鄰近嘉陵江和軌道交通的超限深基坑支護設計分析

黃承忠，江立群，王智

（1 重慶中煤科工工程技術咨詢有限公司，重慶 400042；2 中機中聯工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

隨著重慶山地城市建設的快速發展， 復雜工程地質、 水文地質條件的高邊坡、深基坑不斷涌現，特別是臨近長江、嘉陵江和軌道交通的超限深基坑支護、地下水控制問題日益凸顯，從而使超限基坑工程的系統性和復雜性與日劇增，社會效應也越來越強[1]。 本文通過工程實例，探討超限深基坑在設計過程中的問題和解決措施，提出了采用具有重慶地區山地地質特點的“門字形雙排樁+樁間兩排高壓旋噴樁止水帷幕” 的聯合支擋結構，運用工程類比法、規范法、數值分析法、第三方安全評估和現場監測相結合的方法進行了支護設計和效果評價， 可為類似超限深基坑支護設計提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 基坑邊坡及軌道交通概況

工程位于重慶市主城區嘉陵江南岸，基坑邊坡周邊環境條件復雜，建（構）筑物及管網分布密集。 其中北側基坑邊坡長125m，最大高度19m，為土質基坑邊坡，基坑側壁主要為雜填土、粉質黏土，支護結構距離既有軌道交通約26m，位于軌道交通保護區內，距離濱江路約15m，距離嘉陵江約70m，詳見圖1。

圖1 基坑支護設計典型剖面圖

既有軌道交通為跨坐式單軌，工程段采用高架橋，群樁基礎，四樁承臺，樁基礎直徑1.2m，長約30m，嵌入中風化巖體深度4m。

1.2 邊坡工程地質條件

場地位于嘉陵江南岸，原地形為河岸陡坡地帶，基巖面向嘉陵江傾斜，坡度約25°～40°，修建濱江路時已回填平整。邊坡覆蓋層為第四系全新統人工雜填土層（Q4ml）、沖洪積粉質黏土層(Q4al+pl)，厚度18～28m，下伏基巖為侏羅系中統沙溪廟組泥巖夾砂巖。 受長江三峽大壩調度影響， 嘉陵江常年水位在145～175m 之間波動， 設計洪水位按五年一遇洪水位184.88 m 考慮，基坑底部高程為169.50m。基坑邊坡第四系松散孔隙水（潛水）豐富，與嘉陵江水位聯系密切。

1.3 巖土參數取值

邊坡安全等級為一級，為臨時基坑邊坡，使用年限為2 年，穩定安全系數取1.25。 其余參數詳見表1。

表1 邊坡巖土體參數

重慶地區通常采用粉質黏土的直接快剪強度指標計算填土沿巖土界面或粉質黏土界面滑動的穩定性及剩余下滑力，因此地勘報告往往只提供粉質黏土直接快剪強度參數。 該工程的粉質黏土為正常固結土，采用直接快剪強度指標計算的土壓力明顯偏保守和不經濟，且與文獻[2-3]要求也不一致。

（4） 支護結構位置巖土界面陡傾的問題

基坑邊坡原地形為河岸陡坡，基巖面起伏大，達25°～40°，局部為陡坎，且存在孤石和漂石，可能導致支護樁的設計嵌固位置與實際不一致或誤將孤石和漂石誤判為基巖，存在較大的安全隱患。

（5） 變形控制問題

工程支護結構樁頂允許位移為30mm， 軌道交通管理部門要求運營中墩臺的水平、豎向最大可調位移按5mm 控制，常規設計方法只能獲得支擋結構自身內力和變形情況，軌道結構的變形卻不得而知。

2 設計問題探討及支護方案的確定

2.1 主要風險點及技術難點分析

（1） 基坑邊坡破壞后果嚴重：坡頂存在軌道交通、濱江路、箱涵、管網等重要保護對象，支護結構的可靠性及變形控制要求嚴格。

（2） 基坑邊坡高度大、工程地質條件差：邊坡高度達19m，放坡條件有限；原始地貌為河岸陡坡地帶，基巖面向嘉陵江傾斜，修建濱江路時已回填平整，現狀主要為松散雜填土層、沖洪積粉質黏土層，厚度18～28m。

（3） 水文地質條件復雜：松散雜填土為強透水層，基坑坑底比設計洪水位低15.32m，水壓力大，對止水帷幕的要求高。

2.2 設計過程中的問題

（1） 地下水控制問題

基坑邊坡面臨地下水豐富、設計水頭大且工程地質條件復雜等突出問題， 因此地下水控制問題為本次設計的關鍵問題之一，然而在重慶地區雜填土層和含孤石的粉質黏土層中實施止水帷幕少有經驗可循。

（2） 支護形式選擇問題

坡頂具有重要構筑物的土質邊坡，重慶地區通常采用抗滑樁或抗滑樁+預應力錨索兩種支護形式。 該工程基坑邊坡高度17～19m，若采用抗滑樁，懸臂長度過大，會導致樁頂位移偏大，樁的可靠性降低且造價高；基坑邊坡原地形為河岸陡坡，基巖面整體向嘉陵江傾斜，預應力錨索不能以中等風化基巖作為錨固段，因此抗滑樁+預應力錨索的結構型式也不適用。

（3） 粉質黏土抗剪強度參數取值問題

2.3 解決措施

（1） 針對問題（1）和問題（2），筆者通過調查研究、比選和類似工程經驗，最終提出了采用“門字形雙排樁+樁間兩排高壓旋噴樁止水帷幕”的聯合支擋結構[4]。 “門字形雙排樁”和“止水帷幕”在重慶基坑邊坡中應用較少，但沿海地區應用較多。 “門字形雙排樁+樁間兩排高壓旋噴樁止水帷幕”的聯合支擋結構，在借鑒相關經驗的基礎上，又與沿海地區雙排樁明顯不同： ①該工程基坑底部以下存在強度較高的基巖，嵌固段位于中等風化基巖時可提供較大的水平承載力，這與沿海軟土地區雙排樁結構迥異；②沿海地區雙排樁和止水帷幕一般各為一個體系，本次設計將高壓旋噴止水帷幕設置在門字形雙排樁中間，形成共同支擋體系，其不僅能明顯增大支護結構的水平剛度、降低內力，還能較好控制基坑變形、降低造價，并具備結構可靠、施工工期短等優點。 該設計與樁錨體系相比，工期更短，工期風險較低；與內支撐相比，造價更低，省時省力，施工更簡單。

（2） 針對問題（3）和問題（4），考慮到保護對象的重要性及相關規范[5]的要求，設計提出對支擋結構位置的旋挖成孔灌注樁進行超前地質鉆探（間隔1 根樁實施1 個鉆孔），并將其提前至施工圖設計階段實施， 重新采取試樣質量等級為Ⅰ級的粉質黏土樣，進行室內天然、飽和固結抗剪強度試驗。 從表2 可知，設計最終采用的粉質黏土固結快剪強度參數明顯高于直接快剪強度參數，相應的土壓力由753 kN/m 降低為555kN/m （以圖1 中的典型剖面為例），減少了26%，工程造價也得到了明顯降低。

表2 粉質黏土直接快剪與固結快剪參數和土壓力對比表

（3） 針對問題（5），該工程除采用常規的理正深基坑軟件計算外，還結合數值模擬分析、第三方安全評估和現場監測進行動態化設計。

（4） 其它關鍵控制措施：①旋噴止水帷幕工藝試驗。 旋噴止水帷幕的施工工藝是確保止水帷幕成功的關鍵，設計要求在施工帷幕前先進行工藝試驗，以確定工藝參數和止水效果；②施工順序確定。 為避免施工擾動對止水帷幕造成破壞，影響止水效果，設計先按“跳樁法”施工支護樁，再施工高壓旋噴樁，支護結構強度達到設計強度75%后才能按“至上而下、分段分層、及時施工樁間擋土板”的逆作法施工順序進行基坑開挖，同時要求選擇嘉陵江低水位期進行支護結構的施工；③監測要求。 具有資質的第三方測量單位對保護對象、邊坡、支護結構進行變形監測，堅持動態設計、信息化施工原則。

2.4 支護方案的確定及內力分析

按照上述解決方法，經分析計算，門字形雙排樁的前排樁和后排樁樁徑均為1.8m，通過剛架梁連接，樁中心距為3m，前排樁與后排樁的排距3.6m，樁嵌入中等風化基巖長度不小于8m；前排樁與后排樁的中間采用兩排有效樁徑不小于1.0m 的高壓旋噴樁止水帷幕相互套接，套接長度0.35m，高壓旋噴樁底部進入中等風化基巖相對隔水層，在空間上圍合成一個閉合的止水帷幕，支護方案見圖1。

前排樁與后排樁的彎矩圖、剪力圖分別見圖2 和圖3，從圖中可知，前排樁彎矩最大值為11596kN·m，剪力最大值為2902 kN，后排樁彎矩最大值為9838 kN·m，剪力最大值為1839 kN。前排樁與后排樁的彎矩和剪力分布趨于一致，證明了門字形雙排樁與兩排高壓旋噴止水帷幕形成了共同的支擋體系，更加協調一致。

圖2 前排樁彎矩圖、剪力圖

圖3 后排樁彎矩圖、剪力圖

3 對既有軌道結構的安全影響及監測分析

3.1 安全影響分析

第三方評估單位針對基坑邊坡支護設計對既有軌道的影響進行了安全評估，基坑邊坡按本次支護設計施工后，基坑邊坡、支護結構及軌道結構的變形圖見圖4、圖5，輕軌樁基礎的彎矩、剪力圖見圖6。 從圖中可知， 門字形雙排樁樁頂最大側向位移為6.5mm，滿足要求；軌道最大側向位移為2.5mm，滿足要求；軌道樁基礎的彎矩最大為117.9 kN·m，滿足要求。 因此該項目在嚴格按設計實施的條件下，對既有軌道結構的正常運營影響小。

圖4 基坑開挖后位移圖

圖5 基坑開挖后雙排樁和輕軌變形圖

圖6 基坑開挖后輕軌樁基礎彎矩圖、剪力圖

3.2 變形監測驗證

工程在施工期間和竣工完成后的兩年內委托了有資質的單位進行專門監測。 監測時間為2017 年3 月2 日—2020 年4 月12日，雙排樁累計水平位移最大值為2.3mm，累計豎向位移最大值為2.2mm，最大側向位移3.2mm；軌道結構累計水平位移最大值為2.3mm，累計豎向位移最大值為2.7mm，最大側向位移3.5mm。從監測結果可知，支護結構和軌道結構的變形均受到了嚴格的控制，支護效果良好。

4 結語

通過基于軌道交通保護的臨江超限深基坑工程實例，在分析邊坡風險點和難點的基礎上， 對設計過程中面臨的地下水控制、支護形式選擇、參數取值、變形控制等問題進行了深入探討，提出了保證軌道交通和超限高邊坡安全的解決方法，然后依據解決方法提出了采用具有重慶地區山地地質特點的 “門字形雙排樁+樁間兩排高壓旋噴樁止水帷幕” 的聯合支擋結構進行支護。 工程于2018 年4 月竣工驗收，目前主體建筑已修建完成，且已采用地下室結構進行了永久性支擋，監測結果也表明支護結構和軌道結構位移得到了較好的控制，達到了設計目標，相關經驗可為類似超限深基坑支護設計提供一定的參考。