富水砂層中圓形深基坑地連墻圍護設計實踐

黃 菁

(北京建材地質工程有限公司，北京 100102)

1 工程概況

1.1 基本情況

本項目為銀川市供熱管網擬建輸送主干線之穿越黃河隧道工程，位于黃河二橋以北約600 m處，穿越工程總長度約2.3 km，穿黃隧道采用盾構法施工。本次穿黃場地所在區域黃河東側大堤為S203省道，黃河西側大堤為濱河大道。黃河東岸設置盾構始發井，采用明挖法施工。

本文研究主要內容為盾構始發井基坑圍護結構設計實施方案，場地地勢平整，場坪標高1 118.000 m，圍護結構采用地下連續墻，為圓形基坑，連續墻基坑內徑20.4 m，外徑22.8 m，開挖深度為48.8 m，連續墻兼做永久抗浮結構；盾構井主體結構采用倒掛井壁法施工，主體結構內徑18 m，壁厚1.2 m。基坑西北側為新建機場高速路收費站入口道路；東側臨近川慶鉆探長慶鉆井工程總公司機修公司銀川石油機械修造廠進廠道路，道路與基坑場地存在2 m高差，基坑北側和南側均為林地與旱地。基坑地下連續墻基坑周邊環境情況見圖1，圖形基坑圍護結構平面布置如圖2所示。

1.2 工程地質

本場地自西向東依次位于黃河沖湖積平原Ⅰ級階地、黃河河漫灘、黃河沖湖積平原Ⅰ級階地。場地各鉆孔孔口高程在1 100.00 m～1 118.68 m之間，主要巖土物理力學指標見表1。

表1 巖土物理力學性質綜合統計表

1.3 水文地質

場地范圍內共觀測到一層地下水，地下水類型為潛水。2017年8月24日實測黃河水位高程為1 105.20 m，黃河兩岸水位略高，主要含水層為②細砂層、③1卵石層、③細砂層、⑥1卵石層。

2 基坑圍護結構方案比選

目前在地下水豐富的超深基坑中使用較成熟的圍護結構方案主要有鉆孔咬合樁+坑內排水疏干、沉井+坑內排水疏干、地下連續墻+坑內排水疏干方案等。本文研究案例為圓形基坑，且深度達48.8 m，鉆孔咬合樁精度控制難度較大，難以形成封閉的基坑堵水方案，故不考慮選用。根據工程及水文地質、地面場地條件、基坑深度等情況，對沉井和連續墻方案進行研究比選，見表2。

表2 沉井和連續墻方案對比表

根據本工程所在場地的工程地質特點，對沉井施工方案的適應性進行針對性的分析：

1)土層中含有大量的大粒徑卵石，且粒徑較大(最大80 mm)，土層均勻性差，且基坑平面尺寸較大(內徑20.4 m)，使得沉井施工下沉較難，且易發生傾斜，豎向精度難以控制，沉井質量和工期難以控制。

2)細砂、卵石對沉井的側摩阻較大，需采取一定措施方能施工，對沉井下沉速度有一定影響，進而影響工期。

3)工程所在場地地下水位較高，且基坑開挖范圍內細砂、卵石為主要含水層，沉井施工過程中坑外地下水易通過坑底進入坑內，且基坑封底難度較大，影響基坑穩定性，需配合坑外管井降水措施，而場地臨近黃河，所在地層的地下水與黃河有水力聯系，不適合采用降水法控制地下水。

綜合考慮本工程開挖深度范圍內地下水的影響、基坑開挖深度、地層垂向分布的復雜性以及周圍環境影響，圍護結構采用地下連續墻+五道混凝土圈梁的支護方案，坑內設置疏干井，并在坑底設置高壓旋噴樁隔水層。

3 圓形基坑地下連續墻設計

3.1 設計原則及標準

1)結構計算采用極限狀態法設計理論，不同荷載以分項系數進行組合。

2)基坑圍護結構分為臨時使用階段和永久使用階段，其中臨時使用階段設計使用年限為24個月，圍護結構側壁安全等級為一級，結構重要性系數按γ0=1.1取用。永久使用階段參與主體結構抗浮，設計使用年限與主體結構相同為100年，相應結構可靠度理論的設計基準期均采用50年。

3)基坑結構包含永久結構、臨時結構，其中臨時結構為基坑擋墻結構，地下連續墻及其冠梁為永久抗浮措施，按永久結構設計。

4)根據規范，本工程基坑變形控制按一級，沉降控制及基坑結構豎向和水平向變形不大于0.15%H，且不大于30 mm，H為基坑開挖深度。

5)圍護結構設計所考慮的荷載主要有結構自重、水土壓力、地面超載、支撐及主體結構板傳來的荷載等。

6)結構側向荷載為主動土壓力及超載產生的側向壓力，結構計算中按朗金公式的主動土壓力考慮。

3.2 基坑圍護設計方案概況

1)基坑為圓形，地下連續墻內徑20.4 m，外徑22.8 m，壁厚1.2 m，設置5道腰梁，倒掛井壁主體結構內徑18 m，壁厚1.2 m，基坑開挖深度為48.8 m，嵌固深度為20 m，地下水約位于地面下8 m。

本工程利用地連墻作為止水帷幕對坑外進行阻斷，坑內設置降水井，確保施工期間水位降至開挖面以下至少1 m；坑底以下分布有透水層，為保證基坑內部堵水效果，坑內疏干井不可打穿底部加固隔水層。

2)坑底進行加固處理，由于坑底無穩定隔水層，場地范圍內地下水位較高，且與黃河存在水力聯系，本工程采用高壓旋噴樁對坑底以下土體進行加固(加固層厚10 m)，起到隔水效果，以保證坑底穩定性。

基坑圍護結構橫截面圖見圖3。

3.3 圍護結構計算

1)水平面內受力計算。

圍護結構為圓形基坑地下連續墻，結構按環向受力進行設計，內力計算參照CECS137：2015給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程6.2.3中規定圓形結構水平內力計算方法。

本工程計算時分別取基坑深度為9 m，27 m及48.8 m(坑底)位置的地下連續墻閉合圓環進行分析，摩擦角差值取-8°時，PB達到最大，地下水位為-9 m。內力為：

NA=PArc(1+0.785 4ω′)，

NB=PArc(1+0.5ω′)，

圓形沉井井壁計算見圖4。

地下連續墻圍護結構水平面內配筋見表3。

表3 地下連續墻圍護結構水平面內配筋

2)基坑穩定性驗算。

a.墻底抗隆起穩定性驗算。

開挖至坑底深度為48.8 m，圍護結構嵌固深度20 m，插入比0.414。

從圍護結構底部開始逐層驗算抗隆起穩定性：

支護底部，驗算抗隆起：

Ks=3.593≥1.800，滿足。

深度70.710處，驗算抗隆起：

Ks=3.717≥1.800，滿足。

深度77.510處，驗算抗隆起：

Ks=4.111≥1.800，滿足。

b.抗突涌穩定性驗算。

基坑底部土抗承壓水頭穩定。

4 施工關鍵技術要點

1)連續墻成槽技術。本工程連續墻壁厚1.2 m，最大成槽深度達68.8 m，由于開挖范圍內存在較厚的卵石和砂層，地下水位較高，槽壁開挖后自穩條件差，在成槽、鋼筋籠安放、水下混凝土澆灌過程中均有較大的施工難度。經分析，本文案例地下連續墻施工擬采用成槽開挖擾動小、可靠性和穩定性較好的液壓雙輪銑槽機。將圓形基坑輪廓劃分為12個槽段，以多段線模擬圓形，進行成槽施工。成槽開挖前，應詳細設計后設置混凝土導向墻，提高地下連續墻成槽時的豎向精度；成槽時采用泥漿護壁，通過試驗確定泥漿配比；成槽后進行清孔換漿，以及成槽質量檢驗，符合標準后再吊放整幅鋼筋籠，灌注水下混凝土。

2)導向墻設置。為保證成槽施工精度，本工程地連墻施工前設置導墻，其可在施工時作為測量的基準，并儲存泥漿。導向墻采用C25鋼筋混凝土，橫截面為“ㄈ”型，平面整體形狀布置為多段線模擬圓形，導墻內凈空1 250 mm。

3)槽段接縫技術。由于地連墻成槽及澆筑為分期施工，為保證基坑圍護結構的整體性和接縫的防滲效果，槽段的接縫連接處理至關重要，目前槽段之間接縫連接可采用“工”字型鋼接頭、圓形鎖口管、波形鎖口管、十字形鋼板、復合型接頭等。本工程采用改良后的“工”字型鋼接頭，在工字鋼中間設置止水橫板，既保證接頭的剛度，又增加地下水滲漏路徑，提高防滲效果(見圖5)。

5 結語

以實際工程案例為依托，通過對比沉井和地下連續墻的特點與適用環境，結合本工程基坑所處環境情況以及后續盾構始發的使用功能需求，確定在富水砂層地質條件下的圓形深基坑圍護結構方案，主要得到以下幾點結論：

1)通過計算分別確定地下連續墻水平和豎向的各項設計參數，同時滿足基坑內凈空使用要求和安全穩定性。圓形基坑圍護結構應著重考慮水平面內受力計算，以控制截面配筋，豎向范圍需進行各項基坑穩定性驗算。

2)由于基坑場地范圍內地下水豐富，且與黃河存在水力聯系，圍護結構底部無有效隔水地層，本文采用高壓旋噴樁在坑底加固形成封底隔水層與地下連續墻形成圍閉止水方案，有效解決了地下水對基坑施工的影響。

3)富水砂層和卵石地層中地下連續墻成槽難度較大，槽壁質量控制技術要求較高，且連續墻總長度達68.8 m，施工前需著重研究各項關鍵技術，加強對已實施成功案例的調研學習。選擇有較強適應性和可靠性的銑槽機設備；根據場地條件合理設置導向墻；選用改良后的“工”字型鋼接頭，在工字鋼中間設置止水橫板；有條件的情況下應在正式工程施工前，進行現場成槽試驗，以保證地下連續墻施工質量。