深厚淤泥土層中地鐵車(chē)站基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)與分析

劉亞威

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

0 引言

基坑開(kāi)挖是地鐵車(chē)站工程中尤為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，科學(xué)的設(shè)計(jì)方案是確保施工質(zhì)量的重要前提，除基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性外，還要注重開(kāi)挖作業(yè)對(duì)周邊既有建(構(gòu))筑物帶來(lái)的影響。基于此，需確定科學(xué)的基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案，在達(dá)到工程質(zhì)量要求的同時(shí)，盡可能縮短工期、控制施工成本。

1 工程概況

某地鐵車(chē)站工程中，超深基坑工作量較大，呈南北分布特點(diǎn)，長(zhǎng)180 m、寬23.7 m、高36 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，該基坑臨近河堤，該處河床高度20 m，施工區(qū)域地下水位約8.360 m。基坑周邊除一處空地外，還建有一座正處于運(yùn)營(yíng)階段的預(yù)應(yīng)力橋，周邊有大量高層建筑，現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境較為復(fù)雜。

2 地質(zhì)概況

建設(shè)區(qū)域吳淞高程6.60 m～8.48 m，整平標(biāo)高約7.50 m，趨近于地表高度。地質(zhì)特性方面：①雜填土：較為松散，齡期約5年，厚度1.00 m～5.80 m；②淤泥質(zhì)填土：具備較強(qiáng)壓縮性，含部分腐殖土，厚度0.70 m～1.70 m；③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：以流塑狀為主，具備可壓縮性，含部分粉土，厚度5.00 m～8.80 m。

3 深基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定深基坑圍護(hù)方案，具體為：以鉆孔灌注樁為主，輔以φ850@1 200三軸水泥土攪拌樁以發(fā)揮出止水的作用，選取鋼筋混凝土材料，施作二道內(nèi)支撐，以提升整體穩(wěn)定性。

3.1 支護(hù)樁設(shè)計(jì)比選分析

立足于本工程施工情況，綜合考慮類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，提出多種基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，具體有：

1)以鉆孔灌注樁為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，輔以止水帷幕。此方案的基本特點(diǎn)在于工藝簡(jiǎn)單、施工擾動(dòng)程度低，從工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在長(zhǎng)三角地區(qū)具有較好的適應(yīng)性。關(guān)于止水帷幕的施工作業(yè)，需綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)土層穩(wěn)定程度、基坑開(kāi)挖深度等因素。

2)SMW工法樁。首先設(shè)置三軸水泥土攪拌樁，向其中置入適量型鋼，可得到綜合型擋土止水結(jié)構(gòu)。從行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，SMW工法樁的局限之處在于抗側(cè)剛度有限，若基坑深度超13 m，將伴隨明顯的變形問(wèn)題[1]。此項(xiàng)技術(shù)對(duì)基坑變形較為敏感，缺乏控制措施時(shí)易出現(xiàn)樁結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的問(wèn)題，不利于基坑穩(wěn)定性，使其出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，并對(duì)周邊環(huán)境造成不良影響。

3)地下連續(xù)墻。此結(jié)構(gòu)兼具擋土、止水、變形可控、穩(wěn)定性好等多重優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大型基坑工程中，但存在成本高、施工周期長(zhǎng)、槽段接合效果差等局限性。

經(jīng)上述對(duì)比分析，并考慮本基坑施工情況，為滿(mǎn)足安全、高效等多重要求，最終選擇鉆孔灌注樁作為本基坑的圍護(hù)樁。

3.2 止水樁設(shè)計(jì)比選

基坑開(kāi)挖作業(yè)持續(xù)到基底時(shí)，該區(qū)域的壓力狀況將發(fā)生變化，開(kāi)挖面至承壓水層間存在較為明顯的自重壓力，該值將明顯超過(guò)承壓水頭壓力；進(jìn)一步開(kāi)挖并到達(dá)坑底時(shí)，承壓水頭壓力大幅提升，明顯超出上覆土壓力。從這一規(guī)律來(lái)看，本基坑工程對(duì)止水與降水均提出較高的要求。

現(xiàn)代化工程項(xiàng)目中，機(jī)械設(shè)備是提升施工效率的關(guān)鍵，雙軸水泥土攪拌樁相關(guān)設(shè)備在中密砂性土中的適應(yīng)性不足，最大深度為17.0 m，具體至本工程，若采取此方式將難以確保樁結(jié)構(gòu)止水效果；若采取三軸水泥土攪拌樁，相關(guān)設(shè)備的工作深度可達(dá)33.0 m，具有較好的切土能力。綜合對(duì)比，三軸攪拌機(jī)械更具可行性，可滿(mǎn)足質(zhì)量、效率等多重要求，在工期較緊的項(xiàng)目中適應(yīng)能力更強(qiáng)。

三軸攪拌機(jī)是重要的工程設(shè)備，其中兩軸同步噴漿，實(shí)現(xiàn)與土體的充分混合，中軸維持逆向高壓噴氣狀態(tài)，通過(guò)氣體逆向翻轉(zhuǎn)的方式提升拌合料的均勻性，為成樁質(zhì)量提供保障[2]。從本工程的施工特點(diǎn)來(lái)看，雙軸水泥土攪拌樁存在諸多局限之處，不具備優(yōu)良的止水效果，但采取高壓旋噴樁又將耗費(fèi)大量成本。基于此，選擇的是套接φ850@1 200三軸攪拌樁的方式，以滿(mǎn)足止水要求。

3.3 設(shè)計(jì)工況

將施工現(xiàn)場(chǎng)整平，形成硬地坪后即可展開(kāi)圍護(hù)體的施工作業(yè)，主要涉及到鋼立柱與工程樁兩部分。通過(guò)輕型井點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)坑內(nèi)的預(yù)降水處理；開(kāi)槽，通過(guò)澆筑的方式設(shè)置圈梁與首層支撐結(jié)構(gòu)，檢驗(yàn)其強(qiáng)度，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后則具備繼續(xù)施工的條件，即對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖至下一層支撐底；兼并展開(kāi)圍檁與第二層支撐的澆筑作業(yè)，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求后再對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖并持續(xù)至坑底；混凝土墊層澆筑遵循的是隨挖隨澆的原則，要求圍護(hù)樁的連接區(qū)域都要得到有效的澆筑；結(jié)束底板澆筑后需進(jìn)一步延伸至支護(hù)樁邊；檢驗(yàn)底板強(qiáng)度，當(dāng)該值滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后即可展開(kāi)-2層主體結(jié)構(gòu)施工作業(yè)，隨后將該層支撐裝置拆除；依次完成主體與樓板換撐塊的澆筑作業(yè)，當(dāng)兩結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度均達(dá)到要求后，方可拆除第一層支撐裝置；最后做好地下主體結(jié)構(gòu)的施工作業(yè)，于該處回填土并采取夯實(shí)處理措施。

3.4 混凝土內(nèi)支撐

部分基坑深度較大，為不規(guī)則形狀，在此施工環(huán)境中鋼筋混凝土支撐是可行的方式，在該結(jié)構(gòu)的作用下，可優(yōu)化平面結(jié)構(gòu)體系，使其具備較強(qiáng)的剛度，盡可能避免圍護(hù)體頂部位移現(xiàn)象，以實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊環(huán)境的有效保護(hù)。此外，相較于鋼支撐而言，采取鋼筋混凝土支撐的方式具有更強(qiáng)的靈活性，可實(shí)現(xiàn)分塊施工作業(yè)，施工中可預(yù)留較大的空間以滿(mǎn)足出土需要，提升了土方開(kāi)挖效率，有效縮短地下結(jié)構(gòu)施工工期。鋼筋混凝土支撐形成了完善的受力體系，各部分受力明確，可達(dá)到各支撐塊獨(dú)立受力的效果。基于此特性，支撐施工時(shí)可顯著提升分塊施工效率，縮短支撐周期[3]。根據(jù)本工程情況，確定了內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)圖，具體如圖1所示。考慮到本基坑邊長(zhǎng)長(zhǎng)度較大，因此要增設(shè)施工棧橋，鋼筋混凝土支撐系統(tǒng)采取的是對(duì)撐與角撐相綜合的方式，在滿(mǎn)足支撐要求的同時(shí)有效控制成本。內(nèi)支撐施工環(huán)節(jié)所用材料為C35混凝土，控制頂壓圈梁鋼筋保護(hù)層厚度，此結(jié)構(gòu)以30 mm為宜。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

4.1 計(jì)算條件

引入豎向彈性地基梁法，由此展開(kāi)基坑圍護(hù)體的設(shè)計(jì)工作。計(jì)算過(guò)程中，施工超載取值為25 kPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，基坑施工狀況良好，僅存在部分建(構(gòu))筑物且不會(huì)對(duì)正常施工作業(yè)造成影響，因此此處未考慮建筑物超載問(wèn)題。支撐體系計(jì)算環(huán)節(jié)，將支撐與圍檁視為整體結(jié)構(gòu)，分別對(duì)其內(nèi)力與變形問(wèn)題加以分析，匯總各項(xiàng)資料，所得結(jié)果如表1所示。

表1 內(nèi)力與變形計(jì)算結(jié)果表

4.2 結(jié)果分析

深基坑設(shè)計(jì)工作中，計(jì)算與驗(yàn)算是提升方案可行性的關(guān)鍵，應(yīng)充分考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、基坑周邊地層沉降等問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方式可掌握基坑及其周邊的實(shí)際情況，為工程人員提供分析資料。實(shí)際工作中，根據(jù)施工要求確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及其警戒值，根據(jù)各階段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，若達(dá)到該值將觸發(fā)警報(bào)，相關(guān)人員隨即分析問(wèn)題并采取應(yīng)對(duì)策略，以確保基坑安全性。對(duì)此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果創(chuàng)建基坑位移圖，具體內(nèi)容如圖2所示。

根據(jù)圖2內(nèi)容得知，基坑不同深度處的土體變形程度有所不同，最大為25.20 mm，最大水平位移為21.14 mm，曲線(xiàn)總體呈“紡錘”狀。變形主要集中在二道支撐底部至坑底這一區(qū)段，各處位移均未超過(guò)30.0 mm，與設(shè)計(jì)要求相符，可實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊環(huán)境的有效保護(hù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好，開(kāi)挖作業(yè)時(shí)周邊建筑物與管線(xiàn)均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)基坑開(kāi)挖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得知，本設(shè)計(jì)方案具有可行性，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，施工中周邊建筑物未受到影響，創(chuàng)造了安全的施工環(huán)境，且位移與變形都控制在許可范圍內(nèi)。總體上，本基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用效果優(yōu)良，可為類(lèi)似工程提供參考。