上軟下硬復合地層地鐵豎井支護體系設計分析

丁 倉

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京）

引言

近年來，隨著城市化進程發展，城市交通壓力凸顯，為解決城市交通擁堵問題，我國城市加大軌道交通投資建設，截至2022 年末，我國開通地鐵城市增加到51 個，運營線路和在建線路都急劇增加，新建地鐵線路下穿既有線路情況越來越多，為避讓既有線路，新建線路通常埋深較深，主城區內地面交通壓力大，周邊環境復雜，暗挖車站越來越多，青島、大連等沿海城市上軟下硬復合地層對于暗挖車站豎井[1]支護設計提出更多要求。趙文強[2]采用彈性抗力法與等效被動土壓力法對青島上軟下硬巖層上部樁撐，下部鋼管樁+錨索支護體系對進行分析。胡義生[3]采用彈性支點法分析了“吊腳樁+錨索+巖層放坡噴錨”體系對于上軟下硬復合地層適用。劉紅軍[4]等通過對上軟下硬復合地層吊腳樁體系進行監測分析，總結了基坑開挖過程變形特點。王茂華[5]等結合青島地鐵車站基坑工程案例闡述了上軟下硬條件下上部灌注樁+錨索，下部鋼管樁+錨索支護方案。

本文依托青島地鐵在建某暗挖車站豎井，主要研究上軟下硬復合地質條件下豎井支護體系，并利用有限元模型和實施監測手段分析該支護下，豎井變形及對周邊管線及建筑物的影響。為類似地質及環境條件下的豎井支護設計提供技術參考。

1 工程概況

依托青島5 號線某在建暗挖車站豎井工程，車站為暗挖地下兩層11 m 島式站臺車站，車站全長228.5 m。共設4 個出入口。車站位于兩條城市主干道十字路口，沿道路路中敷設，現狀道路寬40 m，周邊主要為寫字樓與商住樓。車站共設置3 座施工豎井，本豎井位于車站東側綠化帶內，與車站1 號安全出口永臨結合設置。豎井周邊存在中壓燃氣管、帶壓給水管、大直徑雨污水管線、暗渠及國際海纜等重要管線，變形控制要求較高。臨近商住樓為地上16 層混凝土框架-剪力墻結構，地下2 層，為樁基礎，樁底位于中風化花崗巖，地下車庫入口距離豎井水平距離最近約25.0 m。總平面如圖1 所示。

圖1 車站豎井施工總平面

2 工程地質

場區地勢較平整，擬建場地地貌類型為山麓斜坡堆積區地貌。豎井范圍主要為第四系全新統人工填土層及上更新統陸相沖洪積粉質黏土、含黏性土礫砂，基巖為強風化花崗巖下亞帶，中風化花崗巖及微風化花崗巖，受區域性構造作用的影響，巖體局部節理、裂隙密集發育，見煌斑巖（χ53）呈脈狀侵入。第16○下層、強風化花崗巖下亞帶局部為砂礫狀揭露層厚0.60～5.70 m。第17○層、中風化花崗巖屬較軟巖，巖體完整程度為較破碎。第18○層微風化花崗巖屬較堅硬巖～堅硬巖。地下水類型主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水。第四系孔隙潛水主要含水地層為素填土、含黏性土礫砂。基巖裂隙水主要賦存于構造巖、基巖強～中風化帶及節理密集帶中，巖土力學參數詳見表1。

表1 巖土力學參數

3 設計方案

車站3 號豎井位于車站東側綠化帶內，根據周邊環境及豎井出渣能力要求，井口尺寸為8.0 m×6.0 m，豎井深約27.6 m，豎井場區地層自上下依次為素填土、粉質粘土、含粘性土礫砂層（局部）、強風化花崗巖下亞帶、中風化花崗巖、微風化花崗巖，豎井自身風險初始等級為Ⅰ級，地層特點是上軟下硬。上部第四系土層穩定性較差，特別是素填土層由黏性土、砂及塊石等組成，穩定性差，透水性強，下部基巖強度較高，穩定性較好。對于上軟下硬復合地層，采用單一支護形式難以適應，傳統倒掛井壁法在軟弱地層豎井穩定性較差，變形難以控制，施工風險較高。樁（墻）+內支撐支護，硬巖部分成樁難度大，工效較低，工期長，成本較高。青島地區對于上軟下硬深大基坑，采用吊腳樁支護體系已經較多，本豎井結合吊腳樁支護體系，充分考慮豎井空間效應，采用上部圍護樁+環框梁，下部倒掛井壁法錨噴支護體系，支護斷面詳見圖2。結合青島地區經驗及計算分析，本豎井上部圍護樁為Ф800@1400，基底嵌入中風化巖層2.5 m，環框梁混凝土結構，截面尺寸1 000 mm×1 000 mm，共設置3 道，第三道環框梁兼做下部豎井鎖口圈梁，樁間設置Ф1000 高壓旋噴樁止水，下部中風化豎井井壁噴混300 mmC25 早強混凝土，Ф25 中空錨桿長度3 m，環縱向間距2.0 m×2.0 m(梅花形布置)。

圖2 地質支護斷面

4 有限元計算分析

地層結構法計算采用Midas GTS（NX 2017 R1）有限元分析軟件建模分析，根據地質勘探報告中豎井范圍巖土的物理力學性質，在有限元計算當中采用了理想彈塑性材料。模擬計算模型尺寸選取，兩側取豎井三倍深度，底部也取三倍豎井深度，利用莫爾- 庫侖土體模型。模擬計算時，采用實體單位，約束條件兩側限制水平移動，豎向限制水平和豎向兩個方向。考慮初始地應力平衡，忽略構造應力。豎井開挖過程通過軟件提供的“鈍化”來實現。計算簡圖見圖3～圖5。

圖3 沉降云圖

圖4 建筑變形云圖

圖5 水平位移云圖

模擬計算時，豎井采用分層開挖，開挖進尺為2 m。開挖軟土豎井地表最大沉降量3.47 mm，開挖硬巖豎井地表最大沉降量3.49 mm。地表變形主要上部軟土開挖時，下部硬巖開挖對地表變形影響較小，地面累計沉降滿足設計控制標準要求。開挖軟土豎井商住樓最大沉降量0.560 mm，開挖硬巖豎井商住樓最大沉降量0.563 mm。地表變形主要上部軟土開挖時，下部硬巖開挖對地表變形影響較小，商住樓累計沉降滿足設計控制標準要求。豎井井壁凈空收斂最大值為3.98 mm，滿足凈空收斂控制標準要求。

5 實測數據分析

本豎井安全等級為一級、監測等級為一級、變形控制等級為一級。根據《城市軌道交通工程監測技術規范》變形控制標準為：（1） 豎井最大水平位移≤0.15%H，且≤25 mm。（2） 地面最大沉降量≤0.3%H且≤30 mm。（3） 樁頂/樁體及樁頂豎向位移限制為±20 mm。（4） 商住樓整體傾斜不超過0.002，局部傾斜不超過0.001，累計沉降不大于20 mm。熱力管、供水管及燃氣管等有壓管線累計沉降值不大于10 mm，變化速率不大于2 mm/d，差異沉降不大于0.25%Lg；雨水管、污水管、暗渠、電力管等一般管線累計沉降值不大于20 mm，變化速率不大于3 mm/d，差異沉降不大于0.3%Lg。

目前，本地鐵豎井已施工完成，施工過程未發生坍塌事故或者變形預警問題。持續監測半年，地表沉降累計值為-14.2 mm，樁頂豎向位移累計值為-2.0 mm，樁頂水平位移累計值為4.4 mm，樁體水位累計值為3.5 mm，地下水位變化最大值為±1 470 mm，井壁凈空收斂累計為10.0 mm，管線沉降累計值為-7.1 mm，環框梁軸力最大為1 210 KN，商住樓累計沉降變形2 mm。豎井自身、周邊高層商業住宅和管線變形均滿足控制要求。下部硬巖施工段，爆破振速控制較好，對于住宅樓爆破振速控制在1.0 cm/s 以內，在該爆破振速控制下，建筑物也未發生裂縫，對周圍居民影響較小。監測分析表詳見圖6。

圖6 隨豎井開挖變形監測表

通過現場實際測量數據分析發現，豎井下部倒掛井壁法施工時，周圍建筑物和管線變形較小，隨著向下開挖，豎井基坑變化趨勢放緩，變形主要受上部軟土開挖影響，之后設計中應加強上部軟土處吊腳樁措施，加強支護剛度控制變形。監測第8～第10 周期時，樁體位移和豎井凈空收斂突變，分析主要為井壁堵水注漿壓力導致，停止注漿后，變形趨于平緩。

6 結論

對于上軟下硬復合地層豎井，結合地鐵施工豎井開挖深度較深，平面規整且規模較小特點，考慮豎井開挖空間效應，創新地把明挖基坑開挖與倒掛井壁法相結合，上部軟弱土層采用灌注樁+混凝土環框梁，下部硬巖采用倒掛井壁法進行錨噴支護體系。該支護體系較樁+內支撐+止水方案可以優化井口尺寸，較樁+錨索方案地層適用性更強，止水效果更好。上部軟弱土層采用灌注樁+混凝土環框梁，下部硬巖采用倒掛井壁法進行錨噴支護體系可以較好地利用圍巖自穩性，同時可以有效控制施工工期，節省造價。結合數值計算和現場監測數據分析，樁+環框梁+錨噴+旋噴樁止水支護體系安全可靠，對于上軟下硬復合地層施工豎井具有較好的適用性。