做好地表截水、排水工作，排水流向應(yīng)背離基坑，以減少地表水滲漏對膨脹土的影響。

5)基坑坡面應(yīng)采取掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土、土釘墻(固定鋼筋噴抹水泥砂漿或細(xì)石混凝土)護(hù)坡等措施防止?jié)B水、溜土、軟化、崩塌。樁間噴射混凝土層內(nèi)設(shè)置泄水孔，排出樁(墻)體背后滯水。在基坑底部沿四周設(shè)排水溝和集水井，便于排除基坑內(nèi)的積水。

6)施工灌注樁時，在成樁過程中不得向膨脹土地層的孔內(nèi)注水。

7)加強(qiáng)鋼支撐軸力的監(jiān)測，避免意外情況引起膨脹土遇水膨脹導(dǎo)致支撐失穩(wěn)。現(xiàn)場應(yīng)有監(jiān)測軸力超過支撐承載力情況下的相關(guān)應(yīng)急預(yù)案。同時注意失水收縮引起的軸力損失，采取防止鋼支撐脫落的措施，并根據(jù)監(jiān)測情況重復(fù)施加支撐力。

6 結(jié)論

成都地鐵7號線施工中采取基坑外降水，封閉了基坑、隔絕水和大氣對膨脹土地層的影響。監(jiān)測結(jié)果表明，采取的工程措施達(dá)到了預(yù)期效果，膨脹土對圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響可忽略不計，基坑安全能得到保證，取得了良好的使用效果及經(jīng)濟(jì)效益。

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