臨江高承壓水超深基坑支護方案研究

宋建禹

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

在我國濱海或臨江地區，普遍發育著多層厚度穩定的承壓含水層。隨著城市軌道交通的不斷發展，尤其是跨江越河水下隧道的興建，必然出現在承壓水頭高、水量豐富的臨江地區開挖基坑的現象，而對臨江高承壓水基坑選擇合理可行的支護方案一直是工程建設中的難點與關鍵點。

工程實踐中對承壓含水層基坑開挖所采取的措施包括隔水、降壓或坑底加固封底等技術措施[1-9]。上述廣泛采用的3種承壓水處理措施對開挖深度較小、隔水帷幕能完全穿透承壓含水層的基坑工程是適用的，但對高承壓含水層、基坑開挖深度大的復雜基坑工程，則存在著一定的局限性。杭州市穿越錢塘江的過江隧道工作井施工中，因對卵石、圓礫層承壓含水層性質沒有充分地認識，最后導致以減壓降水為主的技術路線無法實施，基坑工程施工被迫改變圍護設計方案[10]；日本東京新豐洲500 kV 地下變電站對其開挖深度約29.2 m的基坑采用了加深地下連續墻圍護結構來完全隔斷承壓含水層坑內外水力聯系的辦法[11]；封底措施主要通過對坑底一定深度范圍內的土體進行加固以提高土體重度及抗剪強度以抵抗承壓水壓力的目的，但由于目前采用的土體加固措施對土體重度及抗剪強度等的改善程度極為有限，故在實際工程中很少采用。

針對高承壓水超深基坑開挖的情況，國外一般采取隔斷或降水+回灌的方法，2000年，東京營團地鐵半藏門線住吉站的高承壓含水層開挖采用了“降水+回灌”的方法，成功完成了基坑深度達37 m的地鐵基坑實施開挖施工。結合隔斷或降水+回灌的思路[12-16]，本文以福州地鐵2號線厚庭站—桔園洲站區間風井為依托，針對高承壓水給臨江超深基坑帶來的設計和施工風險，提出將基坑分2級開挖，其中第1級基坑采用常規隔水干開挖、第二級基坑采用水下開挖及水下素混凝土封底的技術方案，并對該方案實施方法進行理論及實測分析，以期為今后類似工程的設計提供借鑒。

1 工程概況

福州市地鐵2號線厚庭站—桔園洲站區間中間風井位于閩江南港東岸防洪堤與三環快速路之間(見圖1)。風井基坑為矩形，長24.2 m，寬16.3 m，深約41.6 m。風井北側有金山區燃氣中轉站1座，風井圍護外緣離防洪堤約3 m，距離煤氣中轉站約36 m，距離DN400次高壓煤氣管約14.11 m。

圖1 風井位置示意(單位：m)Fig.1 Sketch of ventilation shaft location (unit: m)

1.1 工程地質條件

風井所處場地土層主要以稍密—中密粗中砂和中密—密實(粒徑3～13 cm)卵石層為主。風井基坑土層分布情況具體見圖2，土層物理力學參數見表1。

圖2 風井處土層分布Fig.2 Soil distribution of ventilation shaft

表1 土層物理力學參數Table 1 Physico-mechanical parameters of soils

由圖2可以看出，基坑底以上土層自上而下依次為：〈1-2〉雜填土，平均層4.1 m；〈1-1〉素填土，平均層6.6 m；〈2-4-4〉淤泥夾砂，平均層1.7 m；〈2-5-2〉粗中砂(稍密)，平均層5.3 m；〈2-5-2〉粗中砂(中密)，平均層21.6 m。基坑底以下土層為：〈3-8〉卵石，平均層24.9 m。

1.2 水文地質條件

風井所處的場地地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙承壓水。其中，孔隙潛水的含水介質為填土層，其滲透性差，含水量貧乏，埋深3.40～5.66 m，水位標高3.40～8.13 m；水位受季節及氣候影響明顯，汛期一般發生在4—9月，較大洪水多出現在5—7月，主要接受大氣降水和農田灌溉水的入滲補給。根據水文地質試驗，滲透系數0.3 m/d。

孔隙承壓水場地內均有分布，含水介質主要為粗中砂和卵石層，滲透系數達到55 m/d，滲透性及富水性好；主要接受臨近地下水補給，與烏龍江江水存在直接水力聯系。

1.3 支護結構方案比選

初步設計階段，風井基坑采用了懸掛式支護結構+減壓降水的蓋挖法施工方案，支護形式為1.2 m地下連續墻(兼作疊合墻)+1道混凝土支撐(地面處)+1道鋼支撐(底板與中板之間)；主體為地下5層3跨框架結構,具體見圖3(a)。

鑒于本風井所處的沖淤積地貌特征及場址地面環境因素(緊鄰烏龍江江堤、三環快速路路基以及燃氣中轉站)，因此初步設計方案存在降水施工引起周邊構筑物沉降較大的風險。施工圖階段對距離風井約820 m處桔園洲站降水試驗采集的水文參數如下：單孔涌水量220 m3/h，綜合滲透系數105 m/d。綜合分析考慮本風井距烏龍江更近(約55 m)且與江水水力聯系更為緊密，通過多次研究分析后，將風井建筑方案由初設的地下5層調整為地面1層+地下3層，基坑分2級開挖，第1級基坑為地面至地下3層部分，采用常規降水加內支撐；第2級基坑為地下3層以下部分，采用水下開挖并回填素混凝土，具體見圖3(b)。

(a) 方案1

(b) 方案2圖3 基坑支護和開挖方案(單位：mm)Fig.3 Sketches of support and excavation scheme for foundation pit (unit: mm)

2 支護結構方案設計

2.1 基坑支護結構設計

結合風井基坑周邊環境、地質條件及福州地區慣用的施工方法，本風井基坑支護結構采用1.2 m厚地下連續墻，基坑分2級開挖。

1)第1級基坑從地面開挖至23.6 m深，采用水平封底后降水開挖，內支撐采用5道鋼筋混凝土，具體見圖4(a)。

2)第2級基坑從23.6 m深開挖至41.6 m深，開挖深度為18 m，采用水下分層開挖。要求在開挖過程中，坑內泥漿液面(比重不得小于1.1 g/mm3)高于坑外地下水位在1.5 m以上，具體見圖4(b)。

(a) 第1級基坑剖面

(b) 第2級基坑剖面

圖4基坑支護結構方案示意(單位：mm)
Fig.4 Profiles of foundation pit (unit: mm)

2.2 基坑封底設計

考慮附屬結構修建過程中，第2級基坑結構底部承受的承壓水壓力最大為416 kPa，為保證工程順利實施，通過多方案比選，采用如下措施確保附屬結構施工的安全。

1)第1級基坑開挖前對第2級基坑坑底8 m范圍內的土體采用φ1 100 mm@850 mm三重超高壓旋噴樁進行加固。

2)第2級基坑底水下澆筑4 m厚C35素混凝土，以確保施工井內附屬結構坑底具有足夠抵抗高承壓水的能力。

3)在C35封底混凝土至第1級基坑主體結構底板區域采用水下分層澆筑C20素混凝土，以增加盾構穿越過程中對地連墻的支撐作用，確保整個基坑的穩定與安全；此外，采用C20素混凝土也可降低盾構穿越時切削素混凝土的難度與風險。

2.3 內部結構冷凍法設計

為保證第2級基坑內附屬結構施工的安全，封堵沿隧道推進方向的滲水通道，在鑿除內部C20素混凝土之前，需對附屬結構與區間連接洞門處進行凍結加固[17]，待附屬結構施工完畢，停止凍結，凍結壁徑向有效厚度為1.2 m，縱向有效厚度為1.6 m，具體見圖5。

(a) A-A剖面

(b) B-B剖面

2.4 基坑施工工序設計

合理的基坑施工工序能顯著的改善支護結構受力狀態、減少支護結構變形及由于基坑開挖引起的地表沉降等問題。根據區間風井基坑的特點，采取了如下施工工序。

1)平整場地。施工盾構進出洞端端頭加固、連續墻槽壁加固、導墻、基底加固；澆筑地下連續墻并施工頂冠梁和擋土墻；在第1級基坑開挖前施作降水井進行疏干降水，確保坑內水位降到第1級基坑坑底后由上而下依次分層開挖并及時澆筑腰梁和混凝土支撐，如此循環開挖至23.6 m處，如圖6(a)所示。

2)待第5道支撐達到設計強度后，向坑內灌泥漿；第2級基坑由上而下依次分層水下開挖至設計標高，如圖6(b)所示。

3)對第2級基坑底障礙物、殘留泥砂和地連墻內壁進行清理，確保第2級基坑底無沉渣、地連墻內壁無泥沙殘留。對第2級基坑底水下澆筑4 m厚C35素混凝土；待達到強度后，水下分層澆筑C20水下素混凝土至第1級基坑底；鋪設第1級基坑底板防水層，并由下而上施作第1級基坑內結構底板及內襯墻,如圖6(c)所示。

4)盾構切削含玻璃纖維筋的地連墻穿越風井；待盾構穿越后在風井兩側沿垂直于隧道管片方向布置1圈凍結管，如圖6(d)所示。最后拆除盾構管片并分層挖除活塞下方附屬結構范圍內的加固素混凝土并施作第2級基坑內的附屬結構。

3 支護結構計算結果及分析

3.1 坑底抗突涌穩定性計算

由于第2級基坑采用水下開挖，因此無需驗算坑底抗突涌穩定性；第1級基坑風井采用常規開挖方式且坑底處于強透水的粗中砂，需驗算其抗突涌是否滿足要求。本工程在考慮一定安全儲備的基礎上偏安全地取最高潛水位為8.5 m，承壓含水層頂面至坑底的土層厚度為18 m，承壓水含水層頂面的壓力水頭高度為36 m，水的重度為10 kN/m3，承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度為23 kN/m3，經計算，第1級基坑抗突涌安全系數Kh=1.15，滿足要求。

(a) 開挖至23.6 m

(b) 灌注泥漿并基坑開挖

(c) 澆筑C20水下素混凝土

(d) 布置凍結管

3.2 風井涌水量估算

數值法通過程序化運算可模擬不同復雜條件下的地下水流狀況，能有效解決隔水帷幕、各類邊界等對地下水流動造成的影響。本次借助Visual Modflow軟件進行計算，土層參數見表1。考慮到基坑南側靠近烏龍江、含水層直接接受江水補給，為定水頭補給邊界，通過試算，另外三側的影響范圍可達1 500 m以上，本次計算取1 500 m為定水頭補給邊界，即模擬區范圍為3 000、3 000、60 m(X、Y、Z方向)。考慮到豐水期江水位上漲，定水頭邊界值取標高為+7.0 m。計算模型見圖7。

圖7 有限元網格剖分圖Fig.7 Meshing sketch of finite element model

根據計算結果，在不考慮封底加固的情況下，風井總涌水量約16 000 m3/d，坑外水位降深小于1.0 m；考慮封底，加固體的滲透系數考慮為5 m/d，總涌水量約8 000 m3/d，坑外水位降深最大約0.5 m。結合計算結果，建議坑內布置5口井(4口井抽水，1口井觀測備用)，單井水量2 000 m3/d。

由以上分析可以看出，由于風井緊臨烏龍江，承壓含水層以強透水的粗中砂和卵石為主，地下水補給豐富，采用常規開挖方式無法保證基坑開挖的安全。

3.3 水下素混凝土封底板驗算

原設計從減小基坑開挖深度和鋼筋混凝土較素混凝土受力好2方面考慮，在第2級基坑底板采用0.5 m素混凝土+1 m鋼筋混凝土。施工階段現場反饋封底混凝土板采用鋼筋混凝土存在以下問題：1)鋼筋籠分段沉放安裝搭接質量無法保證；2)混凝土一次性灌注容易引起鋼筋籠上浮。因此，結合計算將底板變更為4 m厚C35素混凝土。

3.3.1 封底板彎矩驗算

經計算，封底素混凝土彎矩值見圖8。

(a) Mxx彎矩

(b) Myy彎矩

由圖8可以看出，封底素混凝土板所需承受的最大彎矩：沿垂直于x軸邊單位長度彎矩Mxx=551.1×1.25=688.9 kN·m；沿垂直于y軸邊單位長度彎矩Myy=1 428×1.25=1 785 kN·m。

其中，截面寬度為1 000 mm、截面高度為3 500 mm、C35素混凝土軸心抗拉強度設計值為0.863 5、截面抵抗矩塑性影響系數為1.201，經計算，彎矩承載力Ms=2 118 kN·m>1 785 kN·m，封底板抗彎承載力滿足要求。

3.3.2 封底板剪力驗算

經計算，封底素混凝土板剪應力值見圖9。

(a) τzx剪應力

(b) τzy剪應力

由圖9可以看出，封底混凝土板沿著xz和yz平面所承受的最大剪應力值分別為243.8 kN/m2和437.8 kN/m2，由此可得沿著xz平面剪力τzx設計值：243.8×3.5×1.25=1 066.7 kN/m；沿著yz平面剪力τzy設計值：437.8×3.5×1.25=1 915.4 kN/m。

其中，C35混凝土軸心抗拉強度設計值為1.57、截面高度影響系數為0.795，經計算抗剪承載力Vs=3 058 kN/m>1 915.4 kN/m，封底板抗剪承載力滿足要求。

3.4 基坑支護結構整體受力計算

考慮到區間風井在水下開挖階段基坑上部豎向支撐間距較密，下部豎向無支撐的情況，因此，采用FLAC3D建立風井基坑開挖三維有限元模型(見圖10)。土體采用實體單元模擬，屈服強度采用Drucker-Prager原則，計算參數見表1；結構構件采用板殼和梁組成的空間結構進行數值模擬；C35鋼筋混凝土的彈性模量E=31 GPa，重度γ=23.5 kN/m3，泊松比ν=0.18。施工階段劃分見表2。

圖10 風井基坑三維有限元模型Fig.10 3D finite element model of foundation pit of ventilation shaft

表2 施工階段劃分Table 2 Division of construction stages

3.4.1 支撐受力分析

8種工況下軸力最大值及出現位置見表3。

表3 施工階段各工況最大軸力統計表Table 3 Statistics of maximum axial force under various working conditions at construction stage

由表3可以看出，在工況1—5，最大拉力均出現在第1道冠梁位置，且隨著開挖深度的增加而增大，在工況5處達到極大值124.8 kN；隨著基坑水下開挖的進行，在工況6(見圖11(a)和(b))處第5道橫撐出現最大拉力11 528.6 kN，經分析，出現該種情況是由于基坑灌水后圍護結構收斂變形回彈引起的；由圖11(c)可知，在工況6下第4道支撐也出現受拉現象，最大為2 985 kN；工況1—4道支撐未見受拉現象；各工況下最大壓力出現在工況5的第4道橫撐上，大小為-4 587.9 kN。

(a) 5道支撐軸力

(b) 第5道支撐軸力

(c) 第1—4道支撐軸力

分析各工況支撐扭矩和彎矩變化，可以看出扭矩極值出現在工況6的第5道支撐腰梁處，大小為286.1 kN·m(見圖12(a))；彎矩極值出現在工況6的第5道橫撐位置，大小為561.6 kN·m(見圖12(b))。

(a) 工況6第5道支撐腰梁扭矩

(b) 工況6第5道橫撐彎矩

圖12工況6第5道支撐扭矩和彎矩(單位：kN·m)
Fig.12 Nephograms of torque and bending moment of 5th support in condition No.6 (unit: kN·m)

3.4.2 地下連續墻內力和變形分析

地下連續墻在工況5三維狀態下的變形及彎矩分布情況如圖13所示。

(a) 工況5水平位移(單位：m)

經分析表明，區間風井地下連續墻墻體位移和彎矩最大值均出現在工況5階段。由圖13可以看出，其大小分別為7.45 mm和2 297.33 kN·m，兩者均大于水下開挖完成(4.53 mm和1 311.14 kN·m)和基坑排水完成(5.72 mm和1 311.14 kN·m)。由此說明基坑在水下開挖完成階段所采取的坑內液面高于坑外地下水位和排水完成階段采取的水下澆筑素混凝土，起到了抵消坑外的水土壓力、改善地下連續墻受力的作用。

地下連續墻彎矩、剪力及變形在二維和三維計算中極值對比見表4。

由表4可以看出，考慮地下連續墻三維整體受力時的彎矩、剪力、變形比僅考慮平面桿系時均有較明顯的減小；其中墻體變形減小幅度最大為83%。綜合考慮風井基坑屬于超深、緊鄰補給源、存在巨厚粗中砂和卵石承壓含水層且周邊環境保護要求高等特點，最終確定本基坑設計以二維和三維結果包絡為準。

3.4.3 支護方案總體性評價

從上述計算結果以及現場監測數據可知，地下連續墻、鋼筋混凝土冠梁、腰梁以及支撐在施工過程中的受力狀態較好，能夠保證結構的整體穩定性。其主要缺點在于需在49.6 m深卵石層中采用超高壓三重管旋噴樁加固地層和水下澆筑18 m厚的混凝土，兩者施工參數及技術要求較高，且后期待盾構出洞后需在C20混凝土中施作附屬結構，破除混凝土的工作量比較大。

4 實測結果

結合數值模擬分析結果，確定了支護結構尺寸和配筋、封底板厚度及基坑施工順序，厚庭站—桔園洲站區間風井基坑支護結構施工已于2017年5月順利完成，并在實際開挖過程中對風井基坑進行了監測，結果見圖14和圖15。

圖14 第1級基坑混凝土支撐最大軸力歷時曲線Fig.14 Time-history curves of maximum axial force of grade 1 concrete support of foundation pit

圖15 位移累計變化量歷時曲線Fig.15 Time-history curves of accumulative displacement

由圖14可以看出，風井基坑在開挖過程中，第1道混凝土支撐受壓和受拉均有出現，其中以受壓為主，最大壓力1 865.2 kN，最大拉力為-1 118.1 kN；第2、3、4道混凝土支撐均受壓，最大值為4 386.5 kN，出現在第4道混凝土支撐位置，時間為2016年11月8日，即開挖第5道混凝土支撐期間；第5道混凝土支撐在基坑開挖過程中均受拉力，最大值為-8 718.6 kN，出現在2017年1月3日水下開挖過程，此處與數值模擬結果較吻合。

由圖15可以看出，隨著風井基坑開挖深度的增加，地表沉降、墻頂沉降累計值均出現不同的增加，其中地表沉降累計值為-16.91 mm，墻頂沉降累計值為-5.79 mm；墻體變形均指向基坑內側，在2016年12月5日達到極大值34.32 mm(水下開挖階段)后趨于穩定，變形值與二維數值模擬結果較吻合；土體水平位移最大值為18.36 mm；墻頂水平位移在水下開挖之前朝基坑外側變形，水下開挖階段朝基坑內側變形，其最大值為12.6 mm。

5 結論與建議

1)對開挖深度大、承壓含水層厚而導致隔水帷幕難以穿透承壓含水層的基坑工程，本工程突破了一般工程中的隔水、降壓或坑底加固封底的禁錮，將基坑開挖分為第1級常規隔水干開挖和第2級水下開挖，避免了承壓含水層對基坑開挖的影響，增強了基坑的整體穩定性，提升了支護結構的受力性能，對類似的超深高承壓含水層基坑設計具有一定的借簽意義。

2)通過對本風井基坑數值模擬和現場實測數據分析發現，基坑在水下開挖過程容易發生由豎向支撐系統剛度分布不均而造成支撐結構受拉和受扭等不利工況，此時設計需結合三維數值模擬進行整體分析，其中支護結構尺寸和配筋應以二維和三維計算包絡為準。

3)風井第2級基坑在水下開挖階段所采取的坑內回灌泥漿和排水完成階段采取的水下澆筑素混凝土方案起到了抵消坑外水土壓力并改善地下連續墻受力效果，保證基坑結構整體穩定性。

4)在盾構穿越完成后、施工風井第2級基坑內附屬結構時，由于盾構管片拆除后容易造成C20水下回填的素混凝土受力狀態變化而產生水力通道，此時建議對附屬結構與區間連接洞門處采取凍結加固，直至附屬結構施工完畢。

5)水下封底混凝土的設置可承受坑底巨大的承壓水壓力，是確保工程實施的關鍵性措施。從結構受力上考慮，鋼筋混凝土比素混凝土具有明顯的優勢，但在實施過程中存在鋼筋籠分段沉放、安裝搭接質量無法保證及混凝土一次性灌注容易引起鋼筋籠上浮等問題，故建議采用素混凝土板。值得強調的是，在實際應用過程中，應確保水下澆筑大體積混凝土的質量，以及封底混凝土與地下連續墻之間的有效粘結。