軟土地區超深地墻基坑設計要點

汪 健 王 波 王世君

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司）

1 工程概況

1.1 車站概況

兒童公園站為寧波軌道交通3、4 號線換乘車站，兩站“T”型換乘。其中3 號線車站位于下方，4 號線在位于上方，兩線車站同期實施。3 號線車站為地下三層車站，位于興寧路與中興路路口西北側，主體大部分位于兒童公園內，車站西側為現狀中興路。4 號線車站沿興寧路北側布置，為地下兩層車站，車站在東北限設置3、4 號線聯絡線，聯絡線位于現狀兒童公園內（見圖1）。

圖1 兒童公園站車站總平面圖

3 號線兒童公園站站長302m，標準段寬23.1m。車站圍護結構采用地下連續墻+內支撐體系，明挖順作法施工。

1.2 工程地質與水文地質

勘察揭示：擬建場地地層均為第四紀沉積地層。在地面以下85m 深度范圍內地層除①1 層屬近代形成外，①2、①3、②、③層為全新世Q4地層，⑤、⑥、⑦、⑧層為晚更新世Q3地層，⑨層為中更新世Q2地層（見圖2）。整套地層主要由粘性土、淤泥質土、粉性土、深層的砂土組成，地層分布規律較復雜。

圖2 兒童公園站地質縱剖面圖

對3 號線車站主體基坑影響較大的主要是I2層孔隙承壓水，I2層孔隙承壓水賦存于⑧1層粉細砂中，滲透系數約10-2㎝/s，透水性屬中等，水量豐富，單井開采量200～1000m3/d，系市區地下水主要開采層之一，水溫為19.5～20.0℃，水質為微咸水。⑧1層粉細砂：灰色，廣泛分布，層位起伏相對較大，層頂埋深47.0～53.0m，層頂標高-49.76～-43.85m，厚度約為18～29m。密實狀態，具中～低壓縮性。標貫擊數N 實測平均值為55.0，重型動力觸探擊數N63.5實測平均值為19.3。

表1 地層物理力學參數

2 圍護結構總體方案的選擇

3 號線兒童公園站為地下三層車站，受仇畢站～兒童公園站區間下穿甬臺溫鐵路樁基標高控制，車站開挖深度較一般地下三層車站深約2～3m，標準段深度達到26.41m，端頭井深度達到28.47m，屬于軟土地區超深基坑。根據地勘資料計算，⑧1層粉細砂承壓水安全系數約為0.85，抗承壓水系數不滿足規范要求。該層承壓水透水性屬中等，水量豐富，降水對周邊環境影響大，目前寧波地區尚未有降該層承壓水的案例。考慮到中興路西側丹鳳社區（60 余幢），中塘河以北的朱雀社區、寧東家園等（120 余幢）建筑樓建造年代較久，結構安全等級低、結構質量差。⑧1層降水影響范圍大，根據寧波已有的經驗，不能采用降水的方案處理。經過方案比選及專家論證，最后確定了加深地墻隔斷承壓水的處理方案。采用寶峨BCS40 雙輪銑槽機成槽，地下連續墻深76～77m，其中三幅試驗幅成槽深度已達到110m（見圖3）。

圖3 兒童公園站超深地墻分布圖

3 超深地墻基坑設計主要問題分析

超深地下連續墻由于深度大，成槽工藝、接頭形式不同于常規意義的地墻，其設計方法與內容亦與普通地墻的設計不同。既有工程案例較少，基坑圍護結構結構設計時需結合超深地墻的特點進行重點研究。

3.1 成槽工藝選擇

根據地墻成槽經驗，采用抓斗成槽，當土層標貫擊數超過30，成槽速度會急劇下降，當標貫擊數超過50時，抓斗成槽困難[1]。由于超深地墻需穿透⑧1層（標貫擊數55），正常成槽非常困難，因此地墻成槽需采用銑槽機。

3 號線兒童公園站圍護結構采用76～77m 深地下連續墻，一期成槽寬6.6m，二期成槽寬為2.8m（見圖4）。由于槽段太深，為節省成本，擬采用“抓銑結合”方式（液壓抓斗+銑槽機）成槽。一期槽上部25m 深的地層采用抓斗成槽機開孔，之后使用銑槽機再次從槽頂開始銑槽。

圖4 超深地墻分幅示意圖

3.2 槽壁加固設計

根據成槽工效分析，軟土地區類似深度普通地墻一幅成槽時間約1.5 天[2]，超深地墻（抓銑結合）一般兩幅地墻（1 幅一期槽段+1 幅二期槽段）成槽時間需要5天，因此超深地墻在成槽時間上耗時較長，對槽壁的穩定性要求較高。

槽壁加固是保證地墻槽壁穩定性最為直接的方式[3]，考慮到成槽時間較長，且銑槽機自身重量較大，為了保證槽段穩定性，擬采用槽壁加固保證成槽穩定性。地墻兩側采用φ850@600 三軸攪拌樁加固，形成“夾心餅干”，深度為地面至地面以下15m，并穿過②2T淤泥淤泥土層。

3.3 地墻接頭選擇

槽段接頭形式是地下連續墻施工工藝的核心技術，也是后期施工安全的重要保障。在超深地下連續墻施工中，頂拔接頭裝置經常出現難以拔出或拔斷等情況，設計時需針對接頭形式進行詳細比選。考慮到墻深度大，采用鎖口管接頭或十字鋼板接頭施工困難，最終確定采用套銑接頭的形式。

接頭套銑即二期槽施工時將一期槽墻體切削掉30㎝混凝土（根成槽深度及精度確定）（見圖5），露出粗糙的新鮮砼面，這相當于在原有的混凝土表面打毛的作用，使得一期槽段和二期槽段能夠緊密接觸[4]。雙輪銑在將一期槽一部分混凝土削除的同時，將附在一期槽接頭上的泥漿和粘土清除，能有效地減少連續墻接縫夾泥與因夾泥而導致的滲水。在銑槽機成槽以后，履帶吊只需滿足純鋼筋籠吊裝，下導管并完成混凝土澆筑，不需要接頭管保養、進場及吊裝等其他額外工序。因為沒有接頭裝置，施工工藝簡單，出現事故的幾率很低，接頭施工不受連續墻深度的影響。

圖5 套銑接頭的選擇

3.4 支護體系設計

3.4.1 支護方案

3 號線兒童公園站標準段底板埋深約為26.41m，圍護結構采用1000mm 厚地下連續墻+混凝土（第一、三、五道支撐）和鋼管內支撐體系（見圖6），連續墻插入比約為0.91；結構側墻厚900mm（站廳層厚700mm），頂板厚800mm，底板厚1200mm。南（北）盾構端頭井基坑深28.47m（27.71m），采用1200mm 厚地下連續墻+混凝土（第一、三、五道支撐）和鋼管內支撐體系，連續墻插入比約為0.91；結構側墻厚1000mm，頂板厚800mm，底板厚1300mm。

圖6 標準段圍護結構橫剖面圖

為提高基坑支撐系統的安全性，在軟土地區常規地下三層車站基坑第一、五道支撐采用混凝土支撐的基礎上，第三道支撐調整為混凝土支撐。

由于超深地墻采用套銑接頭，地墻分幅不同于常規的分幅，較難實現“一墻兩撐”。為滿足支撐布置的要求，并增強圍墻的整體性，鋼支撐與地下連續墻之間增加設置鋼圍檁。

3.4.2 圍護結構計算

基坑安全等級為一級，變形保護等級為二級。經計算，標準段圍護結構最大水平位移44mm（見圖7），滿足規范要求。

圖7 標準段圍護結構內力變形包絡圖

3.5 地墻檢測、檢驗相關要求

地墻成槽質量檢測：由于超深地下連續墻深度大，上部地墻設有鋼筋籠，下部約22～27m 范圍內為素砼，該部分的質量也需要檢測，需設置相關的檢測設施。為保證超深地墻聲測管及測斜管全長埋設，下部素混凝土段需適當增加部分構造鋼筋，設置數量按超深地墻總數的40%控制。為避免聲測管在混凝土澆筑過程中變形過大或堵管，影響地墻完整性檢測，需增大聲測管管徑及壁厚，聲測管管徑由DN50 調整為DN80、壁厚為4mm 的鍍鋅鋼管。

地墻截水質量效果檢驗：為檢驗超深地墻隔水的可靠性，基坑施工時，土方正式開挖前，需進行生產性降水試驗，確保坑內水位滿足開挖要求。通過坑外水位平面上的變化判斷圍護結構的完好性；根據坑內地下水回升速度，確定現場備用電源的配置情況及水泵再次出水的間斷時間。

4 實施效果分析

4.1 超深地墻對承壓水控制效果分析

根據基坑開挖過程中水位監測資料反饋，坑內⑧1層粉細砂承壓水降水過程中，坑外相應觀測井水位基本無變化，表明超深地墻有效地隔斷了坑內外承壓水聯系。

根據沉降監測數據反饋，建筑物最大沉降量僅13.5mm，表明基坑開挖過程中沉降控制非常有效，對周邊老舊房屋（丹鳳社區、寧東家園等）起到了很好的保護，達到了預期的設計要求。

4.2 超深地墻圍護變形分析

11～19 軸基坑西側為超深地墻（套銑接頭），東側為普通地墻（鎖口管接頭），圍護變形監測數據顯示采用“套銑接頭”超深地墻的圍護結構水平變形較采用鎖口管接頭的普通地墻的圍護結構偏大。同一圍護橫斷面上CX22（普通地墻側）測點最大水平位移49.8mm 與計算值44mm 接近，但CX6（超深地墻側）測點最大水平位移124.2mm（見圖8）。經分析，主要有以下兩個原因：

圖8 地墻水平變形曲線

⑴基坑從上到下圍護設置了三道混凝土支撐，且鋼支撐位置設有鋼圍檁，導致支撐架設較慢，無支撐暴露時間較長；

⑵地墻采用套銑接頭，幅與幅之間僅靠素混凝土咬合，接頭剛度較小，圍護整體性較弱。

4.3 支撐體系設計優化建議

考慮到設置圍檁后，無支撐暴露時間較長，建議后續類似工程，標準對撐段支撐體系可以適當優化。見圖9。

圖9 支撐體系設計優化

建議優化方案一：支撐考慮疏密布置，一期槽段采用“一墻兩撐”，二期槽段采用雙拼鋼支撐，支撐對稱布置于槽段中部。

建議優化方案二：一期槽段支撐布置同方案一，二期槽段增加雙拼型鋼圍檁，采用單根鋼支撐對撐，支撐端部增加八字型鋼斜撐。

隨著城市的發展，地鐵線路、地下空間開發、城市深隧排水等工程向著更深的深度發展，因此不可避免地會出現類似的工程，本案例的設計方案及施工方法可為類似工程建設提供參考和幫助。本案例的主要結論及建議如下：

⑴超深地墻方案成熟可靠，在隔斷深層承壓水的應用中是成功的，安全性較高，但也存在施工難度大、工期長、費用高等缺點，在方案確定階段需充分論證，慎重選擇。

⑵軟土地區超深地墻基坑方案設計上不同于常規地下連續墻基坑，主要表現在成槽工藝、接頭形式、內支撐布置等方面的差異，基坑設計時應充分考慮其特點。

⑶超深地墻采用套銑接頭施工工藝簡單，止水效果可靠性高，但圍護結構的整體性較采用鎖口管接頭或型鋼接頭的圍護結構稍弱。監測數據顯示同等條件下，其變形較采用鎖口管的普通地墻圍護結構偏大，圍護結構設計時建議在圍護及內支撐剛度上適當加強。

⑷考慮到鋼圍檁架設耗費時間較長，為減少無支撐暴露時間，建議后期類似工程進一步研究對撐段取消圍檁的可行性。支撐可考慮疏密布置，一期槽段“一幅兩撐”，二期可以采用雙拼鋼支撐或采用單根支撐并改進支撐端部形式，并確保二期槽段對稱受力。