上軟下硬復(fù)合地層地鐵豎井支護(hù)體系設(shè)計(jì)分析

丁 倉(cāng)

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京）

引言

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程發(fā)展，城市交通壓力凸顯，為解決城市交通擁堵問(wèn)題，我國(guó)城市加大軌道交通投資建設(shè)，截至2022 年末，我國(guó)開通地鐵城市增加到51 個(gè)，運(yùn)營(yíng)線路和在建線路都急劇增加，新建地鐵線路下穿既有線路情況越來(lái)越多，為避讓既有線路，新建線路通常埋深較深，主城區(qū)內(nèi)地面交通壓力大，周邊環(huán)境復(fù)雜，暗挖車站越來(lái)越多，青島、大連等沿海城市上軟下硬復(fù)合地層對(duì)于暗挖車站豎井[1]支護(hù)設(shè)計(jì)提出更多要求。趙文強(qiáng)[2]采用彈性抗力法與等效被動(dòng)土壓力法對(duì)青島上軟下硬巖層上部樁撐，下部鋼管樁+錨索支護(hù)體系對(duì)進(jìn)行分析。胡義生[3]采用彈性支點(diǎn)法分析了“吊腳樁+錨索+巖層放坡噴錨”體系對(duì)于上軟下硬復(fù)合地層適用。劉紅軍[4]等通過(guò)對(duì)上軟下硬復(fù)合地層吊腳樁體系進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，總結(jié)了基坑開挖過(guò)程變形特點(diǎn)。王茂華[5]等結(jié)合青島地鐵車站基坑工程案例闡述了上軟下硬條件下上部灌注樁+錨索，下部鋼管樁+錨索支護(hù)方案。

本文依托青島地鐵在建某暗挖車站豎井，主要研究上軟下硬復(fù)合地質(zhì)條件下豎井支護(hù)體系，并利用有限元模型和實(shí)施監(jiān)測(cè)手段分析該支護(hù)下，豎井變形及對(duì)周邊管線及建筑物的影響。為類似地質(zhì)及環(huán)境條件下的豎井支護(hù)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 工程概況

依托青島5 號(hào)線某在建暗挖車站豎井工程，車站為暗挖地下兩層11 m 島式站臺(tái)車站，車站全長(zhǎng)228.5 m。共設(shè)4 個(gè)出入口。車站位于兩條城市主干道十字路口，沿道路路中敷設(shè)，現(xiàn)狀道路寬40 m，周邊主要為寫字樓與商住樓。車站共設(shè)置3 座施工豎井，本豎井位于車站東側(cè)綠化帶內(nèi)，與車站1 號(hào)安全出口永臨結(jié)合設(shè)置。豎井周邊存在中壓燃?xì)夤堋航o水管、大直徑雨污水管線、暗渠及國(guó)際海纜等重要管線，變形控制要求較高。臨近商住樓為地上16 層混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，地下2 層，為樁基礎(chǔ)，樁底位于中風(fēng)化花崗巖，地下車庫(kù)入口距離豎井水平距離最近約25.0 m。總平面如圖1 所示。

圖1 車站豎井施工總平面

2 工程地質(zhì)

場(chǎng)區(qū)地勢(shì)較平整，擬建場(chǎng)地地貌類型為山麓斜坡堆積區(qū)地貌。豎井范圍主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層及上更新統(tǒng)陸相沖洪積粉質(zhì)黏土、含黏性土礫砂，基巖為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶，中風(fēng)化花崗巖及微風(fēng)化花崗巖，受區(qū)域性構(gòu)造作用的影響，巖體局部節(jié)理、裂隙密集發(fā)育，見煌斑巖（χ53）呈脈狀侵入。第16○下層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶局部為砂礫狀揭露層厚0.60～5.70 m。第17○層、中風(fēng)化花崗巖屬較軟巖，巖體完整程度為較破碎。第18○層微風(fēng)化花崗巖屬較堅(jiān)硬巖～堅(jiān)硬巖。地下水類型主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水。第四系孔隙潛水主要含水地層為素填土、含黏性土礫砂。基巖裂隙水主要賦存于構(gòu)造巖、基巖強(qiáng)～中風(fēng)化帶及節(jié)理密集帶中，巖土力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

3 設(shè)計(jì)方案

車站3 號(hào)豎井位于車站東側(cè)綠化帶內(nèi)，根據(jù)周邊環(huán)境及豎井出渣能力要求，井口尺寸為8.0 m×6.0 m，豎井深約27.6 m，豎井場(chǎng)區(qū)地層自上下依次為素填土、粉質(zhì)粘土、含粘性土礫砂層（局部）、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖，豎井自身風(fēng)險(xiǎn)初始等級(jí)為Ⅰ級(jí)，地層特點(diǎn)是上軟下硬。上部第四系土層穩(wěn)定性較差，特別是素填土層由黏性土、砂及塊石等組成，穩(wěn)定性差，透水性強(qiáng)，下部基巖強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性較好。對(duì)于上軟下硬復(fù)合地層，采用單一支護(hù)形式難以適應(yīng)，傳統(tǒng)倒掛井壁法在軟弱地層豎井穩(wěn)定性較差，變形難以控制，施工風(fēng)險(xiǎn)較高。樁（墻）+內(nèi)支撐支護(hù)，硬巖部分成樁難度大，工效較低，工期長(zhǎng)，成本較高。青島地區(qū)對(duì)于上軟下硬深大基坑，采用吊腳樁支護(hù)體系已經(jīng)較多，本豎井結(jié)合吊腳樁支護(hù)體系，充分考慮豎井空間效應(yīng)，采用上部圍護(hù)樁+環(huán)框梁，下部倒掛井壁法錨噴支護(hù)體系，支護(hù)斷面詳見圖2。結(jié)合青島地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算分析，本豎井上部圍護(hù)樁為Ф800@1400，基底嵌入中風(fēng)化巖層2.5 m，環(huán)框梁混凝土結(jié)構(gòu)，截面尺寸1 000 mm×1 000 mm，共設(shè)置3 道，第三道環(huán)框梁兼做下部豎井鎖口圈梁，樁間設(shè)置Ф1000 高壓旋噴樁止水，下部中風(fēng)化豎井井壁噴混300 mmC25 早強(qiáng)混凝土，Ф25 中空錨桿長(zhǎng)度3 m，環(huán)縱向間距2.0 m×2.0 m(梅花形布置)。

圖2 地質(zhì)支護(hù)斷面

4 有限元計(jì)算分析

地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算采用Midas GTS（NX 2017 R1）有限元分析軟件建模分析，根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告中豎井范圍巖土的物理力學(xué)性質(zhì)，在有限元計(jì)算當(dāng)中采用了理想彈塑性材料。模擬計(jì)算模型尺寸選取，兩側(cè)取豎井三倍深度，底部也取三倍豎井深度，利用莫爾- 庫(kù)侖土體模型。模擬計(jì)算時(shí)，采用實(shí)體單位，約束條件兩側(cè)限制水平移動(dòng)，豎向限制水平和豎向兩個(gè)方向。考慮初始地應(yīng)力平衡，忽略構(gòu)造應(yīng)力。豎井開挖過(guò)程通過(guò)軟件提供的“鈍化”來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3～圖5。

圖3 沉降云圖

圖4 建筑變形云圖

圖5 水平位移云圖

模擬計(jì)算時(shí)，豎井采用分層開挖，開挖進(jìn)尺為2 m。開挖軟土豎井地表最大沉降量3.47 mm，開挖硬巖豎井地表最大沉降量3.49 mm。地表變形主要上部軟土開挖時(shí)，下部硬巖開挖對(duì)地表變形影響較小，地面累計(jì)沉降滿足設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)要求。開挖軟土豎井商住樓最大沉降量0.560 mm，開挖硬巖豎井商住樓最大沉降量0.563 mm。地表變形主要上部軟土開挖時(shí)，下部硬巖開挖對(duì)地表變形影響較小，商住樓累計(jì)沉降滿足設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)要求。豎井井壁凈空收斂最大值為3.98 mm，滿足凈空收斂控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本豎井安全等級(jí)為一級(jí)、監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí)、變形控制等級(jí)為一級(jí)。根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》變形控制標(biāo)準(zhǔn)為：（1） 豎井最大水平位移≤0.15%H，且≤25 mm。（2） 地面最大沉降量≤0.3%H且≤30 mm。（3） 樁頂/樁體及樁頂豎向位移限制為±20 mm。（4） 商住樓整體傾斜不超過(guò)0.002，局部?jī)A斜不超過(guò)0.001，累計(jì)沉降不大于20 mm。熱力管、供水管及燃?xì)夤艿扔袎汗芫€累計(jì)沉降值不大于10 mm，變化速率不大于2 mm/d，差異沉降不大于0.25%Lg；雨水管、污水管、暗渠、電力管等一般管線累計(jì)沉降值不大于20 mm，變化速率不大于3 mm/d，差異沉降不大于0.3%Lg。

目前，本地鐵豎井已施工完成，施工過(guò)程未發(fā)生坍塌事故或者變形預(yù)警問(wèn)題。持續(xù)監(jiān)測(cè)半年，地表沉降累計(jì)值為-14.2 mm，樁頂豎向位移累計(jì)值為-2.0 mm，樁頂水平位移累計(jì)值為4.4 mm，樁體水位累計(jì)值為3.5 mm，地下水位變化最大值為±1 470 mm，井壁凈空收斂累計(jì)為10.0 mm，管線沉降累計(jì)值為-7.1 mm，環(huán)框梁軸力最大為1 210 KN，商住樓累計(jì)沉降變形2 mm。豎井自身、周邊高層商業(yè)住宅和管線變形均滿足控制要求。下部硬巖施工段，爆破振速控制較好，對(duì)于住宅樓爆破振速控制在1.0 cm/s 以內(nèi)，在該爆破振速控制下，建筑物也未發(fā)生裂縫，對(duì)周圍居民影響較小。監(jiān)測(cè)分析表詳見圖6。

圖6 隨豎井開挖變形監(jiān)測(cè)表

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，豎井下部倒掛井壁法施工時(shí)，周圍建筑物和管線變形較小，隨著向下開挖，豎井基坑變化趨勢(shì)放緩，變形主要受上部軟土開挖影響，之后設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)上部軟土處吊腳樁措施，加強(qiáng)支護(hù)剛度控制變形。監(jiān)測(cè)第8～第10 周期時(shí)，樁體位移和豎井凈空收斂突變，分析主要為井壁堵水注漿壓力導(dǎo)致，停止注漿后，變形趨于平緩。

6 結(jié)論

對(duì)于上軟下硬復(fù)合地層豎井，結(jié)合地鐵施工豎井開挖深度較深，平面規(guī)整且規(guī)模較小特點(diǎn)，考慮豎井開挖空間效應(yīng)，創(chuàng)新地把明挖基坑開挖與倒掛井壁法相結(jié)合，上部軟弱土層采用灌注樁+混凝土環(huán)框梁，下部硬巖采用倒掛井壁法進(jìn)行錨噴支護(hù)體系。該支護(hù)體系較樁+內(nèi)支撐+止水方案可以優(yōu)化井口尺寸，較樁+錨索方案地層適用性更強(qiáng)，止水效果更好。上部軟弱土層采用灌注樁+混凝土環(huán)框梁，下部硬巖采用倒掛井壁法進(jìn)行錨噴支護(hù)體系可以較好地利用圍巖自穩(wěn)性，同時(shí)可以有效控制施工工期，節(jié)省造價(jià)。結(jié)合數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，樁+環(huán)框梁+錨噴+旋噴樁止水支護(hù)體系安全可靠，對(duì)于上軟下硬復(fù)合地層施工豎井具有較好的適用性。