江心洲富水砂層超深基坑開挖方案分析研究

□文/馮 翔

隨著城市規模的不斷擴大，軌道交通事業蓬勃發展，越來越多的過江通道開始建設[1]。在長江江心洲富水砂層中進行區間中間風井深基坑設計，施工難度和風險很大，不僅要考慮基坑自身和周邊建構筑物的安全，還要考慮工程造價及工期的要求，只有合理的工法、設計方案和針對性的措施，才能確保基坑的安全，將施工對周圍環境的影響降至最低[2]。目前，富水砂層超深基坑工法主要有明挖法、逆作法、半順半逆作法和水中開挖法等。明挖順作法施工便捷、工藝要求不高，應用普遍，工期短，造價低，但對周邊環境影響較大，風險較高；逆作法是利用地下工程結構作為基坑的支撐，必要時增加支撐，邊挖邊施工結構，這種工法利于控制周邊地層變形，但工期較長，造價較高[3]；水中開挖法施工較為復雜，底板封底困難，施工質量較難控制，在地鐵工程中采用較少[4]。本文針對某城市江心洲中間風井富水砂層超深基坑進行工法比選分析和基坑設計并采用一維和三維數值模擬分析研究對周邊環境的影響，確定最優的基坑設計方案并對工期、造價進行了分析。

1 工程概況

該中間風井位于長江江心洲洲尾，沿規劃道路敷設，西北-東南方向，周圍現狀為葡萄園、魚塘和農田。中間風井西北距離長江退堤保護線93.8 m，東南距離長江二級水源保護區64.68 m，西端距離西側長江大堤坡腳線108.8 m，東端距離東側夾江大堤164.98 m。見圖1。

圖1 中間風井平面布置

2 地質和水文條件

中間風井所在地貌類型屬長江邊灘、灘地，地勢向長江河谷緩傾，地面高程在6.5～8.5 m之間，土層分布見圖2。

圖2 中間風井地質縱斷面

②-2b4 淤泥質粉質黏土（夾砂）、②-3d3 粉砂、②-4d2粉砂工程性質極差，土方開挖及樁基施工時易出現坍塌、縮徑現象；②-5d1粉、細砂層地層工程性質較好?；鶐r埋深約53 m，為K2p 砂質泥巖、泥質砂巖， 工程地質性能好。見表1。

表1 土體物理力學參數

江心洲地下水與長江聯系密切，水量豐富。根據地下水賦存條件，主要為松上部土層中的潛水、微承壓水和基巖裂隙水。

潛水含水層主要賦存于填土和淺層的粉砂層中，透水性較好、賦水性較差，主要補給來源為大氣降水入滲，地下水運移條件較好，為徑流條件較好的含水層，排泄方式以自然蒸發為主。

承壓含水層透水性、賦水性均較好，含水層厚度大，分布廣，滲透性能好，與長江水聯系密切，具有較穩定的補給來源，地下水運移條件好，為徑流條件較好的含水層，主要為徑流排泄，還存在向基巖入滲補給、地下水開采等方式排泄。

場區基巖裂隙水為碎屑巖類裂隙水，含水巖組巖性為K2p 白堊系浦口組的碎屑巖組成。強風化、中風化砂巖有一定的透水性，中風化泥巖可認為是不透水層，主要接受側向入滲補給及上部承壓水下滲補給，排泄方式主要為側向徑流。

3 基坑圍護結構選型

標準段基坑深38.705 m，端頭井段基坑深約42.85 m 且處于長江邊灘、灘地，施工風險極大，調研國內類似工程，見表2。

表2 國內深大地鐵車站基坑總結

借鑒表2，本工程圍護結構推薦采用1.5 m 地下連續墻，入中風化泥巖，全部隔斷外圍承壓水，墻內側采用φ850 mm 三軸攪拌樁入②-4d2 粉砂1 m 進行防坍塌加固，外側采用素混凝土墻進行止水。

4 施工方法的選擇

現有深基坑施工方法主要有明挖順作法、逆作法、半順半逆法、水中開挖法，見表3。

由表3 可以看出，水中開挖法各方面條件都不適合本工程，故以下僅對半順半逆法、明挖順作法、逆作法三種方案進行比選。

表3 施工工法綜合比較

4.1 基坑圍護設計

1）半順半逆法。先開挖至負三層底，再自下而上施工上三層結構，直至頂板完成后；再開挖下兩層土體，邊挖邊施工結構，直至底板澆筑完成。見圖3。

圖3 半順半逆法基坑設計

2）明挖順作法。自上而下逐層開挖至坑底，隨挖隨撐，結構自下而上施工至頂板，見圖4。

圖4 明挖順作法基坑設計

3）逆作法。自上而下邊挖邊施工結構體系，用結構板、墻充當逆作基坑的支撐構件，最底層需設置一道雙拼鋼支撐，見圖5。

各方案支撐布置見表4。

表4 各方案支撐布置

由表4可以看出，逆作法所用支撐數量最少，半順半逆法其次，明挖順作法所用支撐最多。

4.2 基坑內力和變形

基坑一維計算采用理正深基坑7.0 軟件并做如下基本假設：

1）地下連續墻按作用在地基上的彈性地基梁來計算，地層及支撐對墻體的作用采用一系列彈簧進行模擬；

2）施工過程和使用期間分階段按增量法原理進行結構內力計算，計算時計入結構的先期位移值以及支撐的變形，按“先變形后支撐”的原理進行分析，最終的位移及內力值就是各階段之累加值；

3）地下水位以下各土層，砂性土采用水土分算，黏性土采用水土合算，計算圍護結構內力；

4）排樁內力計算時采用彈性支點法，土的水平抗力系數按m法確定。

施加荷載包括：

1）永久荷載，結構自重、地層壓力、靜水壓力、側向地基抗力及地基反力；

2）可變荷載，地面車輛荷載及其引起的側向土壓力及施工荷載。

計算示意見圖6。

圖6 基坑計算

基坑變形、抗隆起、整體穩定性和抗傾覆穩定性計算結果見表5。

由表5 可知，半順半逆和逆作法地表沉降和地下連續墻水平位移均小于明挖順作法，半順半逆的最大水平位移小于逆作法，三方案的穩定性計算均滿足規范要求[1]，從基坑變形和穩定性角度考慮，推薦采用半順半逆法施工。

表5 計算結果

4.3 工期

對三方案進度進行分析。

1）半順半逆法：總工期為39 月；若考慮每年長江汛期江心洲不能施工的影響，土建總工期55月。

2）明挖順作法：總工期為32月；若考慮每年長江汛期階段江心洲不能施工的影響，土建總工期需要44月。

3）逆作法法：總工期約為47月；若考慮每年長江汛期階段江心洲不能施工的影響，土建總工期需要67月。

工期最短的為明挖順作法，工期最長的為逆作法，半順半逆工期居中。

4.4 綜合比選

三種方案的綜合比選見表6。

表6 三種方案比選

從對周邊環境的風險影響和耐久性角度考慮，逆作法風險最小，但施工縫較多，以往同類工法施工的車站運營后發生滲漏的情況較多。綜上，推薦半順半逆法施工。

5 基坑開挖對長江大堤的影響

5.1 模型

采用MIDAS-NX 巖土與隧道仿真分析軟件進行三維數值模擬，分析半順半逆施工過程對長江大堤的影響。模型尺寸為400 m(長)×240 m(寬)×120 m(深)，共劃分為288 777 個網格單元，155 823 個節點，采用摩爾-庫倫計算準則，特別對基坑、結構、基坑周邊土體進行了重點細分。見圖7。

5.2 周邊土體位移

基坑開挖過程中，周邊土體X 方向最大位移為19.3 m，發生在大盾構端墻外側，方向指向基坑；Y 向最大水平位移為22.7 m，位于負四層側墻外側，方向指向基坑；基坑周邊最大地表沉降為8 mm。見圖8?；又苓呁馏w及地表沉降均是滿足基坑自身的控制值[5～6]。

圖7 三維實體模型

圖8 基坑周邊土體位移

5.3 對長江大堤影響

結構施工完成后，長江大堤最大水平位移為0.243 mm，指向基坑方向；最大豎向沉降僅為0.24 mm，均滿足長江及夾江大堤的變形控制(10～-30 mm)的要求，見圖9。說明半順半逆基坑的設計是安全的，對長江大堤的風險影響是可控的。

6 結 論

1）從技術角度考慮，區間中間風井采用明挖順作、逆作及半順半逆均是可行的；但從基坑變形、工期、風險和經濟性多方面考慮，本基坑推薦采用半順半逆施工，其中-1～-3層采用順作施工，-4、-5層采用逆作施工。地下連續墻和內襯墻采用疊合墻體系，地下連續墻入中風化巖2.5 m，總長60 m，順作采用大直徑鋼管支撐；逆作階段采用混凝土支撐。半順半逆施工，總工期為39月，總造價為41 231.9萬元，工期及造價均介于明挖順作和逆作之間。

2）經過計算分析，半順半逆法施工地下連續墻最大水平位移17.1 mm，地表最大沉降21 mm，基坑的抗傾覆、抗隆起、整體穩定性安全系數均滿足要求。

3）經過三維地層-荷載法數值模擬結果分析，施工完成后，周邊土體最大水平位移22.7 mm，地表最大沉降8.0 mm；圍護結構最大水平位移22.6 mm，均滿足規范要求。

4）基坑開挖對長江及夾江大堤的影響較小，施工完成后，長江大堤最大水平位移0.243 mm，最大豎向沉降0.24 mm，遠小于長江及夾江大堤的現狀控制值?！酢?/p>