沿海地區深厚淤泥質地層地鐵深基坑設計

龔玲峰

(中土集團福州勘察設計研究院有限公司 福建福州 350000)

1 車站概況

車站位于十字路口處，東南方向為廠房，西南方向為空地，三角地處為臨街兩層商業板房，東北方向為多層民房及臨時工棚，西北方向為防水材料公司，片區現狀以民房及廠房為主，如圖1所示。

圖1 車站場址

車站所在場地的特殊性巖土主要有:填土、軟土及風化巖。場地分布的軟土層有〈2-4-1〉淤泥、〈2-4-2〉淤泥質土、〈3-5-1〉淤泥夾砂層，厚度平均達10 m。軟土具有含水量高，孔隙比大，壓縮性高，抗剪強度低，靈敏度高的特點。地鐵施工時，如過度降水或對軟土的加固處理不當、地面超載、地鐵運行震動等容易產生變形固結，極易引起地面不均勻沉降。

場地地下水類型分為上層滯水和承壓水兩種，根據場地鉆孔資料，孔隙承壓水主要在〈3-2〉(泥質)粉砂和(含泥)中砂中，該承壓水層對工程建設的影響較大，特別是對基坑開挖有較大影響。

2 基坑設計的重難點分析

2.1 基坑圍護結構體系選型

現今地鐵設計中，最常用的支護形式[1]有地連墻+內支撐、排樁+內支撐體系、SMW工法樁+內支撐體系等。

地連墻支護一般由地下連續墻與內支撐(混凝土支撐、鋼支撐)組成，這種支護體系靈活，可順筑、可逆筑、也可半逆筑，施工過程中對周邊環境擾動小，且防滲性能好，適用于各種地層及周邊環境復雜的深基坑中，適用的基坑深度大。

排樁支護通常由排樁、支撐及止水帷幕組成，多用于7～15 m深的基坑工程中。當開挖深度范圍內水位較高時，需要采取隔水措施及降水措施，排樁施工過程中樁間容易產生滲水等問題。

SMW工法樁支護是由工法樁與內支撐組成，該方式同地連墻支護一樣，對環境擾動小，抗滲性好，剛度大，但是目前就工法樁的一些設計參數沒有統一標準，施工的質量有時難以保證。

本基坑地處淤泥地層，施工難，基坑變形也不易控制，其基坑圍護結構體系的選取是一項設計難點。

2.2 深厚淤泥層開挖方式的選擇

本車站位置處于道路路口，其基坑開挖范圍內淤泥層厚度達10 m左右，呈深灰色，流塑，飽和，以黏粒為主。深厚的軟土層的開挖容易造成支護結構失效[2]、基坑失穩、滲透變形、地面沉降、坑底隆起和突涌等。在設計時，其開挖方式的選取也是一項難點。

2.3 基底處理方式的選擇

對基底內側土體的加固可以提高被動土壓力區土體的整體強度和側向抗力，還能控制圍護結構的位移情況，降低周邊既有建筑物及地下管線的沉降風險，防止坑底土體隆起破壞及滲流破壞，一定程度上還能彌補圍護結構嵌固深度不足等問題。

軟土地層中常用的基底加固方式有:裙邊加固、抽條加固、滿堂加固、格柵加固等，施工方式有采用三軸攪拌樁或高壓旋噴樁進行加固。本基坑地處淤泥地層，采取哪種基底加固方式也是一項設計重點。

2.4 周邊環境加固方式的選擇

基坑開挖過程中需要對周邊環境采取加固措施，如果不采取加固措施，周邊既有建構筑物及管線等變形會超出變形允許范圍，這嚴重影響到既有建構筑物等的使用安全和壽命，從而有可能會導致工程索賠，因此，采取加固保護措施是十分必要的。

本工程主要臨近淺基礎民房及廠房，且周邊管線復雜，除了市政排水排污等管網以外，還有110 kV電力架高線和電桿等。需要考慮加固措施對高壓電桿和房屋的擾動影響，因此，設計時，對距離基坑多少米范圍內的建構筑物采取何種加固方式也是一項設計難點。

3 深厚軟土層基坑設計措施

3.1 基坑圍護結構設計

3.1.1 基坑圍護結構體系方案

綜合上述情況，設計時考慮在成槽前對地下連續墻壁進行槽壁加固，加固深度至淤泥層底以下1 m，以此防止地連墻在深厚軟土層施工時造成塌槽。主體圍護結構采用地下三軸攪拌樁+連續墻+內支撐體系。

車站所在范圍及周邊地下管網繁雜，類型眾多，管徑及埋深不一，主要有110 kV電力架高線、D400污水管等。因110 kV高壓線遷改困難、所耗資金龐大且工期長，因此不采用高壓線遷改的方式，此種情況下設計時需要考慮施工過程中高壓線的限高要求。非高壓線及電桿影響范圍內地連墻墻幅寬6 m，成槽前采用三軸攪拌樁進行槽壁加固，高壓線及電桿影響范圍內地連墻墻幅調為3 m，槽壁加固采用三重管高壓旋噴樁。

盾構段和標準段圍護均采用800 mm厚地連墻+四道內支撐+一道換撐，如圖2～圖3所示，蓋挖段圍護采用800 mm厚地連墻+三道內支撐+一道換撐。第一道支撐為800 mm×800 mm砼支撐，間距4.5 m 或9 m；第二、三、四道采用φ800，t＝16 mm鋼支撐，間距2.5 m或3 m；換撐為φ609，t＝16 mm鋼支撐，間距3 m；蓋挖段支撐均為φ609，t＝16 mm鋼支撐，間距3 m；中設臨時立柱支撐體系，臨時立柱采用φ600鋼立柱。

圖2 標準段基坑剖面圖

圖3 支撐平面布置

3.1.2 基坑圍護結構體系變形分析

3.1.2.1 車站標準段模型建立

以標準段為例，假定土體滿足材料的連續性和均勻性，且為彈塑性體，應力應變滿足摩爾庫倫理論，支撐體系為理想彈性體[3]。

建模時取基坑深度17.6 m，嵌固深度13.5 m，冠梁位置下壓1 m。該斷面基坑為淤泥層，采用坑內加固土，加固土寬度取19.3 m，加固3 m厚，粘聚力取30 kPa，內摩擦角取20°。地面超載取20 kPa(盾構井基坑開挖階段按30 kPa考慮)，基坑內側水位取坑底以下0.5 m，基坑外側水位取地面以下0.5 m，鋼支撐預加力取1 000 kN。

工況共分18步，分別為:工況1開挖至1.8 m；工況2加第1道混凝土支撐；工況3開挖至7.8 m；工況4加第2道鋼支撐；工況5開挖至11.3 m；工況6加第3道鋼支撐；工況7開挖至14.3 m；工況8加第4道鋼支撐；工況9開挖至17.6 m；工況10加底板剛性鉸；工況11拆第4道鋼支撐；工況12加換撐；工況13拆第3道鋼支撐；工況14加中板剛性鉸；工況15拆第2道鋼支撐；工況16加頂板剛性鉸；工況17拆第1道混凝土支撐；工況18拆換撐。

3.1.2.2 變形分析[4]

圖4給出了基坑水平位移隨開挖深度的關系曲線，可以看出:

圖4 基坑水平位移隨施工工況變化的關系曲線

(1)基坑位移隨整個施工過程而增大，最大位移發生在最后一個工況下；開挖至第2道支撐面以下0.5 m位置(工況3)的過程中位移增加曲率最大，基坑變形速度最快；而從工況3至工況9的開挖過程中位移有所回落，此過程發生的位移變化不大；從工況11至工況18的整個拆撐過程中位移有所增加，但增加曲率平緩。

從設計角度出發，控制基坑總體水平位移，可以考慮從控制工況3的水平位移出發。因為工況3的位移變化最大，而后續過程位移變化緩慢，因此降低工況3的基坑位移可以控制整個施工過程中最大位移值。而工況3的開挖深度是由工況4第2道支撐的架設位置決定的，因此，控制基坑的水平位移應該綜合考慮第2道支撐與第1道支撐的豎向間距。

(2)車站大里程段、小里程段及標準段3個斷面的位移變化曲線基本一致，主要是因為整個地鐵車站的地層分布相對均勻，整個開挖區域幾乎處于淤泥層中，而基坑周邊荷載分布又相對對稱。

深厚軟土地層具有高靈敏度、低強度及高壓縮性等特性，對圍護結構的變形控制非常不利。這要求在基坑開挖過程[5]中要嚴格控制土方分層開挖長度[6]，以保證支撐體系能及時施工，減少開挖過程中土體無支撐的暴露時間[7]。

3.2 基坑開挖方式設計

結合交通疏解需要，為保證基坑的安全施工，決定除為滿足交通疏解需要部分采用蓋挖順筑法外，其余部分均采用明挖順筑法。

基坑開挖前應對基底軟土層進行處理，以防止基坑內部大面積卸載后基底產生隆起破壞。

土方開挖過程中應遵循“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴禁超挖”的原則。開挖過程需保證施工效率，盡量減少土體無支撐的暴露時間。

3.3 基底處理方式設計

對基坑底位于淤泥層的部分進行直徑850@600三軸攪拌樁抽條加固[8]，如圖5所示。抽條加固深度至基坑底以下3 m，空攪水泥摻量不小于7%，實攪水泥摻量不小于20%，以此控制基坑開挖過程中圍護結構的深層水平位移以及控制周圍地面和既有建構筑物的沉降，并防止坑底土體隆起破壞[9]。

圖5 基底抽條加固示意

3.4 周邊環境加固設計[10]

本工程對既有建構筑物的加固措施[11]主要有:(1)對臨近基坑的高壓電桿采用直徑800@1300隔離樁加固，隔離樁的施工對周邊環境擾動相對較小；(2)對臨近既有房屋及管線采用注漿[12]保護法，該工法使用靈活，施工簡便，在車站的整個施工過程中均可使用，固結體質量可顯著提高。

4 結語

目前該車站已完成空載試運營階段，實踐表明:

(1)深厚軟土地層中地鐵深基坑的總體設計方案采用地連墻+內支撐+三軸攪拌樁槽壁加固+三軸攪拌樁基底加固的方式是成功的。

(2)從設計角度出發，控制基坑總體水平位移，可以從控制第2道支撐的架設位置著手，綜合考慮第2道支撐與第1道支撐的豎向間距?；娱_挖應分層分段開挖，保證施工效率，減少開挖過程中土體無支撐的暴露時間。

(3)為保護基坑周邊既有建構筑物，可采用隔離樁法、注漿加固法等進行地面加固。