地連墻與內(nèi)支撐組合在地鐵車站深基坑工程中的應(yīng)用研究

李科增，孫廣臣*，楊煥白，劉慧芬

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙410004；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院，廣東佛山528225；3.中鐵五局集團第二工程有限責任公司，湖南衡陽421002）

為了應(yīng)對“城市綜合癥”［1］，緩解城市地面上的交通壓力，地鐵工程建設(shè)進展非常迅猛，地鐵車站深基坑工程作為地鐵工程項目極其重要的一部分，正飛速地向規(guī)模更大、深度更深的方向發(fā)展，隨之而來基坑開挖和支護的問題已成為土木工程的熱點和難點［2］。因城市用地緊張，已出現(xiàn)越來越多需要在緊鄰既有地鐵站條件下進行新建地鐵站深基坑施工的工程案例，在鄰近既有車站條件下，新建地鐵車站的施工往往是一項施工風險極大的復(fù)雜工作與系統(tǒng)工程，不但需要避免新建車站對既有車站及附屬工程的影響，更要合理評價和盡量減少距離很近的既有車站（如直線距離10 m左右）對新建車站在基坑開挖、支護施工過程中力學(xué)特性的影響，因而需要開展針對性的研究，以確保新建地鐵車站在施工過程中的安全與穩(wěn)定。

張光建等［3］以某地鐵換乘車站深基坑作為研究背景，通過建立三維有限元模型，對地鐵車站深基坑開挖的過程進行數(shù)值模擬計算，同時將支撐軸力計算值與實測值進行了分析比對，發(fā)現(xiàn)兩者具有一致的發(fā)展變化規(guī)律，表明建立的三維有限元模型能夠較好地模擬異形基坑的開挖施工過程，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計和施工提供了參考。肖武權(quán)等［4］對深基坑的支護方案、所選支護類型的細部結(jié)構(gòu)設(shè)計分析計算的優(yōu)化進行了詳細探討，通過運用多目標決策模糊集理論以及層次分析法來優(yōu)選具備多屬性、模糊特性的深基坑支護方案。余曉琳等［5］以收集到的國內(nèi)一些工程實例作為研究對象，分析了基坑在開挖之后土體位移場產(chǎn)生的變化，總結(jié)了基坑開挖施工對鄰近既有車站結(jié)構(gòu)的影響。廖貅武等［6］通過運用基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的多屬性決策方法分析方案之間的優(yōu)勢關(guān)系，得到了最優(yōu)的支護方案，并用具體實例證明了該方法可行、有效。趙洪波等［7］提出了一種優(yōu)化基坑支護設(shè)計的新方法，用支持向量機來表示支護設(shè)計參數(shù)和基坑安全系數(shù)兩者間復(fù)雜的非線性映射關(guān)系，以微粒群算法為優(yōu)化工具，通過一個具體的工程實例展示了該方法出色的全局優(yōu)化能力。O ROURKE［8］、FINNA［9］通過對現(xiàn)場深基坑進行實測分析，得到了圍護體系的受力變形及其影響，以及造成不同結(jié)果的原因?；拥拈_挖卸載打破了鄰近地鐵車站原有場地的平衡，使土層應(yīng)力重新分布，繼而引起地鐵車站產(chǎn)生新的內(nèi)力和變形。已運營地鐵車站要求嚴格控制車站結(jié)構(gòu)的變形，以確保正常運營以及安全穩(wěn)定［10-13］。

本文以武漢市軌道交通16號線老關(guān)村站為工程背景，結(jié)合該車站深基坑在開挖、支護施工過程中支護結(jié)構(gòu)的受力、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，介紹該工程所采用基坑支護方案的主要施工工藝，為類似工程項目提供有益借鑒。

1 工程概況

武漢軌道交通16號線一期老關(guān)村站位于沌口路以東地塊內(nèi)，與既有6號線老關(guān)村站平行換乘，如圖1所示，周邊場地較為開闊，建設(shè)條件較好，采用明挖法施工。老關(guān)村站為地下二層島式車站，車站有效站臺中心里程處底板埋深16.68 m，車站頂板覆土3.2 m。車站主體結(jié)構(gòu)外包總長227.3 m，總寬22.2 m（標準段），有效站臺長度140 m，站臺寬13 m，雙柱三跨結(jié)構(gòu)。根據(jù)車站地質(zhì)勘察報告，綜合考慮車站站址環(huán)境及周邊規(guī)劃情況，臨近既有車站一側(cè)圍護結(jié)構(gòu)及大里程端端頭采用1 000 mm厚的地下連續(xù)墻，其余側(cè)圍護結(jié)構(gòu)均采用800 mm厚地下連續(xù)墻，且墻頂設(shè)冠梁，采用鋼筋混凝土支撐和鋼支撐作為支撐體系使用。

圖1 工程概況平面示意圖

2 工程地質(zhì)與水文條件

2.1 工程地質(zhì)

根據(jù)鉆孔揭露，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析，場地表層分布人工填土層，其下依次為第四系全新統(tǒng)沖積層、上更新統(tǒng)沖積層、上更新統(tǒng)沖洪積層，下伏基巖為白堊—古近系東湖群碎屑巖，基坑開挖標準段工程地質(zhì)橫剖面如圖2所示。

場地特殊巖土為：1）填土：物理力學(xué)性質(zhì)相差懸殊，成份復(fù)雜，結(jié)構(gòu)疏密不均，在車站明挖基坑場地構(gòu)成基坑側(cè)壁土層，需支護及防治其中上層滯水對坑壁穩(wěn)定的影響；2）軟土：本場地所分布的軟土主要有流塑狀淤泥混素填土、流～軟塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。軟土具有低強度、高壓縮性、高孔隙比、高靈敏度、易擾動和易觸變等特點。其中淤泥混素填土為第四系全新統(tǒng)溝、湖、塘相淤積物，工程性能差，但僅在局部地段上部分布，車站明挖施工段應(yīng)加強對其支護。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土分布厚度較大，該層土對工程危害具體體現(xiàn)為：明挖基坑地段易發(fā)生軟土剪切破壞而產(chǎn)生深層滑動。當軟土位于基坑底板因承載能力不足需進行地基處理，施工中易擾動，給施工帶來不便，深基坑開挖坑底易發(fā)生隆起；基坑施工進行深井降水時，因軟土一般次固結(jié)沉降尚未完成，屬欠固結(jié)土，當?shù)叵滤唤档蜁r，易引起周邊地面產(chǎn)生較大的沉降，對周邊建筑物及道路、管線安全造成威脅；3）膨脹土：據(jù)本次勘察成果，結(jié)合場地附近等工程勘察資料，擬建線路沿線III級階地、剝蝕壟崗上老黏土及紅黏土自由膨脹率δef一般為18%～39%，結(jié)合武漢地區(qū)經(jīng)驗，局部具有弱膨脹潛勢，該土層具有含水量變化即產(chǎn)生脹縮的特性，特別是基坑開挖后產(chǎn)生卸荷和脹縮裂隙后若不即時封閉，地表水沿裂隙下滲后強度將大幅降低，工程實施過程應(yīng)注意加強封閉防護和保濕防曬；4）殘積土和風化巖：成分復(fù)雜，土質(zhì)不均，作為天然地基時應(yīng)注意其不均勻沉降問題，另外其中所含硬質(zhì)成分可能對樁基施工產(chǎn)生不利影響。各土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 標準段工程地質(zhì)橫剖面

表1 土層主要物理力學(xué)參數(shù)

2.2 水文地質(zhì)

場地內(nèi)地下水按賦存條件，主要為上層滯水和孔隙承壓水兩種類型。上層滯水賦存于人工填土中，主要接受地表水與大氣降水補給。因其含水層物質(zhì)成份、密實度、透水性、厚度等不均一性而導(dǎo)致水量大小不一?？辈炱陂g測得上層滯水水位埋深0.7～2.9 m；孔隙承壓水主要賦存于第四系全新統(tǒng)粉土夾粉砂和第四系上更新統(tǒng)含粘土質(zhì)礫、卵石（礫質(zhì)土）層中，兩者構(gòu)成同一含水層，含水層頂板埋深13.0～20.6 m，相應(yīng)標高8.72～0.35 m；含水層底板埋深35.6～47.5 m，相應(yīng)的標高為-14.65～-25.78 m；含水層厚度15.0～26.1 m。實測地下水位埋深1.20～4.00 m，水位標高21.11～17.72 m，承壓水頭17.4～20.80 m。含水層頂板為微透水的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和粘土，底板為白堊-古近系泥質(zhì)粉砂巖，地下水主要由側(cè)向徑流補給與排泄，具承壓性。此外，泥質(zhì)粉砂巖中含少量基巖裂隙水，水量一般不豐，主要接受其上部含水層中地下水的下滲。

3 基坑支護方案

3.1 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐組合的支護方式，臨近既有站一側(cè)圍護結(jié)構(gòu)及基坑大里程端端墻均采用1 000 mm厚連續(xù)墻，其余側(cè)均采用800 mm厚連續(xù)墻，夾心土采用?850@600水泥土三軸攪拌樁沿基坑長度方向?qū)φ鹃g土層進行間隔式局部加固，車站大里程端端頭加固在地連墻施工前完成。標準段基坑設(shè)置兩道混凝土支撐、兩道鋼支撐和一道換撐?；炷林伍g距6 m，鋼支撐間距為3 m?；又胁吭O(shè)置一排臨時立柱和連系梁，見圖3，臨時立柱沿車站縱向設(shè)置剪刀撐，小里程端盾構(gòu)外擴段基坑采用兩道混凝土支撐、兩道鋼支撐和一道換撐,其中第一、二道采用鋼筋混凝土支撐，其余各道為鋼支撐（?800，t=16）；大里程端盾構(gòu)外擴段基坑采用兩道混凝土支撐、三道鋼支撐和一道換撐，其中第一、二道采用鋼筋混凝土支撐，其余各道為鋼支撐（?800，t=16），盾構(gòu)段基坑設(shè)置兩排臨時立柱和連系梁。

圖3 標準段斷面支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 施工工序和工藝

本站周邊環(huán)境較開闊，具有明挖施工條件，因此采用明挖法施工。車站主體（標準段）施工步驟如下：

（1）平整場地，攪拌樁施工車站間夾心土加固，施工導(dǎo)墻及地面截水系統(tǒng)、地下連續(xù)墻、臨時立柱樁基及地基加固。

（2）掏槽澆筑冠梁及第一道鋼筋混凝土支撐。

（3）待第一道混凝土支撐達到設(shè)計強度后，分層逐步開挖基坑至基底設(shè)計標高處，隨挖隨架設(shè)各道支撐。基坑開挖至每道鋼支撐中心線下0.4 m處時，必須及時架設(shè)鋼支撐，必須在施加預(yù)應(yīng)力后方可繼續(xù)進行下部土方開挖。

（4）待基坑開挖至底面，鋪設(shè)底板素混凝土墊層，敷設(shè)防水層，再鋪設(shè)細石混凝土保護層，施工底板結(jié)構(gòu)及部分側(cè)墻。

（5）待底板及部分側(cè)墻結(jié)構(gòu)達到設(shè)計強度后，拆除第四道鋼支撐，施工換撐（倒撐）后拆除第三道鋼支撐，敷設(shè)側(cè)墻防水層，施工負二層樓板及側(cè)墻。

（6）待負二層樓板、側(cè)墻及結(jié)構(gòu)柱達到設(shè)計強度后，拆除第二道鋼支撐，敷設(shè)側(cè)墻防水層，施工剩余側(cè)墻及頂板。

（7）待頂板、側(cè)墻及結(jié)構(gòu)柱達到設(shè)計強度后，敷設(shè)頂板防水層，施工壓頂梁。分層回填頂板覆土，回填至第一道混凝土支撐下500 mm時拆除第一道支撐，回遷管線，恢復(fù)路面。

兩站間夾心土加固及車站大里程端端頭加固在地連墻施工前完成，且自既有站向擬建車站方向施工。基坑內(nèi)土體加固在基坑開挖之前完成。水泥土攪拌樁加固施工要點：1）材料用42.5型普通硅酸鹽水泥，根據(jù)需要加入適量的外加劑，所用的外加劑數(shù)量根據(jù)具體情況通過試驗確定。2）基底以下攪拌樁水泥摻量20%，水泥漿液水灰比為0.6，基底以上采用7%的水泥摻量進行弱加固。3）兩站間夾心土加固區(qū)域為地面以下3 m至坑底以下2 m，攪拌樁水泥摻量20%，水泥漿液水灰比為0.6，地面至地面以下3 m采用7%的水泥摻量進行弱加固。4）加固土體有28 d以上的齡期，達到設(shè)計強度要求后，進行基坑土方開挖。5）攪拌樁施工滿足設(shè)計搭接要求，每一施工段連續(xù)施工。施工開始和施工結(jié)束處的搭接采取加強措施。6）樁位水平偏差不大于50 mm，垂直偏差不大于1%。7）夾心土加固與既有6號線車站地連墻間采取三重管高壓旋噴樁?800@600咬合搭接，先自既有站向擬建車站方向施工?850@600三軸攪拌樁，后作三重管高壓旋噴樁?800@600。8）車站大里程端端頭加固深度為擬建區(qū)間隧道管片外徑頂、底外擴3 m范圍。加固后土體的設(shè)計參數(shù)要求：加固后的地基，應(yīng)有良好的均勻性和自立性，不得有明顯的滲水，其無側(cè)限抗壓強度1.0 MPa，滲透系數(shù)≤1.0×10-7cm/s。

4 基坑監(jiān)測

4.1 監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測對象及基坑測點統(tǒng)計情況如表2、圖4所示。

表2 車站圍護結(jié)構(gòu)監(jiān)測項目

圖4 深基坑監(jiān)測平面布點圖

4.2 監(jiān)測結(jié)果

圖4中地表沉降測點DBC3-3、DBC5-3、DBC6-2，地下連續(xù)墻水平位移測點ZQT5、ZQT22、ZQT24，第一道砼支撐實時軸力測點ZCL1-1、ZCL1-2、ZCL1-3、ZCL1-5，在時間節(jié)點2019年1月21日、2019年3月31日、2019年4月21日、2019年5月21日、2019年7月3日上的實測數(shù)值變化情況分別如圖5～7所示，圖中地表沉降數(shù)值為正表示隆起，負值表示下沉；地下連續(xù)墻水平位移數(shù)值為正表示向坑內(nèi)移動，負值表示向坑外移動。

隨著基坑逐步開挖，測點DBC6-2由下沉發(fā)展為隆起，過程中數(shù)值逐漸增大最終趨于穩(wěn)定，測點DBC3-3的沉降變化由地表下沉2.72 mm發(fā)展為地表隆起1.36 mm，測點DBC5-3的沉降值較為穩(wěn)定，發(fā)展變化于地表以下2.85 mm～6.73 mm之間；遠離既有站一側(cè)的測點ZQT22與ZQT24所在地下連續(xù)墻深層水平位移發(fā)展趨于一致，最小值為向坑內(nèi)移動4.66 mm，最大值為向坑內(nèi)移動31.79 mm，而緊鄰既有站一側(cè)測點ZQT5所在地下連續(xù)墻延深度方向的最大水平位移在基坑開挖過程中由最初的向坑內(nèi)1.47 mm持續(xù)向坑外發(fā)展為16.4 mm；觀察第一道混凝土支撐的軸力發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)隨著基坑開挖、支護，受力上均呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。

圖5 地表沉降變化

圖6 地下連續(xù)墻深層水平位移變化

圖7 第一道混凝土支撐實時軸力變化

基坑開挖至坑底各項監(jiān)測指標最大累計值如表3所示。

表3 監(jiān)測指標統(tǒng)計表

本站基坑變形控制按一級基坑考慮，基坑支護結(jié)構(gòu)自身控制標準為：周圍地表最大沉降量≤30 mm，支護結(jié)構(gòu)最大水平位移≤40 mm，臨近既有站一側(cè)支護結(jié)構(gòu)最大水平位移≤30 mm。

從以上監(jiān)測數(shù)據(jù)中可以看到，各監(jiān)測指標均在設(shè)計、規(guī)范要求范圍內(nèi)，施工狀況正常，可進行后續(xù)車站主體結(jié)構(gòu)施工。

5 結(jié)論

緊鄰既有地鐵車站條件下，深基坑的施工過程往往會受到一定程度的影響。在結(jié)合具體工程案例，通過介紹其支護體系以及研究基坑周圍地表沉降、內(nèi)支撐受力和地下連續(xù)墻的水平位移發(fā)展變化這一過程，發(fā)現(xiàn)隨著基坑逐步向下開挖，支護結(jié)構(gòu)的受力及變形、周圍地表沉降處于動態(tài)變化之中，地表沉降根據(jù)所處位置的不同表現(xiàn)為隆起、下沉，或介于兩者之間變化最終趨于一個相對穩(wěn)定的范圍；同樣，地下連續(xù)墻的水平位移也會因所在場地位置的不同而表現(xiàn)為向坑內(nèi)或向坑外。且隨著開挖過程的進展，最大值持續(xù)增加，最終趨于穩(wěn)定；第一道支撐的受力會隨著基坑開挖、支護的過程呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，符合深基坑開挖受力變形發(fā)展規(guī)律。

為了保證施工工序正常有效地進行以及維持已運營既有地鐵車站的安全和穩(wěn)定，需要綜合考慮場地環(huán)境、設(shè)計、施工條件等因素，并嚴格按照各專項施工方案有序開展、實施。同時，在施工過程中需要加強施工監(jiān)測力度，隨時注意深基坑支護體系受力、變形的發(fā)展變化趨勢，針對工程自身風險源及環(huán)境風險源提出相關(guān)緊急應(yīng)對措施。本地鐵站車站深基坑工程采用地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐組合形式的支護方案滿足工程設(shè)計要求，在該工程項目圍護體系中較好地控制了自身的受力變形，讓后續(xù)工程作業(yè)得以平穩(wěn)進展。