填海区地铁施工基坑外挡淤围堤设计与施工技术

林 巍,赵巧兰,王靖华

(中铁工程设计咨询集团有限公司城交院,北京 100055)

1 工程概况

根据深圳地铁线网的规划, 部分地铁车站设在填海区,填海区原为浅海区和临海滩涂,地层中存在巨厚的淤泥层和丰富的地下水,施工风险巨大。深圳地铁1号线续建土建5标段鲤鱼门站(图1)和鲤鱼门—新安区间南明挖段地处前海填海区,濒临渔塘,前海填海工程未进行到此区域。由于前海填海区填海施工采用超高填方抛石挤淤法进行,填筑高度在12 m以上,填筑造成三面的淤泥都挤向此区域,造成长约600 m、宽约300 m的地铁施工区域内淤泥层达到9～17.7 m厚；鲤鱼门—新安路区间南明挖段淤泥层地表高程较高,达到6～14 m；鲤鱼门站南端约80 m仍位于渔塘中,北端淤泥层地表高程较低，达到2～10 m。随着填海工程抛石挤淤的不断推进,渔塘正迅速被淤泥填满,原濒临渔塘的淤泥区还在不断隆起。施工区域内淤泥表层20～50 cm为硬壳层,表层以下均为流塑状淤泥。

图1 深圳地铁1号线鲤鱼门站位置

2 挡淤围堤施工设计

地铁1号线续建工程鲤鱼门站及鲤鱼门—新安区间南明挖段所在区域,招标时设计场坪高程按假定该区域的平均地面高程为4.5 m进行设计。由于填海工程未及时实施,该区域地铁施工场地位于淤泥滩中间,地表高程最大约10 m,不具备施工条件。为了进入此施工区域进行场坪、围护结构及主体结构施工,可行性的施工方案为：在未进行该场地软基处理的前提下,须先在该施工区域外围设置挡淤围堤,防止施工区域以外的淤泥涌入,才能挖除施工区域内场坪高程以上的淤泥，并进行场坪土层换填处理,才能进行此区域内的地铁项目工程施工。挡淤围堤纵断面如图2所示。

图2 挡淤围堤纵断面

2.1 设计技术要求

由于施工区域位于隆起淤泥滩,且淤泥深厚,鲤鱼门—新安区间南明挖段淤泥表面高程6.0～14.0 m,紧挨鲤鱼门站7号路正进行高填方抛石挤淤施工,淤泥受道路填石的挤压在此区域不断隆起,挡淤围堤要有足够的宽度和厚度来抵御外侧淤泥的挤压力。而淤泥呈流塑状,为了保证围堤稳定,现对场坪高程和素土换填层厚以及挡淤围堤施工提出相应的技术要求：

(1)围堤的堤顶高程约为8.0 m(高于隆起淤泥面1.0～2.0 m)；

(2)围堤顶面应满足重型载重车辆双向车道行驶要求；

(3)围堤堤身在使用过程中应保持相对稳定；

(4)围堤离围护结构要有一定的距离,可以保证围堤填石不侵入围护结构范围。

2.2 堤身断面设计(图3)

(1)围堤的顶宽为15 m,堤身宽度以抛填时自然稳定状态为准。

(2)堤身采用开山石(含泥量小于10%)抛填,挖淤挤淤超载填石,将块石堤身落在粉质黏土持力层上。

(3)根据大量的工程实例,堤身断面呈鼓形,这是由于抛石使淤泥向外挤压,随着淤泥深度的增加,淤泥的被动挤压力增大,在泥面一定深度以下,块石堤身逐渐向内收缩,其转折点的深度由淤泥性质和施工条件等因素确定,围堤的填筑厚度依据淤泥深度和抛石挤淤的深度决定。

(4)围堤抛填断面按照自然稳定确定,边坡一般为1∶1.0～1∶1.25。

(5)堤身稳定顶面高程为8.0 m,施工过程中要求超高抛填,超高2.0 m,即要求抛填到10.0 m以上高程,待场坪清挖淤泥到4.5 m高程以下才能卸载,或根据检测和监测资料分析确认堤身着底,沉降稳定后卸载。

(6)堤身在填筑过程及使用期间将发生不同程度的沉降、滑动,必须不断地、及时补填开山石或风化砾石土,以保持堤身完整和道路畅通。

图3 挡淤围堤横断面(单位：mm)

2.3 填筑材料要求

堤身的主要填筑材料应为外来开山混合料,开山混合料中含细粒土(粒径≤2 cm)不大于10%,料重小于10 kg的块石含量不超过20%,石料应采用岩性均匀、遇水不软化或崩解的硬质岩石,块石的容重≥26 kN/m3,浸水后抗压强度不小于50 MPa,软化系数大于0.8。

2.4 加强堤身着底措施

为了确保堤身着底,减小基坑开挖施工和交通使用时期沉降,增强堤身稳定性,在完成抛石填筑和超高堆载并施工检测出堤身未着底时可结合实际情况采用强夯措施。强夯参数经过现场试夯以确定最佳强夯施工参数。本次设计中初步确定参数如下。

(1)夯点布置：间距3.5 m×3.5 m按矩形布置,15 m宽的围堤断面,布置4个夯点,起夯面高程8.0 m。

(2)夯击能量：4 000 kN·m。

(3)夯锤：直径2.0 m,锤高1.0 m,锤重250 kN,应使用钢制锤。

(4)夯击次数及阵数：每夯点夯击次数12～15击,分3阵夯击,每一阵后在夯坑内回填开山石(就地取材)。

(5)收锤标准：最后2击总夯沉量不大于10 cm。

(6)满夯：夯击能2 000 kN·m,锤印搭接不小于40 cm,击数2击。

3 围堤支护效果分析

3.1 模型的建立

本工程模拟过程考虑到围堤的断面形式采用平面应变进行计算(纵向取单位长度)；同时鉴于实际工程淤泥地面高程在纵向上有所变化,但变化幅度较缓,本例在对断面提取过程中进行了相应的简化。如图4所示,模型总宽度取114.0 m,高度43.0 m,淤泥厚度13.0 m,黏性土30.0 m,基坑附近换填素土高度4.0 m；围护桩取直径1.0 m,桩底深入黏性土层深度6.0 m,围护桩考虑挡淤作用,取顶面高出1.0 m；抛填石料高度15.0 m,其中“鼓顶”部分高出淤泥部分2.0 m。

图4 挡淤处理计算模型

3.2 计算与分析

计算过程中考虑了基坑开挖时冠梁和内撑的作用,根据理正深基坑计算所得内力和开挖先后分别加载F1、F2、F3和F4于围护桩上(图5)。本次模拟计算主要通过“鼓顶”侧向位移及围护桩的应力情况对比,分析抛填石料处理措施的作用效果。

(1)“鼓顶”位移情况

从模拟计算所得结果可以看出在有抛填石料处理的淤泥土中进行基坑开挖,记录的“鼓顶”位移约为41 mm(图6),能够满足施工安全及其使用要求；若无挡淤处理 “鼓顶”处将发生大变形,位移不收敛。

图6 挡淤后“鼓顶”时步-位移

(2)围护桩的应力状况

从图7可以看出基坑挡淤处理后,在基坑开挖工程中围护桩受力均匀,且内力较小,能较好节约钢材。

图7 挡淤前后围护桩应力图

4 石料抛填施工

(1)采用堤头“全断面进占”的抛填方法

若采用“箭矢”形端进抛填进占,易使围堤的断面形成上宽下窄的倒三角形∨或T形,最终将使整个断面下的淤泥无法挤出,但因场地淤泥面隆起很高,表面已经形成一定厚度的硬壳层,需要在抛填之前挖除淤泥表面的硬壳层,使堤身更好地下沉。围堤在抛填过程中,堤身进占一定距离后,将会在堤头和堤身两侧,形成隆起的“淤泥包”,当淤泥包顶面接近填筑堤身以达到堤顶范围内的填石整体下沉。本工程由于淤泥隆起很高、淤泥厚度大,应采用“全断面进占”法,要求15 m堤顶宽度同步抛石推进。

抛填施工流程：确定围堤走向和宽度→对围堤全断面抛填同步进占,在围堤前端形成“龙抬头”→及时清除围堤前端和两侧淤泥包,全程监控堤身抛填走向、堤端和堤顶面各断面高程和宽度→及时填补和处理沉陷、坍塌部位保证围堤稳定,满足设计抛填高程和宽度要求→抛填完毕,组织围堤填筑检验。

(2)堤前端抛石用“龙抬头”填筑方法

在围堤抛填的全过程中,堤的前端抛石的高度,应高出已填堤面2～3 m,高出初始的淤泥面4～5 m,形成堤头隆起(即“龙抬头”)。“龙抬头”的高度应根据抛填过程中的现场实际情况决定,即当淤泥含水量低,抛石含细颗粒多,“龙抬头”高度取大值,反之取小值。

在开山石不断地倾倒冲击，在大型载重车、推土机不断行走、振动过程中,形成的动、静压力愈大,淤泥整体的剪切破坏愈快(触变效应),影响深度亦愈大,淤泥向堤前端及两侧不断剪切滑动、隆起,则堤前端的开山石不断地下沉,挤入淤泥层中,整个堤身便是这样形成。

(3)围堤应保持不间断地抛填施工

围堤要保持在施工阶段的堤身相对稳定,必须使堤身要下沉到淤泥之中,应保证一定的填石厚度。施工过程中应根据地质勘察报告提供的淤泥底板高程判断堤身应填筑的厚度,控制填筑厚度,为满足这一设计要求,每一段围堤施工时,应不停地抛填,直到完成。

(4)围堤填筑过程“清淤”

施工时,须用长臂反铲将“淤泥包”及时挖除,以减小堤身底部淤泥挤出的阻力,加大堤身沉降,以保证填石不断的沉底过程。

(5)对堤身纵向的沉降缝、滑动拉裂面、滑动台阶的处理

围堤在抛填过程中,由于填石挤淤,堤身沉陷、滑动,导致经常出现上述台阶、裂缝,这是围堤抛填过程经常出现的现象,须根据现场实际情况,及时用补填方法加以处理。这种补填的状况在同一段围堤内都可以出现数次,补填需及时跟进,并最终达到堤身相对稳定。

(6)围堤的观测

围堤由于堤身沉降(这种沉降是挤淤造成的),使堤顶高程下降,施工时应定期用开山石补填堤面,以维持施工道路的畅通。根据类似工程抛石堤的抛填现场观测数据计算,填筑的初期13 m宽的围堤,堤身一侧单位长度平均挤淤量为150～200 m3,当堤身沉入淤泥深度3 m时,挡淤围堤整体下降每小时平均可达36～60 cm,随着堤身下降、填石厚度增加,围堤下降速度逐渐减缓。

施工过程中，应定期测量围堤走向、断面形状,并定期(每隔1～2 d)观测1次堤顶面高程,及时掌握堤身挤淤、沉降发展情况,保证围堤施工顺利进行。施工过程加强对抛石围堤与车站及区间的围护结构的检测,防止抛石进入维护结构的范围,影响维护结构的施工。

(7)堤内开挖

挡淤围堤施工完成后,进行场坪高程4.5 m以上淤泥清除和素土层换填处理时,为了保证围堤稳定性,应先铺垫素土层2.5 m厚再用挖掘机向下掏挖淤泥,即可进行卸载堤身超高填筑层。场坪高程定为4.5 m,围护桩施工增加空桩长度,待围护桩完成后再进行围护桩内外侧同时开挖,使场坪高程降至3.0 m。堤内开挖时应对堤身进行位移和沉降观测。

(8)堤身不着底处理

当填筑达到填筑高程后,经检测后,对于围堤堤身填石不着底的部分,围堤采取超载预压。超载高度2～4 m,围堤各段超载的高度将依据雷达检测报告决定。

5 挡淤围堤的监测与检测

5.1 监测要求

在围堤轴线部位埋设观测点,观测堤身的沉降和位移,本工程每100 m设置1个观测点；在挡淤围堤内挖淤施工期每3 d观测1次,临近围堤20 m以内挖淤时加密观测,挖淤完工后每星期观测1次,直到地铁开挖支护完成。

观测点采用混凝土浇筑基础,内埋设1根φ20 mm钢筋,深1.5 m,表面应高出堤面约10 cm,刻上“十”字标志。观测点在观测期中均需采取有效措施加以保护,避免遭遇施工车辆、机械等碰撞和人为破坏,观测点一旦受损,应立即复位并复测。

在围堤填筑完成以后,围堤位移控制值为10.0 cm,如果位移速度超过5 mm/d或累计位移超过8.0 cm则立即通知设计单位及相关单位。

5.2 检测要求

(1)围堤填筑顶面高程和宽度检测

高程允许偏差±0.2 m,宽度允许偏差±0.5 m。

(2)围堤填筑断面及着底情况检测

①物探法：采用物探法进行堤身横断面扫描,沿围堤每50 m检测1个断面,测厚精度偏差±0.5 m；并进行堤身纵断面扫描,沿堤线每隔15 m 1个测点,测厚精度偏差±0.5 m。

②钻孔检测：钻孔检测沿围堤每100 m布置钻探点1个,在用其他方法检测有疑问的堤段可补充钻孔予以验证。应尽量使钻探点位与部分雷达检测断面位置重合,以便进行相互验证。

6 结论

在填海区地质条件较为复杂,施工风险性高,在淤泥地层进行地铁车站深基坑施工时必须掌握淤泥质地层的特点,采取有效的淤泥处理措施和施工方法。本工程在处理淤泥时采用了基坑外抛填石料挡淤措施,利用石料的重力和摩擦有效阻止淤泥向基坑侧流入,计算分析和施工实际情况较为吻合，取得较好的效果,进而保证了施工安全顺利进行；同时抛填石料为就地取材,相比连续墙等工法其施工速度快、成本低具有较好的经济效益。

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