软土地区复杂环境下地铁区间风井基坑设计及研究

姜志威

（广州同捷交通工程咨询有限公司，广东 广州 510140）

0 引言

上海作为我国最早建设地铁的城市之一，目前上海已开通运营了15条轨道交通线路，为进一步完善轨道交通网络，上海轨道交通18号线作为上海新一轮轨道交通规划线路之一，起着连接宝山、杨浦、浦东三区的重要作用。当线路位于远郊区域时，由于区间距离较长，而高峰时期列车发车间隔较短，因而需要在较长时间范围内设置中间风井。针对地铁风井的设计也已有诸多学者进行了研究[1，2]。

1 工程概况

上海轨道交通18号线一期工程沪南公路站～御桥站区间全长约2.87 km，区间起讫里程为XK11+919.944～XK14+793.403；在沪南公路与外环高速路路口西南侧的绿地内设有一座中间风井，风井中心里程为XK12+878.052。该风井周边环境较为复杂，风井北侧为DN273航油管线，风井南侧为拟规划外环河道，风井东侧为沪南公路，风井西南侧为DN800污水管，沪南公路现状下方市政管线密集。受拟规划河道的影响，风井南侧为地下两层结构，北侧为地下三层结构。风井东西向长约44 m，南北向宽约28.1～30.5 m，基坑开挖深度约25.7 m，采用明挖顺作法施工。风井的平面布置及剖面布置见图1、图2。

图1 沪～御中间风井平面布置图

1.1 工程地质

中间风井拟建场地区域地层自上而下依次为①1人工填土、③灰色淤泥质粉质黏土（局部夹③j灰色砂质粉土）、④灰色淤泥质黏土、⑤11灰色黏土（局部夹⑤1t灰色粉砂夹粉质黏土）、⑤12灰色粉质黏土、⑤31a灰色粉质黏土夹粉砂、⑤32a灰色砂质粉土夹粉质黏土、⑤32b灰色粉砂夹粉质黏土、⑤33灰色黏土、⑦2灰黄～灰色粉细砂。主要土层的物理力学参数见表1。

1.2 水文地质

拟建场区地下水主要包括赋存于浅部土层的潜水，赋存于⑤1t、⑤32a、⑤32b层的微承压水及⑦2层的承压水，其中⑤1t层为⑤11与⑤12层之间的夹层，不与其他承压水层连通，⑤32a层与⑤32b层相邻连通，⑤32b层与⑦2层局部连通；⑤32b层底埋深约57.5 m，⑦2层层顶埋深约 57.5～58.5 m（未揭穿）；潜水水位埋深0.90～1.1 0m，承压水水位埋深一般3.0 ～12.0 m。

2 风井设计重难点分析

（1）基坑开挖深度大

基坑北侧的航油管线埋深约8.7～10.3 m，根据航油管线保护要求，区间隧道顶距航油管线的净距不应小于5 m，区间隧道埋深增加，导致风井开挖深度大于常规区间风井开挖深度，本工程风井基坑开挖深度约25.7 m。

（2）邻近管线较多

风井现状周边的管线较多，DN273航油管线距基坑最近距离约16.4 m，DN800污水管距基坑最近距离15.3 m，DN500高压燃气管位于风井范围（施工阶段临排至风井西侧），此外还有较多电缆、给水、通信等市政管线紧邻或上跨风井，现场根据实际情况，距离较近及位于风井上方的管线临排至风井沪南公路东侧。

（3）不良地质

拟建场地浅部地层中局部有③j灰色砂质粉土层，层厚约2.5～4.5 m；该土层容易影响地下连续墙的成槽质量。

（4）承压水位高

影响本基坑的主要为⑤32a、⑤32b微承压水层，且⑤32b层局部与⑦2承压水层连通，按实测5.92 m及最不利3 m承压水水头埋深计算时，基坑在开挖过程中会发生突涌，因此基坑开挖过程中应进行降承压水作业[3]。

（5）预留远期线路盾构下穿条件

根据机场快线规划方案，规划线路需要穿越现状风井区域；且由于风井北侧为航油管线及外环高速桥桩，南侧为规划外环南河、申花足球地块，线路调整空间较小。因此，在风井设计过程中需要考虑为远期盾构下穿预留条件。

3 围护结构设计及周边环境影响分析

3.1 围护结构设计

该风井基坑开挖深度约25.7 m，安全等级为一级，结合场地土层特性及上海工程经验，综合考虑经济、安全等因素，拟采用地下连续墙+内支撑作为围护支撑体系。其中地墙厚度1.2 m，地墙长度53.5 m（含7 m素混凝土段），沿基坑纵向共设置了七道支撑，其中第一、四道支撑为钢筋混凝土支撑（第一道支撑尺寸为0.8 m×0.8 m，第四道支撑尺寸为1 m×1 m），其余为钢管支撑（第七道为壁厚20 mm的Φ800 mm钢管支撑，其余为壁厚16 mm的Φ609 mm钢管支撑）。

表1 各土层物理力学性质参数表

（1）坑内土层加固

由于基坑开挖深度较大，坑底位于⑤12层，开挖范围内④层淤泥质土层较厚（7～9 m），为降低开挖时的风险，坑内采用旋喷桩进行两层裙边+抽条加固。第一层加固体位于第四道钢筋混凝土支撑中心处，第二层加固体位于坑底，加固层厚均为3 m。旋喷桩加固体28 d龄期无侧限抗压强度qu≥1.0 MPa。

（2）不良地质处理

为防止地墙沉槽过程中③j灰色砂质粉土层范围内出现塌孔等问题，在地下连续墙两侧采用三轴搅拌桩进行预加固，加固深度至③j层层底下约1.5 m，确保地下连续墙的沉槽施工质量。

（3）承压水处理

本工程拟采用悬挂止水帷幕+减压降水相结合的技术处理方案，确保坑内承压水位降低至安全高度以下，实现“按需降水”，且该方法也已在工程实践中得到了广泛的应用[4-7]，且根据《上海市基坑工程技术规范》（DJ/TJ08-61-2010）[8]中的规定，当隔水帷幕进入承压水层长度大于9 m时，可采用坑内降水方案。本工程中的地墙受力计算所需长度的基础上再增加了7 m长素混凝土段作为止水帷幕，地墙进入承压水层的长度约10～13 m，并在坑内设置了承压水降水井，增加了承压水的补偿渗流路径，确保施工过程采取有效降水措施后不会发生突涌；此外，在坑外航油管等重点区域设置回灌井，减小降水过程中对重要管线的影响。

（4）地下连续墙预留下穿条件

为便于后期机场快线穿越风井底板下东西两侧地墙，结合基坑设计计算结果，在底板下3 m至墙底范围地墙内力较小，因此在风井东西两侧地墙自底板下3 m至墙底范围均采用玻璃纤维筋[10]（GFRP），且此范围混凝土标号调整至C30；考虑到十字钢板等刚性接头后期切割困难，而根据现场施工经验，GXJ橡胶接头在地墙长度大于40 m时，接头箱在拔出的过程中容易导致橡胶带断裂，因此，东西两侧地墙拟采用锁口管接头，南北两侧采用十字钢板接头。此外，在后期机场快线盾构穿越施工过程中为确保盾构均匀、同步切割地墙，在切割面处，盾构轴线应与地墙垂直。

3.2 周边环境影响分析

为准确反映基坑开挖过程中对周边管线等的影响，采用有限元软件对基坑开挖过程及周边管线的附加变形进行模拟分析。本次模拟分析主要针对一倍基坑开挖深度范围内的管线。结合简化的计算剖面，建立平面模型进行模拟分析。

（1）计算本构模型及单元

本次分析中土体采用了修正莫尔库伦模型，地下连续墙、支撑采用线弹性模型。土体参数根据勘察报告提供的各土层参数选用（加固范围内的土体按加固体强度指标选用）。

采用三角形、四边形单元模拟土体，采用梁单元模拟地下连续墙、混凝土支撑，采用桁架单元模拟钢管支撑，采用梁单元模拟管线。地下连续墙和土体之间采用接触单元进行模拟。

（2）计算区域及计算边界

竖直影响深度取至坑底下大于2H（H为基坑开挖深度），水平影响范围一般为不小于4H（H为基坑开挖深度）。由于基坑变形为对称变形，计算分析过程中可取一半作为计算区域，模型尺寸为70 m×100 m（深度×宽度），底部施加X、Y两个方向约束，两侧边施加X方向约束。

（3）开挖工况模拟

为了真实的反映基坑开挖过程中的变形，需要对整个开挖过程进行模拟。通过钝化某一区域的土体单元达到模拟开挖该范围土体的效果；通过激活支撑单元，可实现加撑过程的模拟。

（4）计算模型及计算结果（见图3～图6）

图3 基坑开挖有限元计算模型

图4 基坑开挖至坑底时土体水平位移图

图5 基坑开挖至坑底时土体竖向位移图

图6 基坑开挖至坑底时邻近管线竖向位移图

根据以上计算结果可知，风井开挖至设计标高时，地面最大沉降为10.4 mm，围护墙最大侧向变形为36.5 mm，DN800污水管线的最大沉降9.3 mm，DN273航油管的沉降为8.9 mm，满足基坑环境保护等级一级的变形控制值。

4 结 语

由于沪南公路站—御桥站区间主要沿着沪南公路走行，中间风井选址难度大，本风井周边环境条件复杂，施工难度。目前中间风井已顺利完成了基坑的开挖和内部结构回筑的施工。根据现场反馈的监测数据，围护墙体的变形、地表沉降以及航油管等市政管线的沉降变形均处于有效控制范围内。本工程的设计思路及设计方案也可为今后类似工程提供借鉴。