深厚软土地铁深基坑围护结构选型及综合措施与分析

宋元平 卢继指 李耀华

【摘 要】文章结合武汉轨道交通8号线某地铁车站深厚软土深基坑设计的整个阶段，综合考虑深厚软土地铁深基坑围护结构选型涉及的多个具有代表性的环境因素：交通疏解、紧邻湖泊、临近地下建构筑物等，阐述深基坑围护选型的方法及确保安全实施所采取的综合措施；对深厚软土深基坑临近大型箱涵构筑物进行了开挖影响分析，并结合地区经验提出箱涵变形控制标准和安全保护措施。

【关键词】深厚软土；地铁深基坑；地下连续墙；围护桩；槽壁加固；大型箱涵；基坑偏压；变形控制标准

【中图分类号】TU753 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）05-0131-04

0 引言

城市轨道交通建设中常遇到在临近湖泊的地段敷设地铁线路的情况，这些地段一般存在深厚软土地层，地下水丰富且补给充足，不利于地铁深基坑施工；同时，道路交通疏解、市政综合管线、沿岸建构筑物等受深基坑开挖的不利影响问题将更加突出。因此，合理选择适宜的围护结构及支护方式将非常关键，针对基坑所在场地环境采取配套的综合辅助措施也是工程成功的重要一环；同时，围护结构选型和辅助措施应充分考虑施工的便利性，提高开挖出土效率。在围护结构选型过程中，技术、安全、环保、造价、施工等是衡量方案优劣的主要指标。

1 工程概况

1.1 车站概况

武汉8号线某站为地下两层岛式车站。车站结构外包总长约608 m，主体结构采用双层钢筋混凝土结构，基坑深度约18 m，标准段基坑宽度约21.3 m。车站主体沿二环快速路珞狮南路段南北向布置，由于站位侵占部分路面，所以車站采用半盖挖顺作法进行施工。车站大里程段东侧临近南湖，小里程段东侧及端头临近6 m×2 m箱涵，箱涵为砖混结构，属于对沉降非常敏感的构筑物。基坑周边场地平面布置图如图1所示。

1.2 工程地质、水文地质

1.2.1 工程地质

基坑南段场地通过填湖形成，勘察揭示场地下方存在深厚淤泥层。车站顶板覆土厚度约3.6 m，车站场地范围地层从上至下依次为1-1杂填土层、1-2素填土层、1-3淤泥层、1-4淤泥质黏土层、1-5黏土层、10-1、10-2粉质黏土层及下覆14a、14b岩层等。车站底板主要位于10-1、10-2地层，部分位于1-5地层。

1.2.2 水文地质

车站场地紧邻南湖，场地内地下水按赋存条件及水力学性质，主要为潜水、上层滞水、孔隙承压水及基岩裂隙水。

（1）潜水水位基本与南湖水位一致，标高为18.50～19.30 m，其水位一般情况下随南湖涨落而变化。

（2）上层滞水：上层滞水主要赋存于场地上部人工填土中，勘察期间实测场地上层滞水静止地下水位埋深为1.50～3.00 m，标高为17.62～20.02 m。上层滞水对拟建工程基坑开挖施工影响较小。

（3）孔隙水：承压水主要赋存于10-2a黏土夹碎石层、14a弱胶结含砂黏土岩及14b弱胶结砂岩层中，水位埋深为4.20～5.50 m，标高为15.94～17.17 m，建议承压水位按17.17 m考虑。

（4）基岩裂隙水：基岩裂隙水主要赋存于下部基岩孔隙、裂隙及破碎带中，主要接受其上部含水层中地下水的下渗及侧向渗流补给。基岩裂隙水与承压水呈连通关系，对基坑工程施工有一定影响。

（5）场地地下水对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性；土对混凝土结构具有微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。

1.2.3 不良地质

地铁车站基坑范围内主要不良地质作用为淤泥及淤泥质土软弱土层厚度较大且层厚变化较大，基坑开挖时易造成围护结构变形较大、临近地下构筑物变形损坏。

2 围护结构选型及支撑体系的设计

2.1 围护结构综合比较与总体选型

轨道交通工程线路通常沿城市繁华主干道敷设，地铁基坑深度一般在10 m以上，施工期间需要综合考虑管线迁改、交通疏解及周边建构筑物的保护等，因此目前应用最为普遍的围护结构主要有两种，即地下连续墙与钻孔灌注桩，这2种围护结构各有优缺点和适用范围（见表1）。根据基坑所处场地工程、水文地质、周边环境及地下管线等条件，对照表1可以比选出较为适宜的围护结构，该过程属于概念设计范畴，对整个基坑支护方案的合理性具有决定性的意义，是基坑围护结构设计成功与否的关键。

上文所述车站规模较大，周边环境较为复杂，应根据车站场地工程及水文地质情况、周边环境等条件拟定合适的围护结构，达到技术合理、安全环保；还应根据不同的条件，分区段比选不同的围护结构，达到总体造价合理的综合效益。同时应注意基坑支护的对称性与整体性，避免形成较大偏压和刚度不均。

车站地质条件较差，软弱土层厚度大且分布不均，宜采用刚度和整体性较好的围护结构。车站东侧：大里程段紧邻南湖，为了达到较好的止水效果，选择地下连续墙作为围护结构较为合理；而东侧小里程段大断面箱涵距离基坑净距约3 m，为了控制基坑开挖变形及有效保护箱涵，应选择刚度和整体性较好的地下连续墙作为围护结构。车站西侧：大里程端部临近南湖水域，该范围拟采用连续墙；西侧其余部位理论上可以采用较为经济的钻孔灌注桩+桩间止水帷幕的围护结构，但实际勘察显示，西侧基坑壁范围淤泥层更厚，且分布范围广，为了兼顾基坑刚度及受力对称，较好地保护箱涵，最终选择采用地下连续墙。综上所述，在总体上，本站采用地下连续墙的围护结构更为合理。

2.2 地下连续墙墙厚及支撑布置方案比选分析

2.2.1 计算取用地层物理力学参数

计算涉及地层及其物理力学参数详见表2。

2.2.2 地下连续墙墙厚及支撑方案

本站基坑重要性等级为一级，要求基坑支护结构最大水平位移≤40 mm；BH-6 000 mm×2 000 mm排水箱涵段基坑支护结构水平位移不大于30 mm。根据以往类似工程经验，初步拟定连续墙厚度为800～1 000 mm。连续墙墙厚及支撑方案的具体确定主要考虑围护结构变形控制、连续墙含钢量等因素，在确保安全的情况下，合理控制造价。临近箱涵段围护结构变形控制标准较严，同时该段西侧为淤泥深厚段，因此该段支护方案应加强，即为围护结构加强段（如图2所示）。

据此，拟定了以下备选方案组合：

（1）方案一：临近箱涵-深厚软土加强段，采用800 mm厚连续墙+5道内支撑；其他段采用800 mm厚连续墙+4道内支撑。

（2）方案二：临近箱涵-深厚软土加强段，底板以上坑内被动区软土采用搅拌桩适当加固，提高被动区地层参数。基坑均采用800 mm厚连续墙+4道内支撑。

（3）方案三：临近箱涵-深厚软土加强段，采用1 000 mm厚连续墙+4道内支撑；其他段800 mm厚连续墙+4道内支撑。

以上方案不同之处是围护结构加强段的支护方法，因此重点对该部位进行比较分析。围护结构按施工过程采用增量法进行分析，分别采用天汉基坑设计软件（V2015）版与理正深基坑软件7.0版，分段选取最不利钻孔进行分析计算（如图3、图4、图5所示）。

方案一对比计算显示，深厚软土侧计算结果对围护加强段起控制作用，方案二、方案三将给出深厚软土侧计算结果（如图6、图7所示）。

通过分析计算结果可知，上述3个方案均能满足要求。方案一加强段采用800 mm连续墙，较为经济，但连续墙配筋率较大，需要采用并筋的形式配置钢筋；基坑竖向设置5道内支撑，支撑在竖向较密，施工不便，效率较低。方案二充分利用增量法原理，对坑内被动区软土进行加固，提高被动区参数，可有效控制围护结构变形；搅拌桩加固将增加较多费用，相对方案一造价较高；搅拌桩加固后便于机械在基坑内开挖施工，提高开挖出土效率。方案三连续墙墙厚采用1 000 mm，造价最高；但围护结构刚度大，采用4道內撑，利于施工。

方案二兼顾了造价与工期，但其实际效果难以估量，实践经验也较少，根据武汉地区其他个别类似深厚软土基坑的使用效果来看，如果严格实施施工，能够较为有效控制变形。应进一步积累应用经验，应用过程中采取有效的措施切实达到加固被动区的效果。由于交通疏解的影响，车站采用半盖挖法施工，基坑开挖与出土效率会受到基坑上方铺盖路面系统的限制，综合各方面的因素，在条件允许的情况下，宜推荐采用方案三，特别在初步设计阶段，应优先采用方案三。

方案中支撑可根据实际需要采用混凝土支撑或钢支撑，钢支撑应采用直径为800 mm的规格。根据对比计算表明，施加预应力后，钢支撑刚度也能满足变形要求，但其整体性不及混凝土支撑，实际使用时可采用2道混凝土支撑+2道钢支撑的组合。

3 基坑开挖对箱涵的影响与措施

位于基坑东侧的6.0 m×2.0 m箱涵距离基坑间距约3.0 m，箱涵为砖混结构，对沉降变形敏感，采用Midas GTS软件对基坑开挖过程对箱涵的影响进行模拟分析。分析模型中，土层的参数按照土层的物理力学参数取值，连续墙采用混凝土板模拟，刚度则按照实际刚度取值（如图8、图9所示）。

根据武汉地区经验，BH-6 000 mm×2 000 mm箱涵相邻管节差异沉降控制标准可取不大于50 mm，保护箱涵应从连续墙成槽与基坑开挖2个方面全面考虑。宜优先采用刚度较大的围护结构，连续墙厚度可取为1 000 mm；对箱涵一侧连续墙槽壁进行搅拌桩加固，并在加固体内设置型钢；在基坑施工过程中，应对箱涵沉降变形进行适时跟踪监测。

4 结论与建议

在深厚软土场地开挖地铁深基坑风险较大，地下水、不良地质等因素均不利于基坑的稳定；软土深基坑变形较难控制，施工过程中对临近的建构筑物可能产生不利的影响，因此应择优选用适宜的围护结构与支护方案，确保总体方案合理。方案论证是一个多因素的复杂的博弈过程，应力求做到方案技术先进合理、安全环保、造价合理并易于施工等。

（1）工程、水文地质是最重要的基础资料，应有足够详尽的勘察资料支撑围护结构的比选。场地周边环境因素如交通疏解、市政管线、临近建构筑物等也应统筹予以考虑，妥善解决各主要矛盾。

（2）复杂场地条件的地铁深基坑围护结构选型需要进行一系列系统而有针对性的比较分析、一定数量的有效数据支撑并不断优化予以确定，关注主要矛盾，根据实际情况有所侧重和取舍。

（3）深厚软土地铁深基坑围护结构变形一般较大，特别在基坑附近存在对位移敏感的建构筑物时，围护结构变形控制要求更严，一般要求围护结构具有较大的刚度。就侧向刚度而言，D1 200 mm@1 400 mm钻孔灌注桩的等效侧向刚度基本与1 000 mm厚的地下连续墙刚度相当，当能采用止水帷幕或坑外降水妥善解决基坑止水问题时，钻孔灌注桩围护结构应重点予以考虑。

（4）目前，规范尚未对各种结构的箱涵的变形限值予以明确规定，文中给出的参考值基于武汉地区经验，当没有经验或足够把握时，可提出比该参考值更严的限值。

（5）方案二基坑内部坑壁以上软土采用搅拌桩加固后，根据增量法原理，理论上确能达到大幅减少变形的效果，天汉深基坑软件可以模拟这种工况，计算中取用加固体等效内摩擦角参数，该参数可通过加固体设计强度根据规范公式反算得出。但方案二实际效果如何，尚需积累实践经验和总结监测数据。

（6）地铁工程设计阶段性很强，每个设计阶段关注的重点不一样，初设阶段对围护结构选型显得尤为重要，因为围护结构在总的土建造价中占比较大，而基坑支护方案或措施不当将增加基坑施工的安全风险，所以围护选型失误或重视不够往往后患无穷，初设阶段甚至是方案设计阶段就理应予以足够重视。

参 考 文 献

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[责任编辑：陈泽琦]