軟土地區復雜環境下地鐵區間風井基坑設計及研究

姜志威

（廣州同捷交通工程咨詢有限公司，廣東 廣州 510140）

0 引言

上海作為我國最早建設地鐵的城市之一，目前上海已開通運營了15條軌道交通線路，為進一步完善軌道交通網絡，上海軌道交通18號線作為上海新一輪軌道交通規劃線路之一，起著連接寶山、楊浦、浦東三區的重要作用。當線路位于遠郊區域時，由于區間距離較長，而高峰時期列車發車間隔較短，因而需要在較長時間范圍內設置中間風井。針對地鐵風井的設計也已有諸多學者進行了研究[1，2]。

1 工程概況

上海軌道交通18號線一期工程滬南公路站～御橋站區間全長約2.87 km，區間起訖里程為XK11+919.944～XK14+793.403；在滬南公路與外環高速路路口西南側的綠地內設有一座中間風井，風井中心里程為XK12+878.052。該風井周邊環境較為復雜，風井北側為DN273航油管線，風井南側為擬規劃外環河道，風井東側為滬南公路，風井西南側為DN800污水管，滬南公路現狀下方市政管線密集。受擬規劃河道的影響，風井南側為地下兩層結構，北側為地下三層結構。風井東西向長約44 m，南北向寬約28.1～30.5 m，基坑開挖深度約25.7 m，采用明挖順作法施工。風井的平面布置及剖面布置見圖1、圖2。

圖1 滬～御中間風井平面布置圖

1.1 工程地質

中間風井擬建場地區域地層自上而下依次為①1人工填土、③灰色淤泥質粉質黏土（局部夾③j灰色砂質粉土）、④灰色淤泥質黏土、⑤11灰色黏土（局部夾⑤1t灰色粉砂夾粉質黏土）、⑤12灰色粉質黏土、⑤31a灰色粉質黏土夾粉砂、⑤32a灰色砂質粉土夾粉質黏土、⑤32b灰色粉砂夾粉質黏土、⑤33灰色黏土、⑦2灰黃～灰色粉細砂。主要土層的物理力學參數見表1。

1.2 水文地質

擬建場區地下水主要包括賦存于淺部土層的潛水，賦存于⑤1t、⑤32a、⑤32b層的微承壓水及⑦2層的承壓水，其中⑤1t層為⑤11與⑤12層之間的夾層，不與其他承壓水層連通，⑤32a層與⑤32b層相鄰連通，⑤32b層與⑦2層局部連通；⑤32b層底埋深約57.5 m，⑦2層層頂埋深約 57.5～58.5 m（未揭穿）；潛水水位埋深0.90～1.1 0m，承壓水水位埋深一般3.0 ～12.0 m。

2 風井設計重難點分析

（1）基坑開挖深度大

基坑北側的航油管線埋深約8.7～10.3 m，根據航油管線保護要求，區間隧道頂距航油管線的凈距不應小于5 m，區間隧道埋深增加，導致風井開挖深度大于常規區間風井開挖深度，本工程風井基坑開挖深度約25.7 m。

（2）鄰近管線較多

風井現狀周邊的管線較多，DN273航油管線距基坑最近距離約16.4 m，DN800污水管距基坑最近距離15.3 m，DN500高壓燃氣管位于風井范圍（施工階段臨排至風井西側），此外還有較多電纜、給水、通信等市政管線緊鄰或上跨風井，現場根據實際情況，距離較近及位于風井上方的管線臨排至風井滬南公路東側。

（3）不良地質

擬建場地淺部地層中局部有③j灰色砂質粉土層，層厚約2.5～4.5 m；該土層容易影響地下連續墻的成槽質量。

（4）承壓水位高

影響本基坑的主要為⑤32a、⑤32b微承壓水層，且⑤32b層局部與⑦2承壓水層連通，按實測5.92 m及最不利3 m承壓水水頭埋深計算時，基坑在開挖過程中會發生突涌，因此基坑開挖過程中應進行降承壓水作業[3]。

（5）預留遠期線路盾構下穿條件

根據機場快線規劃方案，規劃線路需要穿越現狀風井區域；且由于風井北側為航油管線及外環高速橋樁，南側為規劃外環南河、申花足球地塊，線路調整空間較小。因此，在風井設計過程中需要考慮為遠期盾構下穿預留條件。

3 圍護結構設計及周邊環境影響分析

3.1 圍護結構設計

該風井基坑開挖深度約25.7 m，安全等級為一級，結合場地土層特性及上海工程經驗，綜合考慮經濟、安全等因素，擬采用地下連續墻+內支撐作為圍護支撐體系。其中地墻厚度1.2 m，地墻長度53.5 m（含7 m素混凝土段），沿基坑縱向共設置了七道支撐，其中第一、四道支撐為鋼筋混凝土支撐（第一道支撐尺寸為0.8 m×0.8 m，第四道支撐尺寸為1 m×1 m），其余為鋼管支撐（第七道為壁厚20 mm的Φ800 mm鋼管支撐，其余為壁厚16 mm的Φ609 mm鋼管支撐）。

表1 各土層物理力學性質參數表

（1）坑內土層加固

由于基坑開挖深度較大，坑底位于⑤12層，開挖范圍內④層淤泥質土層較厚（7～9 m），為降低開挖時的風險，坑內采用旋噴樁進行兩層裙邊+抽條加固。第一層加固體位于第四道鋼筋混凝土支撐中心處，第二層加固體位于坑底，加固層厚均為3 m。旋噴樁加固體28 d齡期無側限抗壓強度qu≥1.0 MPa。

（2）不良地質處理

為防止地墻沉槽過程中③j灰色砂質粉土層范圍內出現塌孔等問題，在地下連續墻兩側采用三軸攪拌樁進行預加固，加固深度至③j層層底下約1.5 m，確保地下連續墻的沉槽施工質量。

（3）承壓水處理

本工程擬采用懸掛止水帷幕+減壓降水相結合的技術處理方案，確保坑內承壓水位降低至安全高度以下，實現“按需降水”，且該方法也已在工程實踐中得到了廣泛的應用[4-7]，且根據《上海市基坑工程技術規范》（DJ/TJ08-61-2010）[8]中的規定，當隔水帷幕進入承壓水層長度大于9 m時，可采用坑內降水方案。本工程中的地墻受力計算所需長度的基礎上再增加了7 m長素混凝土段作為止水帷幕，地墻進入承壓水層的長度約10～13 m，并在坑內設置了承壓水降水井，增加了承壓水的補償滲流路徑，確保施工過程采取有效降水措施后不會發生突涌；此外，在坑外航油管等重點區域設置回灌井，減小降水過程中對重要管線的影響。

（4）地下連續墻預留下穿條件

為便于后期機場快線穿越風井底板下東西兩側地墻，結合基坑設計計算結果，在底板下3 m至墻底范圍地墻內力較小，因此在風井東西兩側地墻自底板下3 m至墻底范圍均采用玻璃纖維筋[10]（GFRP），且此范圍混凝土標號調整至C30；考慮到十字鋼板等剛性接頭后期切割困難，而根據現場施工經驗，GXJ橡膠接頭在地墻長度大于40 m時，接頭箱在拔出的過程中容易導致橡膠帶斷裂，因此，東西兩側地墻擬采用鎖口管接頭，南北兩側采用十字鋼板接頭。此外，在后期機場快線盾構穿越施工過程中為確保盾構均勻、同步切割地墻，在切割面處，盾構軸線應與地墻垂直。

3.2 周邊環境影響分析

為準確反映基坑開挖過程中對周邊管線等的影響，采用有限元軟件對基坑開挖過程及周邊管線的附加變形進行模擬分析。本次模擬分析主要針對一倍基坑開挖深度范圍內的管線。結合簡化的計算剖面，建立平面模型進行模擬分析。

（1）計算本構模型及單元

本次分析中土體采用了修正莫爾庫倫模型，地下連續墻、支撐采用線彈性模型。土體參數根據勘察報告提供的各土層參數選用（加固范圍內的土體按加固體強度指標選用）。

采用三角形、四邊形單元模擬土體，采用梁單元模擬地下連續墻、混凝土支撐，采用桁架單元模擬鋼管支撐，采用梁單元模擬管線。地下連續墻和土體之間采用接觸單元進行模擬。

（2）計算區域及計算邊界

豎直影響深度取至坑底下大于2H（H為基坑開挖深度），水平影響范圍一般為不小于4H（H為基坑開挖深度）。由于基坑變形為對稱變形，計算分析過程中可取一半作為計算區域，模型尺寸為70 m×100 m（深度×寬度），底部施加X、Y兩個方向約束，兩側邊施加X方向約束。

（3）開挖工況模擬

為了真實的反映基坑開挖過程中的變形，需要對整個開挖過程進行模擬。通過鈍化某一區域的土體單元達到模擬開挖該范圍土體的效果；通過激活支撐單元，可實現加撐過程的模擬。

（4）計算模型及計算結果（見圖3～圖6）

圖3 基坑開挖有限元計算模型

圖4 基坑開挖至坑底時土體水平位移圖

圖5 基坑開挖至坑底時土體豎向位移圖

圖6 基坑開挖至坑底時鄰近管線豎向位移圖

根據以上計算結果可知，風井開挖至設計標高時，地面最大沉降為10.4 mm，圍護墻最大側向變形為36.5 mm，DN800污水管線的最大沉降9.3 mm，DN273航油管的沉降為8.9 mm，滿足基坑環境保護等級一級的變形控制值。

4 結 語

由于滬南公路站—御橋站區間主要沿著滬南公路走行，中間風井選址難度大，本風井周邊環境條件復雜，施工難度。目前中間風井已順利完成了基坑的開挖和內部結構回筑的施工。根據現場反饋的監測數據，圍護墻體的變形、地表沉降以及航油管等市政管線的沉降變形均處于有效控制范圍內。本工程的設計思路及設計方案也可為今后類似工程提供借鑒。