昆明樞紐擴能改造下穿通道基坑支護工程設(shè)計研究

譙春麗

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031)

1 工程概況

昆明鐵路樞紐是承接成昆、南昆、滬昆、昆河、南昆、渝昆及長昆7條入滇鐵路干線的重要樞紐。樞紐改造工程正線長89.98 km，涉及昆明市主城區(qū)，對地方土地和城區(qū)有明顯的分割作用。因此，在鐵路擴建實施的同時，宜充分考慮與鐵路交叉的城市通道，預(yù)留相應(yīng)的通道，以保證城市的完整性和統(tǒng)一性。沿線采用“上跨”或“下穿”的方式與周邊既有鐵路、市政道路銜接，形成立體交通疏解。

昆明樞紐沿線軟土發(fā)育范圍廣、深度大、成分復(fù)雜，尤其淤泥質(zhì)土和泥炭質(zhì)土含水率高(300%左右)、孔隙比大(2～3左右)、腐殖質(zhì)含量高(最高達90%)。地下水位通常位于地表以下1～2 m，工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜。昆明樞紐框架橋基坑工程共計24處，平均深度10 m、最大深度15 m，基坑工程毗鄰既有鐵路、軍事管制區(qū)、市政道路及高層建筑物等，周邊環(huán)境敏感，變形控制要求高、難度大。

2 工程難點

(1)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜

滇池盆地內(nèi)廣泛分布沖洪積或河湖交互相沉積軟土及松軟土，軟土主要為軟塑～流塑狀的淤泥質(zhì)土、淤泥、泥炭質(zhì)土等，松軟土主要為軟塑狀黏性土和部分飽和狀粉土。昆明鐵路樞紐位于滇池附近，沿線淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭質(zhì)土、松軟土、砂土、黏性土在空間展布上交互沉積，土層性質(zhì)縱橫分布變化較大，軟土、松軟土向滇池方向逐漸增厚。線路附近軟土及松軟土厚度一般在2～20 m之間，部分地段大于20 m，局部地段深度40 m以下仍有軟土分布。昆明地區(qū)軟土具有壓縮性高、孔隙比大(一般在2～3左右)、含水率高(一般在300(左右)及腐殖質(zhì)含量高(最高達90%)等特點。

軟土基坑的受力變形特性具有顯著的區(qū)域性，以往關(guān)于軟土基坑的研究多集中在沿海地區(qū)，濱海地區(qū)軟土多為海陸交互相，有別于昆明地區(qū)軟土，其相關(guān)研究成果是否適用于昆明地區(qū)的軟土基坑，尚有待進一步研究。同時，昆明地區(qū)地下水位通常位于地表以下1～2 m。當(dāng)基坑開挖超過地下水位后，基坑內(nèi)外水頭差逐漸增大，由地下水滲流引發(fā)的基坑穩(wěn)定性降低問題無法回避，可靠的隔水措施設(shè)計成為保障軟土基坑支護結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵一環(huán)。

(2)沿線環(huán)境敏感，變形要求高

近年來，隨著我國各地高層建筑的不斷興建、管線入地工程的不斷推進，基坑周圍的環(huán)境越來越復(fù)雜。基坑開挖過程中，土體應(yīng)力釋放，進而引起周圍土體的變形，最終對臨近建筑、城市干道、管線等造成影響。昆明樞紐基坑工程周邊環(huán)境極為復(fù)雜，毗鄰既有鐵路、軍事管制區(qū)、市政道路及高層建筑物等，變形控制要求高，基坑工程受到環(huán)境制約更加凸顯。深入研究基坑施工對臨近設(shè)施影響的作用機理，建立簡單有效的變形預(yù)測方法，為臨近設(shè)施變形的控制措施提供理論支撐是工程的一大難題。

(3)基坑工程規(guī)模大，臨時圍護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計迫切

處于敏感環(huán)境條件下的深基坑工程，在保證基坑圍護結(jié)構(gòu)局部和整體安全性的同時，還需確保臨近設(shè)施不受功能性損害。我國深基坑工程一般采用臨時支護方式，工程結(jié)束后，臨時支護將被拆除或廢棄。昆明樞紐框架橋基坑工程共計24處，作為臨時支護的鉆孔灌注樁數(shù)超過4 500根，框架橋施工完成后，臨時支護樁將全部被廢棄在地下，造成巨大工程浪費。合理優(yōu)化基坑圍護結(jié)構(gòu)，使臨時圍護體系安全、高效、經(jīng)濟成為工程亟需解決的另一大難題。

3 研究思路

本文首先在搜集、分析昆明地區(qū)既有基坑工程案例經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，歸納了影響昆明樞紐基坑工程安全的關(guān)鍵性因素；然后結(jié)合昆明樞紐下穿工程基坑圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計檢算資料，總結(jié)了地質(zhì)條件、基坑開挖尺寸、圍護結(jié)構(gòu)剛度以及內(nèi)支撐剛度等對圍護結(jié)構(gòu)的受力變形特征和內(nèi)支撐軸力的影響；再展開軟土基坑工程施工過程研究，系統(tǒng)地分析了施工過程中基坑和周圍土體的變形特征、圍護結(jié)構(gòu)各構(gòu)件對基坑變形控制的貢獻程度；最后，從基坑和周圍土體的變形特征入手，找到圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化的切入點，為處于敏感環(huán)境條件下深基坑工程圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供分析思路。

(1)基坑周圍土體變形的三維效應(yīng)顯著，基坑不同位置處的側(cè)向位移有所不同[1]。受圍護結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐的限制作用，基坑角點附近的地表沉降會相應(yīng)減小，造成基坑周圍土體的差異沉降。在控制基坑周圍土體絕對沉降的同時，需考慮局部差異沉降可能對臨近設(shè)施造成的損害。

(2)基坑開挖完成后，周圍土體的蠕動變形會繼續(xù)緩慢發(fā)展，且占總變形量的比例超過30%，基坑周圍土體變形具有明顯的“時空效應(yīng)”。合理籌劃安排開挖作業(yè)面，在確保施工安全的前提下加快施工進度，縮短施工工期，充分利用土體變形的“時空效應(yīng)”有效減小基坑及臨近設(shè)施的變形。

(3)引入冗余度設(shè)計理論[2]來量化評價基坑圍護體系局部和整體的安全性，通過對圍護結(jié)構(gòu)各個構(gòu)件的冗余度分析，明確對結(jié)構(gòu)冗余度影響程度較高的重要構(gòu)件，用于指導(dǎo)基坑圍護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

(4)對基坑周圍環(huán)境簡單分區(qū)，分析臨近設(shè)施承受變形的能力，篩選出典型的變形控制點。以各控制點變形容許值、圍護結(jié)構(gòu)各構(gòu)件預(yù)期安全度為控制條件，建立軟土基坑圍護結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型[3]。提出滿足基坑局部、整體安全性及臨近設(shè)施變形要求的基坑圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，得出基坑圍護設(shè)計的流程如圖1所示。

圖1 基坑圍護設(shè)計的流程圖

4 設(shè)計方案

針對昆明樞紐基坑場地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及所處的環(huán)境條件[4]，以“防滲水、保安全、控變形、重監(jiān)測”為設(shè)計原則，通過對多種支護結(jié)構(gòu)的分析、對比，最終采取昆明樞紐擴能改造下穿通道基坑支護設(shè)計方案。

(1)防滲水

考慮周邊環(huán)境以及泥炭質(zhì)土弱透水性特點[5-7]，基坑采用樁徑0.5 m的旋噴樁作為止水帷幕。

(2)保安全

基坑開挖邊坡均采用噴錨網(wǎng)防護，開挖邊坡坡率均為1∶1.5，錨桿采用Φ18HRB400鋼筋制作而成，長2 m，間距2 m。針對基坑周圍變形敏感設(shè)施，采用不少于3套無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測其位移變化發(fā)展情況。

(3)控變形

采用綜合措施減小基坑工程對周圍環(huán)境的影響，采用鉆孔灌注樁+冠梁+腰梁+支撐立柱(格構(gòu)柱)+橫撐、斜撐的聯(lián)合圍護體系。

鉆孔樁承擔(dān)主要開挖土壓力，但因開挖懸臂段較大，土質(zhì)較軟，樁身受力及變形均較大，因此在鉆孔灌注樁頂設(shè)冠梁連接，并在基坑中部變形較大部位設(shè)腰梁，加強鉆孔樁的整體性，有效減少樁頂位移計變形。昆明樞紐擴能改造下穿通道大部分基坑都緊鄰既有鐵路，需同時下穿多條鐵路線，開挖面較寬，若僅靠“鉆孔灌注樁+冠梁+腰梁”的作用支撐基坑施工安全，所需設(shè)置鉆孔灌注樁的數(shù)量大，但基坑圍護為臨時設(shè)施，如此設(shè)計將造成極大的工程浪費。因此，設(shè)計考慮在中間加設(shè)支撐立柱(格構(gòu)柱)，將橫撐和斜撐(橫撐和斜撐可根據(jù)懸臂端長度和受力檢算情況設(shè)置多道)連接起來，形成一個整體的受力體系，平面布置如圖2所示。

圖2 基坑聯(lián)合圍護體系平面布置圖

加設(shè)支撐立柱(格構(gòu)柱)能較好地改善鉆孔灌注樁的受力條件，節(jié)省鉆孔灌注樁的工程用量，且橫撐、斜撐等構(gòu)件拆除后可重復(fù)利用，在格構(gòu)柱與橋梁樁基礎(chǔ)重疊處，還可利用橋梁樁基礎(chǔ)作為支撐立柱，極大地節(jié)省了投資。

(4)優(yōu)化施工順序

昆樞擴能改造工程基坑大部分下穿多條運營鐵路線，施工過程中，運營鐵路線不能全部停運，需通過過渡保持部分線路的正常運營，因此設(shè)計對基坑施工進行了嚴(yán)格分區(qū)，并對施工順序進行了詳細的要求和規(guī)劃，其施工流程如下：

根據(jù)地形施工截排水工程→開挖土體至冠梁頂面位置→施工鉆孔灌注樁、止水帷幕旋噴樁→施工冠梁及第一道支撐、系桿→待旋噴樁施工完畢且樁身強度達到28 d后，分段、分層開挖土體至第二道支撐位置，施作第二道支撐、腰梁和系桿→待梁身強度達到要求后，繼續(xù)分層開挖土體至基底，施作框架橋底板及部分邊墻→待底板及邊墻混凝土達到設(shè)計強度后，拆除第二道支撐，施工框架橋邊墻及頂板→待邊墻及頂板混凝土達到設(shè)計強度后，拆除第一道支撐。

(5)重監(jiān)測

目前，針對昆明地區(qū)軟土深基坑的研究成果較少，通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，有利于掌握該地區(qū)基坑圍護體系的受力變形特性、基坑周圍土體的變形分布特征以及基坑對臨近設(shè)施的作用機理。同時，科學(xué)合理的監(jiān)測設(shè)計方案對掌握施工過程中各構(gòu)件的安全性、預(yù)測基坑及周圍土體的變形發(fā)展情況至關(guān)重要。因此，本文結(jié)合昆明地區(qū)軟土基坑的周圍環(huán)境特點，開展了監(jiān)測專題研究。

針對昆明鐵路樞紐軟土基坑地質(zhì)條件復(fù)雜、周圍環(huán)境敏感等特點，采用了人工監(jiān)測聯(lián)合自動化監(jiān)測的方法，對基坑圍護體系及周圍環(huán)境進行綜合評價。對自動化監(jiān)測及預(yù)警技術(shù)在基坑中的應(yīng)用進行初步探索，明確了自動化監(jiān)測的監(jiān)測范圍和各階段的監(jiān)測重點。

5 結(jié)束語

本文以昆明鐵路樞紐改造工程為依托，開展了軟土基坑工程施工過程的研究，分析施工過程中基坑和周圍土體變形的“時空效應(yīng)”，明確了基坑圍護結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，在確保基坑局部和整體安全性的前提下，考慮臨近設(shè)施承受變形的差異性，提出了基坑圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，確保軟土基坑臨時圍護體系更安全、高效、經(jīng)濟。并通過搜集、分析、歸納、總結(jié)昆明樞紐擴能改造工程中部分已完成工程的經(jīng)驗教訓(xùn)，提出了“防滲水、保安全、控變形、重監(jiān)測”的基坑設(shè)計原則和方案，形成了復(fù)雜敏感環(huán)境下軟土基坑加固及變形控制成套技術(shù)，可為后續(xù)該地區(qū)的基坑支護工程的設(shè)計施工以及基坑的施工動態(tài)監(jiān)測和周圍敏感設(shè)施監(jiān)測提供有益借鑒。