填海淤泥地層蓋挖半逆作地鐵地下停車場(chǎng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)

彭 帥，張 馳，文彥鑫

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031）

1 前言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的地下工程在填海淤泥地層中建造。由于填海淤泥地層為軟弱地層，土層孔隙比大、含水量高、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、靈敏度高，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向約束能力弱，易導(dǎo)致基坑變形過(guò)大。同時(shí)，填海淤泥地層充填人工填塊石層，地層均勻性差、塊石粒徑大、透水性強(qiáng)、自穩(wěn)能力差，對(duì)基坑支護(hù)、樁基施工具有不利影響。如何在填海淤泥地層周邊環(huán)境變形控制嚴(yán)格的條件下，保證地下工程的順利實(shí)施，是需要解決的工程難點(diǎn)問(wèn)題。

地鐵地下停車場(chǎng)施工方法主要有明挖法和蓋挖法2 種。明挖法施工是先開挖地面土體形成基坑，然后在基坑中修筑主體結(jié)構(gòu)的一種地下工程施工方法。明挖法施工工序簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，在地鐵地下停車場(chǎng)中廣泛應(yīng)用。蓋挖法是在蓋板及支護(hù)體系保護(hù)下，進(jìn)行土方開挖、結(jié)構(gòu)施工的一種地下工程施工方法，其中蓋挖半逆作法是指結(jié)構(gòu)頂板中的混凝土梁板兼作基坑水平支撐，完成圍護(hù)結(jié)構(gòu)及頂板后，分層開挖土方、架設(shè)支撐，從底板自下而上施工其余結(jié)構(gòu)的施工方法[1]。由于逆作頂板與圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接成整體，水平剛度比常規(guī)的支撐體系大大提高，可有效控制支護(hù)結(jié)構(gòu)位移。同時(shí)逆作頂板可兼作施工場(chǎng)地使用，大大縮短施工工期。因此，蓋挖半逆作法更適用于變形控制要求嚴(yán)格、施工場(chǎng)地條件受限的環(huán)境條件。深圳地鐵13 號(hào)線內(nèi)湖停車場(chǎng)是全國(guó)第一個(gè)位于填海淤泥地層的全地下地鐵停車場(chǎng)，本文以內(nèi)湖停車場(chǎng)為例，探討填海淤泥地層蓋挖半逆作地下結(jié)構(gòu)水平支護(hù)體系設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供參考和借鑒。

2 工程概況

深圳地鐵13 號(hào)線內(nèi)湖停車場(chǎng)位于深圳灣總部基地，內(nèi)湖人才公園下方，為兼車輛段功能的全地下1～2 層地鐵地下停車場(chǎng)，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)725 m，寬149 m，深12～15 m，總建筑面積約10.0 萬(wàn)m2，為亞洲最大的蓋挖地鐵地下停車場(chǎng)。地鐵停車場(chǎng)東側(cè)鄰近沙河西路，西側(cè)鄰近科苑大道及深圳灣一號(hào)城市綜合體，南側(cè)鄰近東濱路，北側(cè)鄰近人才公園（一期）及深圳灣內(nèi)湖，平面圖及實(shí)景圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 內(nèi)湖停車場(chǎng)平面圖（單位：m）

圖2 內(nèi)湖停車場(chǎng)實(shí)景圖

內(nèi)湖停車場(chǎng)場(chǎng)地原為海積平原地貌，后經(jīng)填海平整為陸地，地勢(shì)較為平坦。基坑開挖地層從上至下主要為素填土（可塑狀）、填碎石土、填塊石、填砂、淤泥（軟塑～流塑狀）。地基持力層主要為淤泥（軟塑～流塑狀）、粉質(zhì)黏土（可塑狀），土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)分析

在填海淤泥地層中采用蓋挖半逆作法修建地鐵地下停車場(chǎng)可借鑒的經(jīng)驗(yàn)少，工程特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）頂板兼作第一道支撐和永久頂板，保證填海淤泥地層開挖施工支護(hù)結(jié)構(gòu)安全和周邊環(huán)境安全的同時(shí)，還要為現(xiàn)場(chǎng)施工提供場(chǎng)地條件，滿足施工和使用階段的荷載要求，其設(shè)計(jì)需綜合考慮諸多影響因素。

（2）填海淤泥地層中充填大量回填塊石，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地基加固設(shè)計(jì)，需要考慮地下障礙物對(duì)施工的不利影響。

（3）蓋挖半逆作施工，僅頂板逆作兼作基坑第一道水平支撐，末逆作施工中板。在深厚淤泥地層段，如何增設(shè)第二道支撐，是水平支撐設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。

（4）豎向支承臨時(shí)鋼立柱兼永久柱，臨時(shí)結(jié)構(gòu)與永久結(jié)構(gòu)如何可靠連接，在深厚軟弱地層中如何保證樁基礎(chǔ)承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求也是該工程一大難點(diǎn)。

4 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

4.1 總體方案

內(nèi)湖停車場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)采用箱形框架結(jié)構(gòu)、蓋挖半逆作法施工。頂板及立柱逆作施工后，蓋挖至基坑底順筑施工側(cè)墻、底板、中板及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用咬合樁支護(hù)，施工階段豎向支撐構(gòu)件采用鋼格構(gòu)柱，使用階段主體結(jié)構(gòu)中柱采用型鋼混凝土柱（格構(gòu)柱后澆混凝土），同時(shí)割除不需要的臨時(shí)鋼格構(gòu)柱。代表結(jié)構(gòu)橫剖面如圖3所示，地層-結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型如圖4所示，主要施工步序如圖5所示。

圖3 代表結(jié)構(gòu)橫剖面圖（單位：m）

圖4 地層-結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

圖5 施工工序圖

4.2 支護(hù)體系設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型

地下連續(xù)墻施工振動(dòng)小、墻體剛度大，防滲性能好，既可作為基坑的側(cè)向支護(hù)結(jié)構(gòu)，也可作為逆作樓板的豎向承載結(jié)構(gòu)。因此，蓋挖法施工的圍護(hù)結(jié)構(gòu)若在軟土地層中，可優(yōu)先采用地下連續(xù)墻[1]。但由于本工程位于淤泥填海區(qū)，軟弱淤泥層中存在大量填塊石，現(xiàn)場(chǎng)開挖地層如圖6、圖7所示。填塊石層埋深約0.0～19.0 m，揭露厚度0.6～15.3 m，塊石粒徑多為20～40 cm，最大粒徑超過(guò)1.5 m。采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔的同時(shí)具有良好的清障效果，適用于硬質(zhì)地下障礙物密集的復(fù)雜地質(zhì)條件[2]。因此，本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)推薦采用咬合式排樁支護(hù)、硬切割施工工藝，即在Ⅰ序樁混凝土初凝后進(jìn)行Ⅱ序樁成孔作業(yè)，如圖8所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)開挖淤泥地層

圖7 現(xiàn)場(chǎng)開挖填塊石地層

圖8 咬合式排樁布置（單位：mm）

4.2.2 基坑加固措施

基坑開挖地層主要為淤泥，且基坑底部以下淤泥不利厚度可達(dá)9.5 m。當(dāng)基底嵌固段淤泥不采取加固措施時(shí)，根據(jù)有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果，計(jì)算地面最大沉降位移為44 mm，基坑內(nèi)最大隆起位移為32 mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為35 mm、最大彎矩為2 275 kN·m，不滿足SJG 05-2011《深圳市基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》中的變形控制要求[4]。

本工程采用雙重管高壓旋噴樁、三軸攪拌樁加固基坑嵌固段范圍內(nèi)淤泥，以提高土體的抗剪強(qiáng)度和側(cè)向抗力。基坑內(nèi)土體加固布置，如圖9所示。含填塊石土?xí)r，在地質(zhì)鉆引孔后，采用雙重管高壓旋噴樁加固；無(wú)填塊石土?xí)r，采用三軸攪拌樁加固。

圖9 基坑加固布置圖（單位：mm）

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工測(cè)試，采用三軸攪拌樁加固時(shí)，水泥摻量不小于150 kg/m；高壓旋噴樁加固時(shí)，水泥摻量不小于210 kg/m，可滿足水泥土加固體28 天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa 的設(shè)計(jì)要求。基底嵌固段淤泥加固后，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，水泥土加固體強(qiáng)度取原始土體強(qiáng)度的4倍進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，地面最大沉降位移為16 mm，基坑內(nèi)最大隆起位移為9 mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為12 mm、樁身最大彎矩為1 428 kN·m，可滿足SJG 05-2011《深圳市基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》中的變形控制要求[4]。

4.2.3 水平支撐設(shè)計(jì)

（1）頂板逆作。頂板逆作兼圍護(hù)水平支撐結(jié)構(gòu)，頂板、頂梁應(yīng)同時(shí)滿足施工期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力和使用期間主體結(jié)構(gòu)受力要求。對(duì)于后期需要割除的臨時(shí)立柱，應(yīng)單獨(dú)設(shè)置系梁以滿足施工期間受力。

（2）模板體系。為減少淤泥地層沉降變形的不利影響，本工程采用開挖土層2.5 m、建渣夯實(shí)加固地基后，架設(shè)鋼管支架澆筑頂板。

（3）斜撐設(shè)計(jì)。當(dāng)開挖地層位于不利淤泥地段（淤泥厚度達(dá)15 m 時(shí)），需要增設(shè)第二道支撐。為方便施工，可將側(cè)墻逆作至第二道支撐下方，并將鋼斜撐與頂梁連接，以結(jié)構(gòu)頂板自重和覆土壓重來(lái)平衡支撐軸力，具體如圖10、圖11所示。

圖10 水平斜撐設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖11 現(xiàn)場(chǎng)水平斜撐圖

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，不利淤泥段增設(shè)鋼斜撐后，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形可由28 mm 減小為22 mm。

4.2.4 豎向支承設(shè)計(jì)

（1）邊支座約束。內(nèi)湖停車場(chǎng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)兼作逆作頂板的豎向邊支座。

（2）中支座約束。施工期間頂板中間支座采用臨時(shí)鋼格構(gòu)柱，后期兼作型鋼混凝土永久柱，鋼格構(gòu)柱采用一柱一樁形式。

由于該工程地質(zhì)鉆孔揭露60 m 深度范圍末見(jiàn)中風(fēng)化巖層，設(shè)計(jì)樁端持力層為全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（土狀），為提高樁基豎向承載力，采用擴(kuò)底樁設(shè)計(jì)，且預(yù)留樁底后注漿條件，當(dāng)施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)立柱沉降超過(guò)20 mm時(shí)，啟動(dòng)樁端后注漿加固措施。中間立柱節(jié)點(diǎn)做法如圖12所示。

圖12 臨時(shí)立柱與頂板連接大樣圖（單位：mm）

5 支護(hù)體系實(shí)施效果

（1）環(huán)境保護(hù)指標(biāo)。根據(jù)監(jiān)測(cè)報(bào)告，實(shí)際施工過(guò)程中基坑邊最大地表沉降為19.8 mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形為15.6 mm，鋼格構(gòu)柱最大沉降12.21 mm，頂板最大上浮3.0 mm，周邊建筑最大沉降10.5 mm，周邊管線最大沉降12.3 mm，均滿足SJG 05-2011《深圳市基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》中的變形控制要求[4]。

（2）進(jìn)度經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。內(nèi)湖停車場(chǎng)總建筑面積約10 萬(wàn)m2，從2019年9月樁基施工，至2021年6月主體結(jié)構(gòu)竣工，總工期僅21 個(gè)月。逆作頂板為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了寬闊的場(chǎng)地條件，與同條件的明挖順作法工程對(duì)比，節(jié)約工期約6 個(gè)月。頂板逆作施工，無(wú)需設(shè)置后期拆除的混凝土支撐，方便施工的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，與同條件的明挖順作法工程對(duì)比，節(jié)約工程造價(jià)約1 293 萬(wàn)元。

（3）社會(huì)效益指標(biāo)。由于頂板逆作，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用樓板代替水平支撐，施工的安全度大大增加。此外，地下開挖在頂板的保護(hù)下實(shí)施，施工形象好、施工噪聲小，實(shí)現(xiàn)了安全文明施工。

6 結(jié)論

本文以內(nèi)湖停車場(chǎng)為例，探討填海淤泥地層蓋挖半逆作地下結(jié)構(gòu)水平支護(hù)體系設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，總結(jié)主要工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)如下。

（1）當(dāng)填海淤泥地層基坑支護(hù)深度小于15 m、支撐數(shù)量不大于2 道時(shí)，采用蓋挖半逆作法設(shè)計(jì)既可解決基坑變形引發(fā)的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，又可減少工期和工程造價(jià)。

（2）蓋挖半逆作地下工程位于填海淤泥地層，應(yīng)考慮人工填碎石、填塊石層對(duì)鉆孔的不利影響，合理選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式和基坑內(nèi)土體加固措施。

（3）蓋挖半逆作地下工程位于填海淤泥地層，建議開挖土層并加固地基后，架設(shè)鋼管支架澆筑頂板，避免土模澆筑頂板導(dǎo)致施工沉降。支護(hù)結(jié)構(gòu)可根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，決定是否增設(shè)第二道鋼斜撐設(shè)計(jì)，提高水平支護(hù)承載力。

（4）蓋挖半逆作地下工程位于填海淤泥地層，臨時(shí)立柱樁端持力層未遇巖層時(shí)，可在全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（土狀）地層采用擴(kuò)底樁設(shè)計(jì)并采用預(yù)埋樁端后注漿措施，提高樁基承載力、控制立柱沉降。