機場交通樞紐區(qū)域超深地下連續(xù)墻設計及施工關鍵技術應用

臧小龍

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

深基坑支護是基坑施工的必要環(huán)節(jié)，其主要目的是提高基坑穩(wěn)定性，為后續(xù)基坑開挖以及結構作業(yè)奠定基礎，保證整個施工期間的安全總體穩(wěn)定。上海市域鐵路地下車站設置在人流量大和交通繁忙的地段，深基坑支護設計及施工必須重點考慮交通地段狹小、對鄰近建筑物的影響等限制條件，同時要考慮如何有效縮短施工工期、保護鄰近建筑物的安全，并盡可能減少噪聲。在現(xiàn)代基坑支護工藝研究中，地下連續(xù)墻是一種應用效果良好、技術優(yōu)勢明顯的基坑支護技術，具有堅實緊固、噪聲低、負荷能力強等優(yōu)勢，更適合現(xiàn)代工程施工[1]。本文主要結合地下連續(xù)墻在機場核心區(qū)深基坑施工中的應用，對超深地下連續(xù)墻的設計方法和施工關鍵技術進行應用研究分析。

1 工程概況

機場聯(lián)絡線浦東機場站位于機場主進場干道——迎賓大道正下方。車站為城際列車和市域列車共線?？空荆堑叵露訂螎u加越行站，主體長557 m，寬35 m，總建筑面積約4.6 萬m2。其北側為景觀水池，南側為在建旅客過夜用房，西側為P1 停車庫，東側為磁浮及軌道交通2號線。車站范圍內存在大量涉及機場運營的重要管線，車站上方3 座人行連廊、空港賓館上匝道、長途客運站需要拆除，周邊環(huán)境非常復雜，同時項目施工期間要保證機場運營需求，機場不停航施工要求高。圖1 為浦東機場站平面示意圖。

圖1 浦東機場站平面示意圖

在機場核心區(qū)實施深基坑，施工難度極大。車站主體結構東側距離交通中心最小距離為12.2 m，與磁懸浮樁基礎距離僅26.5 m；西側距離P1 停車庫最小距離為6.5 m，對周邊環(huán)境保護要求也極高。鑒于周邊環(huán)境保護要求，浦東機場站車站主體劃分為3 個基坑，采用地下連續(xù)墻+內支撐的基坑支護體系。

2 工程地質及水文地質

2.1 工程地質概況

由于車站基坑長達557 m，整個工程南北縱向地質差異較大。場地北端為正常沉積區(qū)，南端為古河道沉積區(qū)，在整個地墻施工范圍內，根據(jù)地層形成年代、成因類型及工程性質特征，自上而下可劃分為6 個大層和若干亞層。各土層分別為①1層填土層、②3層灰色黏質粉土、③層灰色淤泥質粉質黏土、③T層灰色砂質粉土、④層灰色淤泥質黏土，底板及底以下土層為⑤1層灰色黏土、⑤3-1層灰色黏土、⑤3-3層灰色粉質黏土夾粉土、⑦2層粉砂、⑨層粉砂。

2.2 水文地質概況

根據(jù)地質勘探以及水文資料，該區(qū)域淺層潛水年平均高水位埋深為0.5 m，年平均低水位埋深為1.5 m，承壓含水層主要有⑦1層黏質粉土、⑦2層粉砂、⑨1層粉砂和⑨2層礫砂層，⑦層的承壓穩(wěn)定水位平均埋深為6.68 m。

浦東機場站一區(qū)、三區(qū)地下連續(xù)墻墻趾位于⑦2層粉砂，二區(qū)地墻墻趾位于⑤3-1層粉質黏土。該工程地層受古河道切割影響，南北向地質條件起伏大。淺層②3、③T砂性土較厚，約7 m；④層淤泥質土厚且深，層底埋深19.5～22.5 m；⑥、⑧層缺失，承壓水⑦、⑨層連通。圖2 為地質縱剖面圖。

圖2 地質縱剖面圖

3 設計施工重點考慮因素

（1）緊鄰磁懸浮、地鐵2號線，保護要求高。

該工程車站主體結構東側距離交通中心最小距離為12.2 m，西側距離P1 停車庫最小距離為6.5 m，與磁懸浮樁基礎距離僅為26.5 m（見圖3），距離地鐵2號線約44 m。該工程施工期間必須重點對磁懸浮及地鐵2號線進行保護。

圖3 浦東機場站與磁懸浮位置關系圖（單位：m）

（2）基坑超長超深，設計、施工難度大。

車站規(guī)模為557m×36.2 m（內凈），埋深23 m，與同埋深常規(guī)地鐵車站相比，在長度、寬度、層高、柱網(wǎng)間距方面均偏大，且地質條件較差，基坑開挖范圍內分布有較厚的④1淤泥質黏土層、⑤1灰色黏土層，軟弱土層厚度大，基坑變形較大。表1 為磁懸浮基礎變形控制標準。

表1 磁懸浮基礎變形控制標準

該工程地下連續(xù)墻施工數(shù)量大、技術要求高、耗費時間長，根據(jù)現(xiàn)場場地移交情況以及場內交通組織需要，必須采取多點面施工組織等措施。

4 地墻結構設計

4.1 地墻結構參數(shù)設計

（1）地墻長度

由于車站范圍內⑦層與⑨層連通，圍護結構無法隔斷承壓水，為減小降承壓水對磁浮的影響，根據(jù)各分區(qū)降水情況，通過增加地墻長度來增加繞流路徑，從而減小降壓對環(huán)境的影響。經(jīng)對基坑開挖對磁浮樁基變形的影響進行分析，地墻長度取60～75 m，基坑開挖磁浮樁基產(chǎn)生的最大變形約1.1 mm。

（2）地墻厚度

項目基坑標準段開挖深度約23 m，端頭井段開挖深度約25 m。根據(jù)本結構驗算結果，并參考已建成車站的類似案例以及周邊環(huán)境保護等級，項目基坑標準段采用1 000 mm 厚地墻，端頭井段采用1 200 mm厚地墻。

（3）支撐設計布置

基坑較普通車站寬，沿基坑深度共設置6 道支撐，其中第一、三、五道為鋼筋混凝土支撐（第三道混凝土支撐按留撐設計），鋼支撐均采用φ800 mm×20 mm鋼管撐[2]。為控制基坑變形，降低對周邊環(huán)境的影響，第四、第六道鋼支撐采用伺服系統(tǒng)，伺服預加力按鋼支撐標準值70%考慮。平面布置上，鋼筋混凝土支撐水平間距為7～8.5 m，鋼支撐水平間距為2～4 m。

（4）地基加固設計

車站基坑坑底位于⑤1灰色黏土中，坑底以上淤泥質黏土層厚約13 m，從第三道混凝土支撐至坑底下5 m 實施三軸攪拌樁裙邊加固，混凝土支撐下2 m采用高壓旋噴樁抽條加固，加固土體28 d 無側限抗壓強度不小于1.0 MPa。

地下連續(xù)墻平面和剖面示意見圖4、圖5。

圖4 地下連續(xù)墻平面示意圖

圖5 地下連續(xù)墻剖面示意圖

4.2 圍護墻體結構驗算

4.2.1 地墻結構內力及變形計算

（1）計算模型

采用彈性地基梁法進行地墻結構內力及變形計算。

（2）計算參數(shù)

土加權天然重度——γ=18 kN/m3。

鋼支撐——φ800 鋼管（t=20 mm），φ609 鋼管（t=16 mm）。

土彈簧——考慮“時空效應”的經(jīng)固化后的土彈簧剛度。

地面超載——20 kN/m2（基坑施工階段）。

側向荷載——采用水土分算結果。

（3）計算結果

地下連續(xù)墻最大彎矩Mmax=1 945 kN·m/m，最大剪力Qmax=1 269 kN/m，最大側向位移為30.6 mm，小于0.14%H0=31.8 mm，滿足一級基坑側移控制要求。圖6 為圍護結構計算包絡圖。

圖6 圍護結構計算包絡圖

（4）基坑穩(wěn)定性計算

為確?；庸こ痰陌踩?，在充分考慮土層、支護墻、支撐體系三者的“時空效應”前提下，根據(jù)地基加固和其他土層的力學指標，按照相關規(guī)范進行了圍護結構的抗傾覆、整體穩(wěn)定及基底土體的抗隆起等驗算，驗算結果見表2。

表2 圍護結構基坑穩(wěn)定性驗算

從表2 可以看出，基坑各項指標均能滿足基坑開挖的穩(wěn)定要求。

4.2.2 對磁懸浮的影響分析

磁懸浮為運營線，其對沉降、變形極為敏感，車站主體基坑距離磁浮樁基最近距離約26.5 m，該范圍內磁懸浮基礎采用450 mm×450 mm 方樁或φ600 mmPHC 管樁，方樁樁長約34 m，管樁樁長約60 m，樁端均進入⑦2粉砂層。

（1）計算模型

為分析浦東機場站基坑開挖對磁懸浮的影響，設計采用有限元分析軟件PLAXIS-3D 進行三維有限元整體建模分析?；炷林尾捎昧簡卧M，鋼支撐采用錨桿單元模擬，承臺采用板單元來模擬，地下連續(xù)墻采用板單元來進行模擬，磁懸浮樁基則用嵌固樁單元模擬，可以有效模擬樁側摩阻力和樁端承載力。 圖7 為三維整體計算模型示意圖。

圖7 三維整體計算模型示意圖

（2）基坑計算結果

通過有限元數(shù)值模擬可以看出，當基坑開挖時，磁浮承臺最大沉降值為0.79 mm，同一承臺不均勻沉降最大值為0.26 mm，前后承臺差異沉降量最大值為0.23 mm，橫向（Y 向）最大偏移值為1.885 mm，前后承臺差異偏移量最大值為0.415 mm，各項指標均滿足基坑開挖期間周邊環(huán)境的保護要求。圖8 為基坑開挖引起的豎向變形云圖，圖9 為基坑開挖引起的水平向變形云圖，表3 為基坑開挖引起的磁懸浮附加變形值。

表3 基坑開挖引起的磁懸浮附加變形單位：mm

圖8 基坑開挖引起的豎向變形云圖

圖9 基坑開挖引起的水平向變形云圖

5 地墻主要施工要點分析

5.1 成槽施工

由于項目南北地質差異較大，地墻設計深度為57～75 m，綜合考慮地質情況、墻體深度、厚度和精度指標要求，項目施工主要采用液壓抓斗式成槽機和雙輪銑槽機兩種類型機械，其中銑槽設備采用德國進口的雙輪銑槽機。銑槽施工階段，一期槽段采用三銑成槽，直線幅先兩邊后中間，轉角幅先短邊后長邊，中間留土厚度不小于600 mm；二期槽段采用純銑成槽。成槽設備選型見表4。

表4 成槽設備選型

（1）銑槽機掘進時，必須做到穩(wěn)、準、輕放、慢提，確保成槽垂直度不大于1/1 000。成槽過程中通過銑槽機配置的垂直度儀表以及液壓糾偏系統(tǒng)控制液壓糾偏板，對垂直度進行糾正[3]。該工程淺層土為路基填土及雜填土，為確保墻體整體垂直度，一期槽段采用抓銑結合的方式，0～6 m 范圍采用液壓抓斗成槽機進行成槽施工。

（2）具體施工時，采用導向板定位+導向架工藝，保障施工精度。一期槽澆筑前，將導向板插入兩側端頭位置，待一期墻澆筑完成一段時間后將導向板拔出；二期槽段施工前，設置導向架，確保對二期槽進行精確定位。同時，在一期墻鋼筋籠兩側每隔3 m 安裝400 mm 的PVC 管，作為一期槽段鋼筋籠限位裝置，防止二期槽段銑槽施工過程中銑削到一期墻鋼筋籠，損壞設備。圖10 為套銑接頭成槽施工照片。

圖10 套銑接頭成槽施工

（3）根據(jù)施工期間的統(tǒng)計分析，一期槽段成槽時間通常為20～40 h，二期槽段普遍為15～30 h。二期槽在具體成槽時間上受一期槽混凝土齡期影響，一期墻養(yǎng)護的強度過高會導致二期槽切削時間過長，容易導致槽壁坍方，對周邊環(huán)境保護也會造成不利影響。該工程結合施工場地布置及施工工序安排，在兩側一期槽澆筑完成7～10 d 后進行二期槽段施工。

5.2 泥漿系統(tǒng)

銑槽過程中，泥漿系統(tǒng)具有護壁、攜碴、冷卻機具和切土潤滑等重要作用，泥漿的使用事關整個地墻的成敗，因此泥漿的質量至關重要。根據(jù)項目土層地質情況及以往地下連續(xù)墻施工經(jīng)驗，結合試成槽施工，該工程新制泥漿采用表5 中配合比。泥漿拌制24 h 后充分水化方可使用。

表5 新漿配合比參數(shù)表

（1）泥漿原材料主要為水和膨潤土，添加純堿（Na2CO3）使鈣基膨潤土轉化為鈉基膨潤土，改善鈣基膨潤土的水化能力。配制泥漿采用的增黏劑均為CMC（羧甲基纖維素鈉），以提高泥漿黏度，提高泥皮形成性能。新拌制泥漿比重整體較為穩(wěn)定，基本控制在1.05 g/cm3左右，黏度為25～35 s（見圖11）。

圖11 地下連續(xù)墻新漿黏度及泥漿比重統(tǒng)計

（2）地下連續(xù)墻銑槽施工中，由于槽壁泥皮的形成，泥漿中膨潤土、純堿和CMC 等成分會不斷消耗，地下水、泥渣、混凝土等不斷的侵入，也會使泥漿受到污染而變質。因此，要對循環(huán)使用的泥漿進行分離凈化和再生處理，盡可能提高泥漿的重復使用率。泥漿使用過程中要不斷對其性能指標進行檢測，一般每個臺班檢測一次。泥漿性能指標應滿足表6 要求。圖12 為地下連續(xù)墻循環(huán)漿黏度及泥漿比重統(tǒng)計。

表6 泥漿性能表

圖12 地下連續(xù)墻循環(huán)漿黏度及泥漿比重統(tǒng)計

（3）泥漿多次使用后，混入了許多無法分離的細小泥沙顆粒，致使泥漿的比重、黏度、含砂率等不達標，該部分泥漿應作廢漿處理。廢漿全部先集中排入廢漿池，廢漿經(jīng)泥漿固化系統(tǒng)固化后再進行外運。泥漿工廠總容量按單日成槽量的2.5 倍考慮，可滿足該工程銑槽施工的泥漿需求。

（4）該工程銑槽涉及砂層厚，如果泥漿黏度過小，循環(huán)漿攜帶泥砂能力降低，會造成除砂機除砂不充分，循環(huán)漿各項數(shù)據(jù)難以滿足要求，導致廢漿率高。泥漿黏度過大，影響地下連續(xù)墻施工進度，后續(xù)會出現(xiàn)夾泥現(xiàn)象。經(jīng)施工對比分析，控制循環(huán)漿黏度28 s左右，能較好地滿足該工程地下連續(xù)墻施工需要，可將一期槽段廢漿率控制在約50%，二期槽段因需切削混凝土，總體廢漿率約90%。

5.3 刷壁清基

成槽結束后，為把沉積在槽底的沉碴清除，需要對槽底進行清槽，以提高地下連續(xù)墻的承載力和抗?jié)B能力，提高成墻質量。沉渣過多時，會使鋼筋籠插不到設計位置，降低地下連續(xù)墻的承載力，增大墻體的沉降。

（1）對于后施工槽段采用履帶吊+特制鋼絲刷子進行刷壁，刷壁次數(shù)不小于20 次，每上升一次清除一次刷子上的淤泥，直到鋼絲刷上不再有泥為止[4]。刷壁結束后應立即進行清基和泥漿置換，套銑接頭槽段內泥漿應進行100%置換。

（2）套銑接頭地墻槽段采用雙輪銑槽機自帶的反循環(huán)泥漿泵進行清基和換漿，新漿或調整后的循環(huán)漿從供漿管自槽段頂部補充，舊漿由銑槽機反循環(huán)泵從槽底吸出，存入循環(huán)泥漿池，確保清基后的沉渣厚度控制在10 cm 以內。該工程砂層厚，應適當加長清基時間，保證清底換漿的徹底性。

（3）用泥漿分離系統(tǒng)對回收泥漿進行分離，分離后泥漿應經(jīng)過檢測，合格的泥漿繼續(xù)循環(huán)使用，不合格的作廢棄處理。

5.4 鋼筋籠制作及吊裝

（1）該工程地下連續(xù)墻鋼筋籠重量達100 t，最長約75 m。受機場區(qū)域60 m 限高管制，該工程地下連續(xù)墻鋼筋籠采用同胎制作，分節(jié)吊裝。鋼筋籠分節(jié)吊裝及對接質量控制是鋼筋籠施工的重中之重。

（2）鋼筋籠吊裝對接采用機械連接，對接采用長短絲接頭，對接完成后短絲外露不超過3 絲，對接過程中使用千斤頂對下節(jié)鋼筋籠水平高度進行微調，輔助對接（見圖13），節(jié)省對接時間，保證鋼筋籠對接的質量、安全、效率。

圖13 鋼筋籠對接使用千斤頂進行輔助

（3）根據(jù)現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)，一期槽鋼筋籠對接吊裝時長控制在4 h，二期槽段鋼筋籠吊裝對接時長控制在2.5 h 左右，能有效避免成槽后擱置時間過久引起的槽壁坍塌。

5.5 混凝土澆筑

（1）對于超深地連墻而言,混凝土澆筑質量的控制是圍護結構能否滿足要求的關鍵，為避免槽壁坍塌或沉渣過厚，在鋼筋籠吊放完成后應及時灌注混凝土,間隔不宜超過4 h。

（2）混凝土澆筑采用定制導管，導管直徑300 mm，導管壁厚不宜小于4 mm。使用前進行水密性試驗，試驗壓力不宜小于1.5 MPa。

（3）一個槽段內同時使用兩根導管灌注，導管的水平布置距離和距槽段兩側端部距離控制在3 m 和1.5 m 以內。初灌時導管下端距離槽底宜按500 mm考慮，導管下口不能有沉渣封口。初灌時必須采用球膽，一次性連續(xù)放料不得中斷，初灌混凝土攪拌車必須滿足20 m3的要求。

（4）導管埋入混凝土深度應為2～4 m，相鄰兩導管間混凝土高差應小于0.5 m，槽段混凝土面應均勻上升且連續(xù)澆筑，澆筑上升速度不宜小于3 m/h，同時不宜大于5 m/h。

（5）根據(jù)現(xiàn)場實際施工統(tǒng)計數(shù)據(jù)，一期槽段混凝土澆筑時間約8 h，二期槽段混凝土澆筑時間約5 h，能有效避免槽底沉渣、槽壁坍塌等現(xiàn)象，減小對周邊環(huán)境造成的影響。

（6）在地下連續(xù)墻混凝土達到設計強度后，開始壓入水泥漿，注漿壓力不宜超過2 MPa，每根注漿管水泥用量不少于2 t。適當控制壓漿量，不僅能使槽底沉渣很好地固結，還能明顯提高地墻的承載力，降低沉降量。

6 成墻效果

地下連續(xù)墻成槽過程中采用超聲波檢測，確保槽段的垂直度，施工過程中每幅槽段每25 m/50 m/65 m（75 m）進行一次垂直度超聲波檢測。經(jīng)檢測，地下連續(xù)墻成槽垂直度均滿足1/1 000 的要求（見圖14）。

圖14 地下連續(xù)墻成槽垂直度統(tǒng)計（單位：幅）

實施過程中，通過適時調整泥漿比重、加強各工序之間的搭接、嚴格控制單幅墻的施工時間等措施，確保地下連續(xù)墻的施工質量。從實際實施效果來看，地下連續(xù)墻澆筑混凝土充盈系數(shù)平均控制在1.04 左右。地墻施工完成后，進行了墻身完整性檢測，其結果均符合設計要求。

基坑開挖后，地墻墻面無鼓包、滲水等異常情況（見圖15），同時基坑開挖過程中，做到了快挖快撐,控制好連續(xù)墻的變形，從而有效地控制了接縫滲漏水的情況，確保了基坑及周邊建構筑物安全。

圖15 基坑開挖面墻體情況

7 結 語

本文結合上海機場聯(lián)絡線浦東機場站超深基坑施工的工程實踐，重點研究了深基坑地下連續(xù)墻支護結構的設計和施工關鍵技術。采用地下連續(xù)墻+內支撐體系是目前地鐵車站深基坑支護的主要設計形式，但位于復雜城市交通樞紐區(qū)域進行超深地下連續(xù)墻施工，既要確?；颖倔w的穩(wěn)定安全，又要保證基坑周邊建筑物、市政基礎設施變形控制在保護要求范圍內，對地下連續(xù)墻的設計及施工提出了非常高的要求。項目在設計階段進行了針對性的模型分析，提出設計構造措施，對變形進行模擬驗算；在地下連續(xù)墻施工階段，在成槽施工、泥漿配置、鋼筋籠制作吊裝、刷壁清基及混凝土澆筑等方面指出關鍵控制點，通過合理工序搭接，嚴控各項工序作業(yè)時間和施工質量，最終實現(xiàn)了保護周邊環(huán)境的目的。