沿海地区深厚淤泥质地层地铁深基坑设计

龚玲峰

(中土集团福州勘察设计研究院有限公司 福建福州 350000)

车站位于十字路口处，东南方向为厂房，西南方向为空地，三角地处为临街两层商业板房，东北方向为多层民房及临时工棚，西北方向为防水材料公司，片区现状以民房及厂房为主，如图1所示。

图1 车站场址

车站所在场地的特殊性岩土主要有:填土、软土及风化岩。场地分布的软土层有〈2-4-1〉淤泥、〈2-4-2〉淤泥质土、〈3-5-1〉淤泥夹砂层，厚度平均达10 m。软土具有含水量高，孔隙比大，压缩性高，抗剪强度低，灵敏度高的特点。地铁施工时，如过度降水或对软土的加固处理不当、地面超载、地铁运行震动等容易产生变形固结，极易引起地面不均匀沉降。

场地地下水类型分为上层滞水和承压水两种，根据场地钻孔资料，孔隙承压水主要在〈3-2〉(泥质)粉砂和(含泥)中砂中，该承压水层对工程建设的影响较大，特别是对基坑开挖有较大影响。

2.1 基坑围护结构体系选型

现今地铁设计中，最常用的支护形式[1]有地连墙+内支撑、排桩+内支撑体系、SMW工法桩+内支撑体系等。

地连墙支护一般由地下连续墙与内支撑(混凝土支撑、钢支撑)组成，这种支护体系灵活，可顺筑、可逆筑、也可半逆筑，施工过程中对周边环境扰动小，且防渗性能好，适用于各种地层及周边环境复杂的深基坑中，适用的基坑深度大。

排桩支护通常由排桩、支撑及止水帷幕组成，多用于7～15 m深的基坑工程中。当开挖深度范围内水位较高时，需要采取隔水措施及降水措施，排桩施工过程中桩间容易产生渗水等问题。

SMW工法桩支护是由工法桩与内支撑组成，该方式同地连墙支护一样，对环境扰动小，抗渗性好，刚度大，但是目前就工法桩的一些设计参数没有统一标准，施工的质量有时难以保证。

本基坑地处淤泥地层，施工难，基坑变形也不易控制，其基坑围护结构体系的选取是一项设计难点。

2.2 深厚淤泥层开挖方式的选择

本车站位置处于道路路口，其基坑开挖范围内淤泥层厚度达10 m左右，呈深灰色，流塑，饱和，以黏粒为主。深厚的软土层的开挖容易造成支护结构失效[2]、基坑失稳、渗透变形、地面沉降、坑底隆起和突涌等。在设计时，其开挖方式的选取也是一项难点。

2.3 基底处理方式的选择

对基底内侧土体的加固可以提高被动土压力区土体的整体强度和侧向抗力，还能控制围护结构的位移情况，降低周边既有建筑物及地下管线的沉降风险，防止坑底土体隆起破坏及渗流破坏，一定程度上还能弥补围护结构嵌固深度不足等问题。

软土地层中常用的基底加固方式有:裙边加固、抽条加固、满堂加固、格栅加固等，施工方式有采用三轴搅拌桩或高压旋喷桩进行加固。本基坑地处淤泥地层，采取哪种基底加固方式也是一项设计重点。

2.4 周边环境加固方式的选择

基坑开挖过程中需要对周边环境采取加固措施，如果不采取加固措施，周边既有建构筑物及管线等变形会超出变形允许范围，这严重影响到既有建构筑物等的使用安全和寿命，从而有可能会导致工程索赔，因此，采取加固保护措施是十分必要的。

本工程主要临近浅基础民房及厂房，且周边管线复杂，除了市政排水排污等管网以外，还有110 kV电力架高线和电杆等。需要考虑加固措施对高压电杆和房屋的扰动影响，因此，设计时，对距离基坑多少米范围内的建构筑物采取何种加固方式也是一项设计难点。

3.1 基坑围护结构设计

3.1.1 基坑围护结构体系方案

综合上述情况，设计时考虑在成槽前对地下连续墙壁进行槽壁加固，加固深度至淤泥层底以下1 m，以此防止地连墙在深厚软土层施工时造成塌槽。主体围护结构采用地下三轴搅拌桩+连续墙+内支撑体系。

车站所在范围及周边地下管网繁杂，类型众多，管径及埋深不一，主要有110 kV电力架高线、D400污水管等。因110 kV高压线迁改困难、所耗资金庞大且工期长，因此不采用高压线迁改的方式，此种情况下设计时需要考虑施工过程中高压线的限高要求。非高压线及电杆影响范围内地连墙墙幅宽6 m，成槽前采用三轴搅拌桩进行槽壁加固，高压线及电杆影响范围内地连墙墙幅调为3 m，槽壁加固采用三重管高压旋喷桩。

盾构段和标准段围护均采用800 mm厚地连墙+四道内支撑+一道换撑，如图2～图3所示，盖挖段围护采用800 mm厚地连墙+三道内支撑+一道换撑。第一道支撑为800 mm×800 mm砼支撑，间距4.5 m 或9 m；
第二、三、四道采用φ800，t＝16 mm钢支撑，间距2.5 m或3 m；
换撑为φ609，t＝16 mm钢支撑，间距3 m；
盖挖段支撑均为φ609，t＝16 mm钢支撑，间距3 m；
中设临时立柱支撑体系，临时立柱采用φ600钢立柱。

图2 标准段基坑剖面图

图3 支撑平面布置

3.1.2 基坑围护结构体系变形分析

3.1.2.1 车站标准段模型建立

以标准段为例，假定土体满足材料的连续性和均匀性，且为弹塑性体，应力应变满足摩尔库伦理论，支撑体系为理想弹性体[3]。

建模时取基坑深度17.6 m，嵌固深度13.5 m，冠梁位置下压1 m。该断面基坑为淤泥层，采用坑内加固土，加固土宽度取19.3 m，加固3 m厚，粘聚力取30 kPa，内摩擦角取20°。地面超载取20 kPa(盾构井基坑开挖阶段按30 kPa考虑)，基坑内侧水位取坑底以下0.5 m，基坑外侧水位取地面以下0.5 m，钢支撑预加力取1 000 kN。

工况共分18步，分别为:工况1开挖至1.8 m；
工况2加第1道混凝土支撑；
工况3开挖至7.8 m；
工况4加第2道钢支撑；
工况5开挖至11.3 m；
工况6加第3道钢支撑；
工况7开挖至14.3 m；
工况8加第4道钢支撑；
工况9开挖至17.6 m；
工况10加底板刚性铰；
工况11拆第4道钢支撑；
工况12加换撑；
工况13拆第3道钢支撑；
工况14加中板刚性铰；
工况15拆第2道钢支撑；
工况16加顶板刚性铰；
工况17拆第1道混凝土支撑；
工况18拆换撑。

3.1.2.2 变形分析[4]

图4给出了基坑水平位移随开挖深度的关系曲线，可以看出:

图4 基坑水平位移随施工工况变化的关系曲线

(1)基坑位移随整个施工过程而增大，最大位移发生在最后一个工况下；
开挖至第2道支撑面以下0.5 m位置(工况3)的过程中位移增加曲率最大，基坑变形速度最快；
而从工况3至工况9的开挖过程中位移有所回落，此过程发生的位移变化不大；
从工况11至工况18的整个拆撑过程中位移有所增加，但增加曲率平缓。

从设计角度出发，控制基坑总体水平位移，可以考虑从控制工况3的水平位移出发。因为工况3的位移变化最大，而后续过程位移变化缓慢，因此降低工况3的基坑位移可以控制整个施工过程中最大位移值。而工况3的开挖深度是由工况4第2道支撑的架设位置决定的，因此，控制基坑的水平位移应该综合考虑第2道支撑与第1道支撑的竖向间距。

(2)车站大里程段、小里程段及标准段3个断面的位移变化曲线基本一致，主要是因为整个地铁车站的地层分布相对均匀，整个开挖区域几乎处于淤泥层中，而基坑周边荷载分布又相对对称。

深厚软土地层具有高灵敏度、低强度及高压缩性等特性，对围护结构的变形控制非常不利。这要求在基坑开挖过程[5]中要严格控制土方分层开挖长度[6]，以保证支撑体系能及时施工，减少开挖过程中土体无支撑的暴露时间[7]。

3.2 基坑开挖方式设计

结合交通疏解需要，为保证基坑的安全施工，决定除为满足交通疏解需要部分采用盖挖顺筑法外，其余部分均采用明挖顺筑法。

基坑开挖前应对基底软土层进行处理，以防止基坑内部大面积卸载后基底产生隆起破坏。

土方开挖过程中应遵循“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的原则。开挖过程需保证施工效率，尽量减少土体无支撑的暴露时间。

3.3 基底处理方式设计

对基坑底位于淤泥层的部分进行直径850@600三轴搅拌桩抽条加固[8]，如图5所示。抽条加固深度至基坑底以下3 m，空搅水泥掺量不小于7%，实搅水泥掺量不小于20%，以此控制基坑开挖过程中围护结构的深层水平位移以及控制周围地面和既有建构筑物的沉降，并防止坑底土体隆起破坏[9]。

图5 基底抽条加固示意

3.4 周边环境加固设计[10]

本工程对既有建构筑物的加固措施[11]主要有:(1)对临近基坑的高压电杆采用直径800@1300隔离桩加固，隔离桩的施工对周边环境扰动相对较小；
(2)对临近既有房屋及管线采用注浆[12]保护法，该工法使用灵活，施工简便，在车站的整个施工过程中均可使用，固结体质量可显著提高。

目前该车站已完成空载试运营阶段，实践表明:

(1)深厚软土地层中地铁深基坑的总体设计方案采用地连墙+内支撑+三轴搅拌桩槽壁加固+三轴搅拌桩基底加固的方式是成功的。

(2)从设计角度出发，控制基坑总体水平位移，可以从控制第2道支撑的架设位置着手，综合考虑第2道支撑与第1道支撑的竖向间距。基坑开挖应分层分段开挖，保证施工效率，减少开挖过程中土体无支撑的暴露时间。

(3)为保护基坑周边既有建构筑物，可采用隔离桩法、注浆加固法等进行地面加固。

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