粉砂质地层中的深浅基坑同步施工技术

中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司 北京 101100

1 工程概况

1.1 设计概况

新建郑州至新郑机场城际铁路地下段站前工程ZJZQ-Ⅳ标位于具有典型黄河冲洪积平原含粉砂质地层特征的河南省郑州市航空港区，设计总长为5 216.10 m。属于明挖区间结构，基坑深度13.50～29.90 m，围护结构采用φ1 200 mm@1 400 mm的钻孔灌注桩加φ600 mm@1 400 mm的旋喷止水桩，主体结构为地下1层，分为四线三跨，采用单洞四线、单洞双线的结构形式。

工程起始段与新郑机场二期扩建工程的T2航站楼、捷运系统工程及行李隧道工程处于同一基坑内且采取同步交叉施工，交叉部分基坑总长920 m，宽120 m，A段与B段上部为机场T2航站楼。C段、D段与行李隧道紧邻，净距为0.80～1.50 m，行李隧道与捷运系统工程相邻，净距为8.10～8.30 m（图1）。

图1 工程总平面示意

新郑机场二期扩建工程行李隧道工程长701 m，基坑深11.30 m，暗埋段长560 m，敞开段长141 m，行李隧道结构伸入T2航站楼内38.40 m。

新郑机场二期扩建工程捷运系统工程包括1座车站及1段区间，基坑深8.60～12.20 m，车站长131.60 m，结构宽37.80 m，区间长517.40 m，结构外包宽22.30 m。

1.2 工程地质水文概况

本工程为第四系全新统（Q4）、第四系上更新统冲积层（Q3）、第四系中更新统冲洪积层（Q2）地层，主要为粉土地层、粉砂地层、细砂地层；本场地地下水类型属于第四系松散岩类孔隙水，主要含水层在粉砂、细砂和粉土层中，具体地下水位埋深为3～6 m。

2 超大型基坑支护方案

1）整个大基坑边坡采用二级放坡形式，护坡采用二级放坡加土钉墙，护坡面层扩展至坡顶和坡脚一定距离，坡顶与施工道路相连，坡脚与基坑内道路相连。坡面采用厚80 mm的C20早强喷射混凝土，内配φ6 mm@200 mm×200 mm钢筋网[1-2]。

2）城铁隧道基坑围护结构采用钻孔灌注桩加钢支撑（混凝土支撑）的形式，排桩围护结构采用φ1 000 mm的钻孔灌注桩，间距1 400 mm，桩外侧采用φ800 mm@600 mm三重管高压旋喷加固。桩间网喷混凝土采用厚100 mm的C20早强喷射混凝土，内配φ8 mm@150 mm×150 mm钢筋焊接网。

3）捷运通道和行李隧道均采用明挖顺作法施工，排桩围护结构采用φ800 mm的钻孔灌注桩，间距1 000 mm，基坑标准段桩长16.70 m，混凝土强度等级为水下C35。捷运车站主体围护结构设2道钢支撑，车站围护结构顶圈梁设计为800 mm×1 200 mm。车站所处地层地下水位较高，桩间采用φ600 mm@1 000 mm三重管旋喷桩止水，桩间网喷混凝土采用厚100 mm的C20早强喷射混凝土，内配φ6 mm@150 mm×150 mm钢筋焊接网。

3 基坑降水布置

3.1 降水布置原则

采取大基坑降水与城铁基坑内降水相结合的方式，根据不同深度深基坑降水要求，确定了分区、分时的多级降水布置方案，在按需降水的原则下，确保土方工程顺利施工，有效控制降水引起的变形。

3.2 降水方案确定

1）大基坑降水。基坑降水以管井井点降水为主、排水沟明排为辅。在整个大基坑两侧坡脚部位各设置1排，单排井间距25 m，深度为28～31 m。

2）城铁隧道基坑降水。基坑降水以管井降水为主、排水沟明排为辅，井间距约12 m，根据围护结构的断面宽度，在开挖断面上分别施作1孔、2孔、3孔降水井，在开挖基坑的两侧设排水明沟，每隔20 m左右设1口集水井，再用水泵抽入地表污水处理设施。

4 施工总体部署与流程

4.1 施工部署

针对坑中坑、坑连坑工程特有的难点与特点，结合周边复杂的限制条件及紧迫的工期，确定了以下总体施工部署[3-4]。

1）将整个大基坑分区、分段实施：城际隧道分成A、B、C、D4个区段进行施工，捷运车站及通道分成车站与两部分通道共3个区段进行施工，行李隧道同样分成3个区段进行施工。

2）钻孔灌注桩及基坑加固施工部署：城际隧道围护桩和捷运车站围护桩同步施工，围护结构施工完毕后开始基坑加固及基底加固施工。

3）降水部署：在第1层土方开挖及放坡支护完成后开始大基坑两侧降水井施工，然后根据开挖进度施作城铁隧道降水井。

4）土方开挖部署：土方开挖分区分段，有利于迅速建立支撑，减小基坑变形。第1阶段土方开挖是本工程土方开挖的重点，可以施作护坡、排水沟及降水井；紧接第2阶段开挖城铁隧道土方，迅速建立第1道支撑，土方开挖遵循先撑后挖、分段实施的原则，并与结构施工合理穿插，以有效控制基坑变形，同时捷运车站土方开挖也开始进行。

4.2 施工总流程

1）在平面上，城际隧道A、B、C、D4个区段同时施工，捷运车站及通道3个区段同时施工，行李隧道3个区段也同时施工。

2）在垂直方向上，总体施工流程为先深后浅，T2航站楼地下室在A区结构施工完毕后开始施工，捷运车站及通道与城铁隧道结构单元可以同步施工，因城铁隧道最深，必须在城铁隧道结构对应的结构单元施工完毕后再施工相应平行位置的行李隧道各单元。

5 基坑施工变形与受力分析

5.1 数值模拟验算

验算选用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，采用GTS三维数值模拟计算软件分析。在考虑既有施工方案的基础之上，模拟既有城际铁路施工完成的情况下行李隧道明挖基坑施工和捷运系统基坑施工同步完成的工况，验算围护结构水平位移、基坑坑底隆起和地表沉降数值是否在安全范围内。

5.2 计算结果分析

5.2.1 基坑围护结构水平位移

如图2和图3所示，城铁基坑完成时和3个基坑都施工完成时引起的最大内侧水平位移分别为9.39 mm和10.44 mm，底面的水平位移分别为0.89 mm和1.29 mm。由城铁基坑施工引起的水平位移变化为9.39 mm，由行李隧道基坑和捷运系统基坑施工共同引起的水平位移变化为1.05 mm。

图2 外侧城铁基坑围护结构水平位移

图3 内侧城铁基坑围护 结构水平位移

分析图4发现，捷运车站基坑围护结构水平位移沿深度逐渐增大，左侧在坑底处最大达到了37 mm；右侧也是沿着深度逐渐增大，最大达到了58 mm。分析图5发现，捷运区间基坑围护结构水平位移沿深度逐渐增大，左侧在坑底处最大达到了83 mm，右侧也是沿着深度逐渐增大，最大达到了26 mm。另外比较捷运车站基坑和区间基坑围护结构水平位移大小发现，车站位置明显大于区间位置，二者在左侧最大值相差达到了46 mm，在右侧达到了32 mm。

5.2.2 基坑坑底隆起

分析图6发现，当城铁基坑开挖完成时，由于没有受到其他基坑的影响，在整个纵向长度方向上坑底隆起基本维持在16.44 mm；当另外2个基坑施工完成后，城铁基坑坑底隆起整体变大，在起始位置（即远离行李隧道基坑一侧）变化较终点小，变化基本维持在17～22 mm，平均值为20.16 mm。

分析图7发现，捷运系统基坑在车站部位和区间部位的坑底隆起有明显的区别，车站部位较区间部位大，车站部位最大达到15.60 mm，而区间部位最大为9.40 mm。

图4 捷运车站基坑围护结构水平位移

图5 捷运区间基坑围护 结构水平位移

图6 城铁基坑坑底隆起变化示意

图7 捷运基坑坑底隆起变化示意

分析图8发现，行李隧道基坑坑底隆起在端部较小，而在与放坡段连接的基坑坑底隆起较大，最大达到了11.35 mm。

图8 行李隧道基坑坑底隆起变化示意

5.2.3 基坑外地表沉降

分析图9发现，地表竖向位移基本呈现出离基坑越远竖向位移越小的趋势。在城铁基坑开挖后继续开挖行李隧道基坑和捷运基坑会增大地表的位移，但增大幅度较小，基本维持在1 mm，而在距离基坑44 m处，2条曲线有交叉现象，但由于二者变化规律一致且相差较小，所以产生交叉现象属于正常情况。分析图10发现，当群坑基础施工完成时，捷运基坑一侧的地表竖向变形规律与城铁一侧地表竖向位移变化规律基本一致，最大竖向位移为8.50 mm。

5.3 变形分析

通过数值模拟的方法研究了由多个近距离基坑施工引起的“群坑效应”，分析由各基坑开挖后引起的围护结构水平变形、坑底隆起、两侧地表竖向变形，可以得出如下结论[5-6]。

图9 城铁基坑一侧地表沉降

图10 捷运基坑一侧地表沉降

1）基坑围护结构的水平位移受到土压力大小的影响，而土压力大小又受到土体条件和邻近基坑围护约束的影响，如捷运车站和捷运区间基坑围护结构的水平位移就发生了明显相反的变化；

2）由基坑开挖卸载引起的坑底隆起主要受卸载量的影响，而当群坑近距离施工时影响较为明显，如由于后续捷运系统基坑和行李隧道基坑开挖引起的城铁基坑坑底隆起达到了3.72 mm；

3）群坑作用下地表的土体竖向变形有叠加效应，但影响非常小。远离基坑的地表竖向变形只受邻近基坑开挖的影响。

6 结语

本工程基坑监测的各项实测值均在预警范围内，表明深浅基坑同步施工技术在该施工区域得到了成功应用。本文通过现场实际监测数据与数值模拟数据进行对比，论证了深浅基坑同时作业时，通过采用围护结构隔离技术、合理组织施工顺序等措施，不仅可以有效地控制既有建筑的沉降变形量，确保城铁隧道基坑自身及周边环境安全，而且能够很好地提高结构施工质量。