敏感環(huán)境下富水土層隧道基坑支護關鍵技術研究

孟曉潔

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司華東分公司,江蘇 南京 210031)

0 引 言

近些年來，隨著城市交通的快速發(fā)展和建設，城市明挖隧道的建設已在全國范圍內(nèi)大量展開。但越來越多的城市隧道面臨前期規(guī)劃缺失、周邊環(huán)境敏感和地質(zhì)條件復雜等問題，正所謂“好修的地方不急需，急需的地方不好修”，這必然對隧道建設中占據(jù)著至關重要地位的基坑支護方案的選擇帶來更大的困難。因此，在周邊環(huán)境敏感且地層條件復雜的前提下，提出一套科學合理、操作性強的基坑支護方案，顯得尤為重要。

1 工程概況

1.1 工程概況

某隧道為連續(xù)下穿老城鬧市區(qū)的長隧道，隧道主要采用明挖順作法施工。隧道基坑長約1 550 m，寬度為21.5 m，基坑總面積約為33 300m2；基坑開挖深度2.0～11.5 m，泵房處開挖深度達15.7 m，為長條形的深基坑。

1.2 環(huán)境概況

隧址穿越老城鬧市區(qū)，基坑兩側緊鄰連續(xù)多幢4～6層居民樓和商鋪，建(構)筑物基礎形式主要為條形基礎，對沉降較為敏感且整體傾斜率略差，大部分建(構)筑物距離基坑為10～13 m，最近處僅9.2 m。基坑兩側道路下方分布著大量的市政管線，受空間限制，隧道施工期間，基坑西側管線有污水管、給水管、電力排管，基坑東側管線有合流管、燃氣管、給水管，其中離隧道基坑最近的是的凈距僅2.8 m合流管。項目基坑周邊環(huán)境敏感度性強，社會關注度高。

1.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地勘資料顯示，場地地形平坦，地基穩(wěn)定性好。本項目涉及的主要土層有②2砂質(zhì)粉土、③1粉砂夾粉土、③2粉砂夾粉土、③3粉砂夾粉土、③4粉砂、④1-1粉質(zhì)黏土。②、③層為主要潛水含水層，主要補給來源為大氣降水和地表水等，滲透系數(shù)均大于1.59E-04，透水性強，含水率豐富，④1t層為承壓水含水層，隧道雨水泵房基坑開挖時④1t層承壓水存在突涌可能性。針對這種富水性地層，需采取合理的控制地下水措施，確保本基坑工程的安全實施。土層物理力學參數(shù)見表1 。

表1 土層物理力學參數(shù)表

2 總體設計方案

2.1 工程特點及難點

(1)基坑長約1 550 m，寬度為21.5 m，基坑總面積約為33 300 m2；基坑開挖深度2.0～11.5 m，泵房處開挖深度達15.7 m，為長條形的深基坑。

(2) 基坑位于老城鬧市區(qū)，緊鄰連續(xù)多幢淺基礎的建(構)筑物，兩側管線密集，周邊環(huán)境敏感度性強，社會關注度高。

(3) 基坑開挖范圍多為粉砂、粉土等富水性強的含水層，含水率高、滲透性強，必須采取可靠的隔水措施。

2.2 基坑支護設計方案

隧道主要采用明挖順作法施工，基坑大致呈南北走向，兩側建筑物和管線密集，開挖深度多為10 m左右，地質(zhì)條件為粉土夾粉砂類土層。根據(jù)沿線環(huán)境、地質(zhì)情況、開挖深度和主體結構布置，經(jīng)經(jīng)濟、技術綜合比較后，圍護結構以排樁為主，推薦采用SMW工法樁、TRD工法和鉆孔灌注樁+止水帷幕基坑圍護形式。為減小降水對周邊環(huán)境的影響，止水帷幕隔斷透水層，當止水帷幕長度≥27 m時，采用TRD工法，并在周邊建筑物距離隧道基坑在1倍基坑深度范圍內(nèi)的鋼支撐配軸力補償伺服系統(tǒng)，加強對基坑變形的控制，確保基坑安全可靠。

3 關鍵設計技術

3.1 基坑支護結構設計

本項目基坑深度大部分在10 m左右，綜合地質(zhì)條件和基坑變形要求，經(jīng)計算確定采用混凝土等級為C30的φ800@1 000規(guī)格的鉆孔灌注樁+止水帷幕，基坑中間設置1排鋼筋混凝土立柱，共設三道支撐+一道換撐，其中第一道為0.8m×0.8m的混凝土撐，其余為φ609mm×16的鋼支撐。典型支護結構剖面圖如圖1所示，內(nèi)力包絡圖如圖2所示。

圖1 基坑支護結構剖面圖

圖2 內(nèi)力位移包絡圖

由上圖可知鉆孔灌注樁最大水平位移為11.9mm，小于0.18% H=19.4mm，滿足一級基坑要求。整體穩(wěn)定性安全系數(shù)1.53>1.35，墻底抗隆起安全系數(shù)3.49> 1.8，均滿足規(guī)范要求。

3.2 止水帷幕設計

基坑開挖范圍多為粉砂、粉土類潛水含水層，土層含水率高、滲透性強，地下水處理是基坑工程安全實施的關鍵。在支護設計方案中，對滲透性大的②、③層潛水含水層，采取“隔水”的處理方案，將基坑止水帷幕深度深入④1-1粉質(zhì)黏土土層中一定深度以隔斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系。因③3粉砂夾粉土透水土層在基坑南側分布較多，北側幾乎無分布，因此止水帷幕長度根據(jù)土層分布大致為：基坑北半邊(長約450 m)止水帷幕長度小于27 m，基坑南半邊(長約1 100 m)均大于27 m且最深為34 m。

基坑止水帷幕深度最深達到34 m，常規(guī)三軸水泥土攪拌樁工藝已無法滿足施工深度和施工質(zhì)量要求，需超深三軸水泥土攪拌樁工藝，超深三軸水泥土攪拌樁底部容易開叉，防滲止水效果不易保證，為保證止水效果，確保項目萬無一失，采用三軸攪拌樁和TRD厚度水泥土攪拌墻組合的止水帷幕形式，即在止水帷幕長度小于27 m時選用三軸攪拌樁止水帷幕，止水帷幕長度大于27 m時選用TRD厚度水泥土攪拌墻。

3.3 鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)

本基坑為長條形深基坑且兩側緊鄰連續(xù)多幢淺基礎的建(構)筑物，沉降和變形控制要求嚴格。為確保基坑安全，減少基坑開挖對周邊建筑物的影響，基坑施工過程中需采取有效的控制措施。

全自動應力補償系統(tǒng)鋼支撐可24 h不間斷自動實時監(jiān)測支撐體系受力狀態(tài)，當支撐軸力低于設計值時，系統(tǒng)自動補償；當支撐軸力超出設計值時，系統(tǒng)報警并根據(jù)指令自動卸載。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)基坑支撐體系的軸力實現(xiàn)控制基坑變形、保證基坑安全的目的[1]。

經(jīng)比較分析和計算，基坑采用如下支撐形式：基坑深度12>H>9 m時，共設三道支撐，基坑深度9≥H≥4 m時，共設一/兩道支撐，基坑深度H<4 m時，采用SMW工法樁懸臂。其中第一道支撐為800mm×800 mm的鋼筋混凝土支撐，橫向間距8.0 m，其余為Φ609 mm×16的鋼支撐。同時，根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》(GB 50911-2013)里工程影響分區(qū)及周邊建筑物情況，在基坑距離周邊建筑物1倍基坑深度范圍內(nèi)的鋼支撐配軸力補償伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)24 h遠程網(wǎng)絡監(jiān)控及報警，加強對基坑變形的控制，確保基坑安全可靠。

4 基坑開挖滲流數(shù)值模擬

在敏感環(huán)境下透水土層的基坑設計中地下水處理尤為重要，設計采取“隔水”的處理方案，將基坑止水帷幕深入不透水土層中以隔斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系。同時，選用MIDAS /GTS有限元軟件針對最不利斷面考慮滲流應力耦合作用下模擬基坑開挖降水的詳細過程，探討并分析了不同止水帷幕長度對滲流路徑及周邊建筑物的影響，進一步論證支護結構選擇的可行性和合理性。二維數(shù)值模擬結果如圖3、圖4所示。

圖3 止水帷幕未穿透透水層的滲流分析云圖

圖4 止水帷幕穿透透水土層的滲流分析云圖

通過根據(jù)GTS /GTX應力滲流分析數(shù)值模擬結果得到如下結論：

止水帷幕未穿透透水土層時，透水層未阻截，滲流路徑短，水頭變化快，對坑外地表有一定的影響；當止水帷幕穿透透水土層，透水層阻截，滲流路徑長，水頭變化慢，對坑外地表幾乎無影響，此時根據(jù)沉降云圖推算得到的建筑物傾斜率為0.04 %，遠小于《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007-2011)中對建筑物地基變形允許值的要求，進一步論證基坑圍護結構設計的合理和可行性。

5 結束語

本文結合實際工程案例，對周邊環(huán)境敏感及透水土層的深基坑支護方案關鍵技術進行了論述，并利用有限元進行了基坑滲流應力模擬，分析了隧道基坑開挖降水對周邊建筑物的影響同時驗證了本文提出的支護方案的可行性，以期為今后同類深基坑支護方案提供理論借鑒。