邻近嘉陵江和轨道交通的超限深基坑支护设计分析

黄承忠，江立群，王智

（1 重庆中煤科工工程技术咨询有限公司，重庆 400042；2 中机中联工程有限公司，重庆 400039）

0 引言

随着重庆山地城市建设的快速发展， 复杂工程地质、 水文地质条件的高边坡、深基坑不断涌现，特别是临近长江、嘉陵江和轨道交通的超限深基坑支护、地下水控制问题日益凸显，从而使超限基坑工程的系统性和复杂性与日剧增，社会效应也越来越强[1]。 本文通过工程实例，探讨超限深基坑在设计过程中的问题和解决措施，提出了采用具有重庆地区山地地质特点的“门字形双排桩+桩间两排高压旋喷桩止水帷幕” 的联合支挡结构，运用工程类比法、规范法、数值分析法、第三方安全评估和现场监测相结合的方法进行了支护设计和效果评价， 可为类似超限深基坑支护设计提供一定的参考。

1 工程概况

1.1 基坑边坡及轨道交通概况

工程位于重庆市主城区嘉陵江南岸，基坑边坡周边环境条件复杂，建（构）筑物及管网分布密集。 其中北侧基坑边坡长125m，最大高度19m，为土质基坑边坡，基坑侧壁主要为杂填土、粉质黏土，支护结构距离既有轨道交通约26m，位于轨道交通保护区内，距离滨江路约15m，距离嘉陵江约70m，详见图1。

图1 基坑支护设计典型剖面图

既有轨道交通为跨坐式单轨，工程段采用高架桥，群桩基础，四桩承台，桩基础直径1.2m，长约30m，嵌入中风化岩体深度4m。

1.2 边坡工程地质条件

场地位于嘉陵江南岸，原地形为河岸陡坡地带，基岩面向嘉陵江倾斜，坡度约25°～40°，修建滨江路时已回填平整。边坡覆盖层为第四系全新统人工杂填土层（Q4ml）、冲洪积粉质黏土层(Q4al+pl)，厚度18～28m，下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组泥岩夹砂岩。 受长江三峡大坝调度影响， 嘉陵江常年水位在145～175m 之间波动， 设计洪水位按五年一遇洪水位184.88 m 考虑，基坑底部高程为169.50m。基坑边坡第四系松散孔隙水（潜水）丰富，与嘉陵江水位联系密切。

1.3 岩土参数取值

边坡安全等级为一级，为临时基坑边坡，使用年限为2 年，稳定安全系数取1.25。 其余参数详见表1。

表1 边坡岩土体参数

重庆地区通常采用粉质黏土的直接快剪强度指标计算填土沿岩土界面或粉质黏土界面滑动的稳定性及剩余下滑力，因此地勘报告往往只提供粉质黏土直接快剪强度参数。 该工程的粉质黏土为正常固结土，采用直接快剪强度指标计算的土压力明显偏保守和不经济，且与文献[2-3]要求也不一致。

（4） 支护结构位置岩土界面陡倾的问题

基坑边坡原地形为河岸陡坡，基岩面起伏大，达25°～40°，局部为陡坎，且存在孤石和漂石，可能导致支护桩的设计嵌固位置与实际不一致或误将孤石和漂石误判为基岩，存在较大的安全隐患。

（5） 变形控制问题

工程支护结构桩顶允许位移为30mm， 轨道交通管理部门要求运营中墩台的水平、竖向最大可调位移按5mm 控制，常规设计方法只能获得支挡结构自身内力和变形情况，轨道结构的变形却不得而知。

2 设计问题探讨及支护方案的确定

2.1 主要风险点及技术难点分析

（1） 基坑边坡破坏后果严重：坡顶存在轨道交通、滨江路、箱涵、管网等重要保护对象，支护结构的可靠性及变形控制要求严格。

（2） 基坑边坡高度大、工程地质条件差：边坡高度达19m，放坡条件有限；原始地貌为河岸陡坡地带，基岩面向嘉陵江倾斜，修建滨江路时已回填平整，现状主要为松散杂填土层、冲洪积粉质黏土层，厚度18～28m。

（3） 水文地质条件复杂：松散杂填土为强透水层，基坑坑底比设计洪水位低15.32m，水压力大，对止水帷幕的要求高。

2.2 设计过程中的问题

（1） 地下水控制问题

基坑边坡面临地下水丰富、设计水头大且工程地质条件复杂等突出问题， 因此地下水控制问题为本次设计的关键问题之一，然而在重庆地区杂填土层和含孤石的粉质黏土层中实施止水帷幕少有经验可循。

（2） 支护形式选择问题

坡顶具有重要构筑物的土质边坡，重庆地区通常采用抗滑桩或抗滑桩+预应力锚索两种支护形式。 该工程基坑边坡高度17～19m，若采用抗滑桩，悬臂长度过大，会导致桩顶位移偏大，桩的可靠性降低且造价高；基坑边坡原地形为河岸陡坡，基岩面整体向嘉陵江倾斜，预应力锚索不能以中等风化基岩作为锚固段，因此抗滑桩+预应力锚索的结构型式也不适用。

（3） 粉质黏土抗剪强度参数取值问题

2.3 解决措施

（1） 针对问题（1）和问题（2），笔者通过调查研究、比选和类似工程经验，最终提出了采用“门字形双排桩+桩间两排高压旋喷桩止水帷幕”的联合支挡结构[4]。 “门字形双排桩”和“止水帷幕”在重庆基坑边坡中应用较少，但沿海地区应用较多。 “门字形双排桩+桩间两排高压旋喷桩止水帷幕”的联合支挡结构，在借鉴相关经验的基础上，又与沿海地区双排桩明显不同： ①该工程基坑底部以下存在强度较高的基岩，嵌固段位于中等风化基岩时可提供较大的水平承载力，这与沿海软土地区双排桩结构迥异；②沿海地区双排桩和止水帷幕一般各为一个体系，本次设计将高压旋喷止水帷幕设置在门字形双排桩中间，形成共同支挡体系，其不仅能明显增大支护结构的水平刚度、降低内力，还能较好控制基坑变形、降低造价，并具备结构可靠、施工工期短等优点。 该设计与桩锚体系相比，工期更短，工期风险较低；与内支撑相比，造价更低，省时省力，施工更简单。

（2） 针对问题（3）和问题（4），考虑到保护对象的重要性及相关规范[5]的要求，设计提出对支挡结构位置的旋挖成孔灌注桩进行超前地质钻探（间隔1 根桩实施1 个钻孔），并将其提前至施工图设计阶段实施， 重新采取试样质量等级为Ⅰ级的粉质黏土样，进行室内天然、饱和固结抗剪强度试验。 从表2 可知，设计最终采用的粉质黏土固结快剪强度参数明显高于直接快剪强度参数，相应的土压力由753 kN/m 降低为555kN/m （以图1 中的典型剖面为例），减少了26%，工程造价也得到了明显降低。

表2 粉质黏土直接快剪与固结快剪参数和土压力对比表

（3） 针对问题（5），该工程除采用常规的理正深基坑软件计算外，还结合数值模拟分析、第三方安全评估和现场监测进行动态化设计。

（4） 其它关键控制措施：①旋喷止水帷幕工艺试验。 旋喷止水帷幕的施工工艺是确保止水帷幕成功的关键，设计要求在施工帷幕前先进行工艺试验，以确定工艺参数和止水效果；②施工顺序确定。 为避免施工扰动对止水帷幕造成破坏，影响止水效果，设计先按“跳桩法”施工支护桩，再施工高压旋喷桩，支护结构强度达到设计强度75%后才能按“至上而下、分段分层、及时施工桩间挡土板”的逆作法施工顺序进行基坑开挖，同时要求选择嘉陵江低水位期进行支护结构的施工；③监测要求。 具有资质的第三方测量单位对保护对象、边坡、支护结构进行变形监测，坚持动态设计、信息化施工原则。

2.4 支护方案的确定及内力分析

按照上述解决方法，经分析计算，门字形双排桩的前排桩和后排桩桩径均为1.8m，通过刚架梁连接，桩中心距为3m，前排桩与后排桩的排距3.6m，桩嵌入中等风化基岩长度不小于8m；前排桩与后排桩的中间采用两排有效桩径不小于1.0m 的高压旋喷桩止水帷幕相互套接，套接长度0.35m，高压旋喷桩底部进入中等风化基岩相对隔水层，在空间上围合成一个闭合的止水帷幕，支护方案见图1。

前排桩与后排桩的弯矩图、剪力图分别见图2 和图3，从图中可知，前排桩弯矩最大值为11596kN·m，剪力最大值为2902 kN，后排桩弯矩最大值为9838 kN·m，剪力最大值为1839 kN。前排桩与后排桩的弯矩和剪力分布趋于一致，证明了门字形双排桩与两排高压旋喷止水帷幕形成了共同的支挡体系，更加协调一致。

图2 前排桩弯矩图、剪力图

图3 后排桩弯矩图、剪力图

3 对既有轨道结构的安全影响及监测分析

3.1 安全影响分析

第三方评估单位针对基坑边坡支护设计对既有轨道的影响进行了安全评估，基坑边坡按本次支护设计施工后，基坑边坡、支护结构及轨道结构的变形图见图4、图5，轻轨桩基础的弯矩、剪力图见图6。 从图中可知， 门字形双排桩桩顶最大侧向位移为6.5mm，满足要求；轨道最大侧向位移为2.5mm，满足要求；轨道桩基础的弯矩最大为117.9 kN·m，满足要求。 因此该项目在严格按设计实施的条件下，对既有轨道结构的正常运营影响小。

图4 基坑开挖后位移图

图5 基坑开挖后双排桩和轻轨变形图

图6 基坑开挖后轻轨桩基础弯矩图、剪力图

3.2 变形监测验证

工程在施工期间和竣工完成后的两年内委托了有资质的单位进行专门监测。 监测时间为2017 年3 月2 日—2020 年4 月12日，双排桩累计水平位移最大值为2.3mm，累计竖向位移最大值为2.2mm，最大侧向位移3.2mm；轨道结构累计水平位移最大值为2.3mm，累计竖向位移最大值为2.7mm，最大侧向位移3.5mm。从监测结果可知，支护结构和轨道结构的变形均受到了严格的控制，支护效果良好。

4 结语

通过基于轨道交通保护的临江超限深基坑工程实例，在分析边坡风险点和难点的基础上， 对设计过程中面临的地下水控制、支护形式选择、参数取值、变形控制等问题进行了深入探讨，提出了保证轨道交通和超限高边坡安全的解决方法，然后依据解决方法提出了采用具有重庆地区山地地质特点的 “门字形双排桩+桩间两排高压旋喷桩止水帷幕” 的联合支挡结构进行支护。 工程于2018 年4 月竣工验收，目前主体建筑已修建完成，且已采用地下室结构进行了永久性支挡，监测结果也表明支护结构和轨道结构位移得到了较好的控制，达到了设计目标，相关经验可为类似超限深基坑支护设计提供一定的参考。