深厚軟土地鐵深基坑圍護結構選型及綜合措施與分析

宋元平 盧繼指 李耀華

【摘 要】文章結合武漢軌道交通8號線某地鐵車站深厚軟土深基坑設計的整個階段，綜合考慮深厚軟土地鐵深基坑圍護結構選型涉及的多個具有代表性的環境因素：交通疏解、緊鄰湖泊、臨近地下建構筑物等，闡述深基坑圍護選型的方法及確保安全實施所采取的綜合措施；對深厚軟土深基坑臨近大型箱涵構筑物進行了開挖影響分析，并結合地區經驗提出箱涵變形控制標準和安全保護措施。

【關鍵詞】深厚軟土；地鐵深基坑；地下連續墻；圍護樁；槽壁加固；大型箱涵；基坑偏壓；變形控制標準

【中圖分類號】TU753 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）05-0131-04

0 引言

城市軌道交通建設中常遇到在臨近湖泊的地段敷設地鐵線路的情況，這些地段一般存在深厚軟土地層，地下水豐富且補給充足，不利于地鐵深基坑施工；同時，道路交通疏解、市政綜合管線、沿岸建構筑物等受深基坑開挖的不利影響問題將更加突出。因此，合理選擇適宜的圍護結構及支護方式將非常關鍵，針對基坑所在場地環境采取配套的綜合輔助措施也是工程成功的重要一環；同時，圍護結構選型和輔助措施應充分考慮施工的便利性，提高開挖出土效率。在圍護結構選型過程中，技術、安全、環保、造價、施工等是衡量方案優劣的主要指標。

1 工程概況

1.1 車站概況

武漢8號線某站為地下兩層島式車站。車站結構外包總長約608 m，主體結構采用雙層鋼筋混凝土結構，基坑深度約18 m，標準段基坑寬度約21.3 m。車站主體沿二環快速路珞獅南路段南北向布置，由于站位侵占部分路面，所以車站采用半蓋挖順作法進行施工。車站大里程段東側臨近南湖，小里程段東側及端頭臨近6 m×2 m箱涵，箱涵為磚混結構，屬于對沉降非常敏感的構筑物。基坑周邊場地平面布置圖如圖1所示。

1.2 工程地質、水文地質

1.2.1 工程地質

基坑南段場地通過填湖形成，勘察揭示場地下方存在深厚淤泥層。車站頂板覆土厚度約3.6 m，車站場地范圍地層從上至下依次為1-1雜填土層、1-2素填土層、1-3淤泥層、1-4淤泥質黏土層、1-5黏土層、10-1、10-2粉質黏土層及下覆14a、14b巖層等。車站底板主要位于10-1、10-2地層，部分位于1-5地層。

1.2.2 水文地質

車站場地緊鄰南湖，場地內地下水按賦存條件及水力學性質，主要為潛水、上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。

（1）潛水水位基本與南湖水位一致，標高為18.50～19.30 m，其水位一般情況下隨南湖漲落而變化。

（2）上層滯水：上層滯水主要賦存于場地上部人工填土中，勘察期間實測場地上層滯水靜止地下水位埋深為1.50～3.00 m，標高為17.62～20.02 m。上層滯水對擬建工程基坑開挖施工影響較小。

（3）孔隙水：承壓水主要賦存于10-2a黏土夾碎石層、14a弱膠結含砂黏土巖及14b弱膠結砂巖層中，水位埋深為4.20～5.50 m，標高為15.94～17.17 m，建議承壓水位按17.17 m考慮。

（4）基巖裂隙水：基巖裂隙水主要賦存于下部基巖孔隙、裂隙及破碎帶中，主要接受其上部含水層中地下水的下滲及側向滲流補給。基巖裂隙水與承壓水呈連通關系，對基坑工程施工有一定影響。

（5）場地地下水對混凝土結構、鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性；土對混凝土結構具有微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性。

1.2.3 不良地質

地鐵車站基坑范圍內主要不良地質作用為淤泥及淤泥質土軟弱土層厚度較大且層厚變化較大，基坑開挖時易造成圍護結構變形較大、臨近地下構筑物變形損壞。

2 圍護結構選型及支撐體系的設計

2.1 圍護結構綜合比較與總體選型

軌道交通工程線路通常沿城市繁華主干道敷設，地鐵基坑深度一般在10 m以上，施工期間需要綜合考慮管線遷改、交通疏解及周邊建構筑物的保護等，因此目前應用最為普遍的圍護結構主要有兩種，即地下連續墻與鉆孔灌注樁，這2種圍護結構各有優缺點和適用范圍（見表1）。根據基坑所處場地工程、水文地質、周邊環境及地下管線等條件，對照表1可以比選出較為適宜的圍護結構，該過程屬于概念設計范疇，對整個基坑支護方案的合理性具有決定性的意義，是基坑圍護結構設計成功與否的關鍵。

上文所述車站規模較大，周邊環境較為復雜，應根據車站場地工程及水文地質情況、周邊環境等條件擬定合適的圍護結構，達到技術合理、安全環保；還應根據不同的條件，分區段比選不同的圍護結構，達到總體造價合理的綜合效益。同時應注意基坑支護的對稱性與整體性，避免形成較大偏壓和剛度不均。

車站地質條件較差，軟弱土層厚度大且分布不均，宜采用剛度和整體性較好的圍護結構。車站東側：大里程段緊鄰南湖，為了達到較好的止水效果，選擇地下連續墻作為圍護結構較為合理；而東側小里程段大斷面箱涵距離基坑凈距約3 m，為了控制基坑開挖變形及有效保護箱涵，應選擇剛度和整體性較好的地下連續墻作為圍護結構。車站西側：大里程端部臨近南湖水域，該范圍擬采用連續墻；西側其余部位理論上可以采用較為經濟的鉆孔灌注樁+樁間止水帷幕的圍護結構，但實際勘察顯示，西側基坑壁范圍淤泥層更厚，且分布范圍廣，為了兼顧基坑剛度及受力對稱，較好地保護箱涵，最終選擇采用地下連續墻。綜上所述，在總體上，本站采用地下連續墻的圍護結構更為合理。

2.2 地下連續墻墻厚及支撐布置方案比選分析

2.2.1 計算取用地層物理力學參數

計算涉及地層及其物理力學參數詳見表2。

2.2.2 地下連續墻墻厚及支撐方案

本站基坑重要性等級為一級，要求基坑支護結構最大水平位移≤40 mm；BH-6 000 mm×2 000 mm排水箱涵段基坑支護結構水平位移不大于30 mm。根據以往類似工程經驗，初步擬定連續墻厚度為800～1 000 mm。連續墻墻厚及支撐方案的具體確定主要考慮圍護結構變形控制、連續墻含鋼量等因素，在確保安全的情況下，合理控制造價。臨近箱涵段圍護結構變形控制標準較嚴，同時該段西側為淤泥深厚段，因此該段支護方案應加強，即為圍護結構加強段（如圖2所示）。

據此，擬定了以下備選方案組合：

（1）方案一：臨近箱涵-深厚軟土加強段，采用800 mm厚連續墻+5道內支撐；其他段采用800 mm厚連續墻+4道內支撐。

（2）方案二：臨近箱涵-深厚軟土加強段，底板以上坑內被動區軟土采用攪拌樁適當加固，提高被動區地層參數。基坑均采用800 mm厚連續墻+4道內支撐。

（3）方案三：臨近箱涵-深厚軟土加強段，采用1 000 mm厚連續墻+4道內支撐；其他段800 mm厚連續墻+4道內支撐。

以上方案不同之處是圍護結構加強段的支護方法，因此重點對該部位進行比較分析。圍護結構按施工過程采用增量法進行分析，分別采用天漢基坑設計軟件（V2015）版與理正深基坑軟件7.0版，分段選取最不利鉆孔進行分析計算（如圖3、圖4、圖5所示）。

方案一對比計算顯示，深厚軟土側計算結果對圍護加強段起控制作用，方案二、方案三將給出深厚軟土側計算結果（如圖6、圖7所示）。

通過分析計算結果可知，上述3個方案均能滿足要求。方案一加強段采用800 mm連續墻，較為經濟，但連續墻配筋率較大，需要采用并筋的形式配置鋼筋；基坑豎向設置5道內支撐，支撐在豎向較密，施工不便，效率較低。方案二充分利用增量法原理，對坑內被動區軟土進行加固，提高被動區參數，可有效控制圍護結構變形；攪拌樁加固將增加較多費用，相對方案一造價較高；攪拌樁加固后便于機械在基坑內開挖施工，提高開挖出土效率。方案三連續墻墻厚采用1 000 mm，造價最高；但圍護結構剛度大，采用4道內撐，利于施工。

方案二兼顧了造價與工期，但其實際效果難以估量，實踐經驗也較少，根據武漢地區其他個別類似深厚軟土基坑的使用效果來看，如果嚴格實施施工，能夠較為有效控制變形。應進一步積累應用經驗，應用過程中采取有效的措施切實達到加固被動區的效果。由于交通疏解的影響，車站采用半蓋挖法施工，基坑開挖與出土效率會受到基坑上方鋪蓋路面系統的限制，綜合各方面的因素，在條件允許的情況下，宜推薦采用方案三，特別在初步設計階段，應優先采用方案三。

方案中支撐可根據實際需要采用混凝土支撐或鋼支撐，鋼支撐應采用直徑為800 mm的規格。根據對比計算表明，施加預應力后，鋼支撐剛度也能滿足變形要求，但其整體性不及混凝土支撐，實際使用時可采用2道混凝土支撐+2道鋼支撐的組合。

3 基坑開挖對箱涵的影響與措施

位于基坑東側的6.0 m×2.0 m箱涵距離基坑間距約3.0 m，箱涵為磚混結構，對沉降變形敏感，采用Midas GTS軟件對基坑開挖過程對箱涵的影響進行模擬分析。分析模型中，土層的參數按照土層的物理力學參數取值，連續墻采用混凝土板模擬，剛度則按照實際剛度取值（如圖8、圖9所示）。

根據武漢地區經驗，BH-6 000 mm×2 000 mm箱涵相鄰管節差異沉降控制標準可取不大于50 mm，保護箱涵應從連續墻成槽與基坑開挖2個方面全面考慮。宜優先采用剛度較大的圍護結構，連續墻厚度可取為1 000 mm；對箱涵一側連續墻槽壁進行攪拌樁加固，并在加固體內設置型鋼；在基坑施工過程中，應對箱涵沉降變形進行適時跟蹤監測。

4 結論與建議

在深厚軟土場地開挖地鐵深基坑風險較大，地下水、不良地質等因素均不利于基坑的穩定；軟土深基坑變形較難控制，施工過程中對臨近的建構筑物可能產生不利的影響，因此應擇優選用適宜的圍護結構與支護方案，確保總體方案合理。方案論證是一個多因素的復雜的博弈過程，應力求做到方案技術先進合理、安全環保、造價合理并易于施工等。

（1）工程、水文地質是最重要的基礎資料，應有足夠詳盡的勘察資料支撐圍護結構的比選。場地周邊環境因素如交通疏解、市政管線、臨近建構筑物等也應統籌予以考慮，妥善解決各主要矛盾。

（2）復雜場地條件的地鐵深基坑圍護結構選型需要進行一系列系統而有針對性的比較分析、一定數量的有效數據支撐并不斷優化予以確定，關注主要矛盾，根據實際情況有所側重和取舍。

（3）深厚軟土地鐵深基坑圍護結構變形一般較大，特別在基坑附近存在對位移敏感的建構筑物時，圍護結構變形控制要求更嚴，一般要求圍護結構具有較大的剛度。就側向剛度而言，D1 200 mm@1 400 mm鉆孔灌注樁的等效側向剛度基本與1 000 mm厚的地下連續墻剛度相當，當能采用止水帷幕或坑外降水妥善解決基坑止水問題時，鉆孔灌注樁圍護結構應重點予以考慮。

（4）目前，規范尚未對各種結構的箱涵的變形限值予以明確規定，文中給出的參考值基于武漢地區經驗，當沒有經驗或足夠把握時，可提出比該參考值更嚴的限值。

（5）方案二基坑內部坑壁以上軟土采用攪拌樁加固后，根據增量法原理，理論上確能達到大幅減少變形的效果，天漢深基坑軟件可以模擬這種工況，計算中取用加固體等效內摩擦角參數，該參數可通過加固體設計強度根據規范公式反算得出。但方案二實際效果如何，尚需積累實踐經驗和總結監測數據。

（6）地鐵工程設計階段性很強，每個設計階段關注的重點不一樣，初設階段對圍護結構選型顯得尤為重要，因為圍護結構在總的土建造價中占比較大，而基坑支護方案或措施不當將增加基坑施工的安全風險，所以圍護選型失誤或重視不夠往往后患無窮，初設階段甚至是方案設計階段就理應予以足夠重視。

參 考 文 獻

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[責任編輯：陳澤琦]