深厚淤泥土層中地鐵車站基坑圍護設計與分析

劉亞威

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

0 引言

基坑開挖是地鐵車站工程中尤為關鍵的環節，科學的設計方案是確保施工質量的重要前提，除基坑支護結構的合理性外，還要注重開挖作業對周邊既有建(構)筑物帶來的影響。基于此，需確定科學的基坑圍護設計方案，在達到工程質量要求的同時，盡可能縮短工期、控制施工成本。

1 工程概況

某地鐵車站工程中，超深基坑工作量較大，呈南北分布特點，長180 m、寬23.7 m、高36 m。根據現場情況，該基坑臨近河堤，該處河床高度20 m，施工區域地下水位約8.360 m。基坑周邊除一處空地外，還建有一座正處于運營階段的預應力橋，周邊有大量高層建筑，現場施工環境較為復雜。

2 地質概況

建設區域吳淞高程6.60 m～8.48 m，整平標高約7.50 m，趨近于地表高度。地質特性方面：①雜填土：較為松散，齡期約5年，厚度1.00 m～5.80 m；②淤泥質填土：具備較強壓縮性，含部分腐殖土，厚度0.70 m～1.70 m；③淤泥質粉質黏土：以流塑狀為主，具備可壓縮性，含部分粉土，厚度5.00 m～8.80 m。

3 深基坑圍護設計

根據現場實際情況，確定深基坑圍護方案，具體為：以鉆孔灌注樁為主，輔以φ850@1 200三軸水泥土攪拌樁以發揮出止水的作用，選取鋼筋混凝土材料，施作二道內支撐，以提升整體穩定性。

3.1 支護樁設計比選分析

立足于本工程施工情況，綜合考慮類似工程經驗，提出多種基坑圍護結構形式，具體有：

1)以鉆孔灌注樁為基礎結構，輔以止水帷幕。此方案的基本特點在于工藝簡單、施工擾動程度低，從工程經驗來看，在長三角地區具有較好的適應性。關于止水帷幕的施工作業，需綜合考慮現場土層穩定程度、基坑開挖深度等因素。

2)SMW工法樁。首先設置三軸水泥土攪拌樁，向其中置入適量型鋼，可得到綜合型擋土止水結構。從行業發展狀況來看，SMW工法樁的局限之處在于抗側剛度有限，若基坑深度超13 m，將伴隨明顯的變形問題[1]。此項技術對基坑變形較為敏感，缺乏控制措施時易出現樁結構開裂的問題，不利于基坑穩定性，使其出現滲漏水現象，并對周邊環境造成不良影響。

3)地下連續墻。此結構兼具擋土、止水、變形可控、穩定性好等多重優點，被廣泛應用于大型基坑工程中，但存在成本高、施工周期長、槽段接合效果差等局限性。

經上述對比分析，并考慮本基坑施工情況，為滿足安全、高效等多重要求，最終選擇鉆孔灌注樁作為本基坑的圍護樁。

3.2 止水樁設計比選

基坑開挖作業持續到基底時，該區域的壓力狀況將發生變化，開挖面至承壓水層間存在較為明顯的自重壓力，該值將明顯超過承壓水頭壓力；進一步開挖并到達坑底時，承壓水頭壓力大幅提升，明顯超出上覆土壓力。從這一規律來看，本基坑工程對止水與降水均提出較高的要求。

現代化工程項目中，機械設備是提升施工效率的關鍵，雙軸水泥土攪拌樁相關設備在中密砂性土中的適應性不足，最大深度為17.0 m，具體至本工程，若采取此方式將難以確保樁結構止水效果；若采取三軸水泥土攪拌樁，相關設備的工作深度可達33.0 m，具有較好的切土能力。綜合對比，三軸攪拌機械更具可行性，可滿足質量、效率等多重要求，在工期較緊的項目中適應能力更強。

三軸攪拌機是重要的工程設備，其中兩軸同步噴漿，實現與土體的充分混合，中軸維持逆向高壓噴氣狀態，通過氣體逆向翻轉的方式提升拌合料的均勻性，為成樁質量提供保障[2]。從本工程的施工特點來看，雙軸水泥土攪拌樁存在諸多局限之處，不具備優良的止水效果，但采取高壓旋噴樁又將耗費大量成本。基于此，選擇的是套接φ850@1 200三軸攪拌樁的方式，以滿足止水要求。

3.3 設計工況

將施工現場整平，形成硬地坪后即可展開圍護體的施工作業，主要涉及到鋼立柱與工程樁兩部分。通過輕型井點實現對坑內的預降水處理；開槽，通過澆筑的方式設置圈梁與首層支撐結構，檢驗其強度，達到設計強度的80%后則具備繼續施工的條件，即對稱開挖至下一層支撐底；兼并展開圍檁與第二層支撐的澆筑作業，滿足強度要求后再對稱開挖并持續至坑底；混凝土墊層澆筑遵循的是隨挖隨澆的原則，要求圍護樁的連接區域都要得到有效的澆筑；結束底板澆筑后需進一步延伸至支護樁邊；檢驗底板強度，當該值滿足設計要求后即可展開-2層主體結構施工作業，隨后將該層支撐裝置拆除；依次完成主體與樓板換撐塊的澆筑作業，當兩結構的強度均達到要求后，方可拆除第一層支撐裝置；最后做好地下主體結構的施工作業，于該處回填土并采取夯實處理措施。

3.4 混凝土內支撐

部分基坑深度較大，為不規則形狀，在此施工環境中鋼筋混凝土支撐是可行的方式，在該結構的作用下，可優化平面結構體系，使其具備較強的剛度，盡可能避免圍護體頂部位移現象，以實現對周邊環境的有效保護。此外，相較于鋼支撐而言，采取鋼筋混凝土支撐的方式具有更強的靈活性，可實現分塊施工作業，施工中可預留較大的空間以滿足出土需要，提升了土方開挖效率，有效縮短地下結構施工工期。鋼筋混凝土支撐形成了完善的受力體系，各部分受力明確，可達到各支撐塊獨立受力的效果。基于此特性，支撐施工時可顯著提升分塊施工效率，縮短支撐周期[3]。根據本工程情況，確定了內支撐結構圖，具體如圖1所示。考慮到本基坑邊長長度較大，因此要增設施工棧橋，鋼筋混凝土支撐系統采取的是對撐與角撐相綜合的方式，在滿足支撐要求的同時有效控制成本。內支撐施工環節所用材料為C35混凝土，控制頂壓圈梁鋼筋保護層厚度，此結構以30 mm為宜。

4 設計結果分析

4.1 計算條件

引入豎向彈性地基梁法，由此展開基坑圍護體的設計工作。計算過程中，施工超載取值為25 kPa，根據現場情況，基坑施工狀況良好，僅存在部分建(構)筑物且不會對正常施工作業造成影響，因此此處未考慮建筑物超載問題。支撐體系計算環節，將支撐與圍檁視為整體結構，分別對其內力與變形問題加以分析，匯總各項資料，所得結果如表1所示。

表1 內力與變形計算結果表

4.2 結果分析

深基坑設計工作中，計算與驗算是提升方案可行性的關鍵，應充分考慮圍護結構變形、基坑周邊地層沉降等問題。通過現場監測的方式可掌握基坑及其周邊的實際情況，為工程人員提供分析資料。實際工作中，根據施工要求確定監測項目及其警戒值，根據各階段的監測數據，若達到該值將觸發警報，相關人員隨即分析問題并采取應對策略，以確保基坑安全性。對此，根據現場監測結果創建基坑位移圖，具體內容如圖2所示。

根據圖2內容得知，基坑不同深度處的土體變形程度有所不同，最大為25.20 mm，最大水平位移為21.14 mm，曲線總體呈“紡錘”狀。變形主要集中在二道支撐底部至坑底這一區段，各處位移均未超過30.0 mm，與設計要求相符，可實現對周邊環境的有效保護。監測數據表明，圍護結構的穩定性較好，開挖作業時周邊建筑物與管線均處于穩定狀態。

5 結語

根據基坑開挖監測數據得知，本設計方案具有可行性，基坑圍護結構穩定性較好，施工中周邊建筑物未受到影響，創造了安全的施工環境，且位移與變形都控制在許可范圍內。總體上，本基坑圍護設計方案的應用效果優良，可為類似工程提供參考。