软土地区地铁车站深基坑工程施工控制技术研究

2024-02-25尹明远YINMingyuan

价值工程 2024年3期

尹明远YIN Ming-yuan

（中铁十五局集团有限公司，上海 200070）

0 引言

近年来，随着我国整体经济的发展，越来越多的一线城市加快了城市轨道交通工程的建设。宁波市为适应新时期城市经济社会发展的需要，先后编制三轮建设规划，当前第二轮建设正在推进中。因软土地质的流变特性而导致的围护结构地下连续墙施工质量缺陷及基坑开挖过程中围护结构变形量过大可能造成的基坑风险问题迫切需要解决，设计方通常通过加大围护结构截面尺寸、嵌入深度、提高支撑刚度等方式来提高安全系数，施工方主要是依靠类似工程施工经验来控制。因此充分掌握软土地区地铁车站深基坑工程施工的控制技术来保证软土地区深基坑施工安全，进而指导后续工程施工显得尤为重要。

1 工程背景

宁波地铁6 号线春华路站车站主体为地下二层岛式单柱双跨（局部双柱三跨）车站，基坑全长203.6m，标准段基坑宽度19.70m，标准段基坑深度约18.21～18.551m；端头井基坑宽度为24.4m，端头井基坑深度19.978～20.407m。车站主体围护结构采用地下连续墙+内支撑形式，第一道为混凝土支撑，其余为钢支撑。基坑地层从上到下依次为：①1a 杂填土、①2 黏土、①3T 泥炭质土、①3a 淤泥、②1 黏土、②2b 淤泥质粘土、④1b 淤泥质粉质粘土、④1a 淤泥质粘土、④2a 黏土、⑤4a 粉质黏土、⑥4b 圆砾、⑦1粉质黏土。

2 软土地层的特性

众所周知，软土地层通常具有强度低、压缩性高、含水率高、灵敏度高、流变性大等特性，而土的流变规律又包括蠕变性、流动性、应力松弛性、长期强度特性等，土方开挖后，原状土土压力平衡被打破，土体变形不会发生突变，在“时间”和“空间”上存在滞后性。因为软土的流变特性显著，所以在地下连续墙施工成槽后槽壁暴露时间与土体位移之间存在关联性，槽壁暴露的时间越长，缩孔、塌孔越明显，越容易造成卡笼或混凝土充盈系数小于1 的结果；在深基坑土方开挖时，分步开挖的支护开挖部位土体、空间尺寸的暴露时间和土体的位移之间也有着一定的相关性，其围护结构的位移随着土方开挖时间的延长而逐步扩大，土方开挖越深，围护结构暴露的范围越大，意味着流变现象会越显著，围护结构变形越明显，意味着基坑安全风险也就越大。

3 软土地区地下连续墙施工控制技术

软土地区地铁车站主体深基坑通常采用地下连续墙加内支撑体系作为支护体系，地下连续墙根据周边环境的特点、基坑开挖深度、地质特点等不同因素采用不同的接头形式，常用接头形式为工字钢接头和锁口管接头，春华路站地下连续墙设计采用的是锁口管接头。考虑到软土的流变性，如何保证成槽过程中及成槽完成后至混凝土浇筑前墙槽不缩孔、不塌孔，混凝土浇筑过程中不发生绕流，确保后续墙幅施工与已成墙缝间连接质量是施工控制要点。

3.1 泥浆比重控制

成孔（槽）过程中泥浆相对于泥浆护壁成孔（槽）施工工艺来说就是“血液”，不同配比的“血液”于不同地层的适用性决定了成孔（槽）的质量，因此解决软土地区地下连续墙成槽过程中的缩孔、塌孔的根本还在于泥浆配比。本车站围护结构施工初期，对不同的循环泥浆比重下软土地区地墙成槽槽壁情况，结合超声波成像结果进行了分析，同样在成槽完成1h 内对相邻3 幅墙的10～20m 槽深位置进行检测，对比循环泥浆比重在1.08、1.10、1.12 三种情况发现：循环泥浆比重控制在1.12 时形成的泥皮护壁效果最好，塌孔情况几乎没有（不同比重下泥浆护壁效果详见图1-图3），也就意味着成槽过程中适当提高泥浆比重有利于软土地区地下连续墙成槽后的护壁效果。

图1 泥浆比重1.08 槽壁检测

图2 泥浆比重1.10 槽壁检测

图3 泥浆比重1.12 槽壁检测

3.2 槽壁暴露时长控制

除了增加泥浆护壁效果以外，缩短槽壁暴露时长也是关键控制要点，在槽壁暴露的时长包括四道必要工序时间及工序（清孔、锁口管安装、钢筋笼吊装、导管安装）之间的间隔时间之和，因此缩短槽壁暴露时间可以从这两个方面进行控制。工序本身时间优化可以通过提前预拼锁口管、提前挂钢筋笼卸扣等方式实现，工序之间间隔时间优化，可以通过避免“槽等笼”的现象、协调好导管安装与混凝土到场时间。通过对槽壁暴露时长的控制，可有效的保证因软土流变特性而造成的缩孔、塌孔现象，进而保证地墙施工质量。

3.3 防绕流填料控制

因为软土的流变特性及低强度性，地墙混凝土浇筑过程中需对绕流问题进行解决，了解地下连续墙接头形式的人都知道，柔性接头中锁口管接头相对于工字钢接头防绕流控制更为关键。为做好软土地质防绕流控制，针对锁口管与超挖土面之间的空隙回填处理在增加锁口管插入深度的同时采用建筑混凝土碎渣回填与常规的土袋回填进行对比，通过实际效果可知，锁口管与其背部土层间间隙较小，采用土袋回填容易卡袋，采用建筑碎渣利用其自重大，颗粒小的特点可保证回填密实，对防绕流的控制效果更好，因此软土地层锁口管后侧回填选择颗粒小自重大的填料更可靠。

3.4 墙缝刷壁控制

相比工字钢接头形式，采用锁口管接头的墙缝渗水路径更短，措施不到位很难解决墙缝渗漏水问题。针对墙缝间可能存在夹渣造成后续墙缝渗漏水的情况，围护结构施工过程中采用的刷壁设备尤为关键。通常情况下刷壁设备包括液压抓斗刮刀（图4）及重力式刷壁器，采用液压抓斗刮刀进行墙壁，其主要原理是：安装的抓斗刮刀需紧贴已成型槽口内，而抓斗的另一边靠紧已经放好的锁口管，这样液压抓斗在刮除淤泥的过程中，可以防止抓斗向另一侧偏移，确保刮除接头淤泥的效果。而重力式刷壁器（图5）利用了其本身的自重工作，相比前者缺少了一个水平定向的力，刷壁效果相比前者欠佳，因此软土地区选择液压抓斗刮刀刷壁更有利于控制地墙接缝的施工质量。

图4 本工程液压抓斗刮刀示意图

图5 重力式刷壁器刷壁示意图

4 软土地区基坑开挖施工控制要点

深基坑工程的主要技术难点在于对基坑周围原状土的保护，防止基坑变形及地表沉降，减少对既有建筑物的影响，而软土地层的蠕变性、流动性、应力松弛性等特性加剧了对软土地区深基坑开挖过程中基坑变形控制的难度，因此软土地区基坑开挖要充分利用软土的“时空效应”，基坑开挖过程中的施工组织是“配方”，限时开挖、限时架撑则是“火候”，掌握好“配方”及“火候”才能保证质量。

4.1 限时开挖控制

深基坑开挖施工往往是围绕一个“快”字来组织，正常地质情况下客观合理的规划运土路线尽可能解决工作面要求即可满足，但因为软土地层的流变特性明显，所以软土地层基坑开挖想要“快”的前提是保证围护结构变形量控制到位，而相同的开挖功效下，开挖过程中基坑分层厚度及分段长度，直接决定了基坑无支撑暴露时间和空间，因此土方分层分段要结合开挖设备的功效及钢支撑架设的功效，制定每日开挖任务书，根据“保开挖”、“保架撑”两个时段侧重点不同，动态调整每个工作面开挖量或增减支撑架设的人员、设备，做到每段开挖中又分层、分小段，每开挖一段长度为6～8m，每段土方要求在12h 内挖完，随即在4h 内安装完成该段钢支撑并施加预应力，12h 后观测预应力损失及围护结构位移，并复加预应力，使得基坑达到稳定状态。考虑到软土地层流动性表现明显，开挖过程中沿基坑横断面开挖顺序为先中间后两侧，以减少围护结构暴露的时间；纵向开挖总坡度不大于1:4，开挖面放坡不大于1:1.5，以确保基坑边坡稳定性。通过基坑开挖过程监测数据生成测斜位移图（图6），表明：分层分块限时开挖能够有效地调动地层的空间效应，以降低应力水平、控制软土地层流变位移，使基坑围护结构变形量控制在合理范围内。

图6 基坑开挖测斜位移图

4.2 限时架撑控制

为满足限时架撑的要求，同时考虑到施工的灵活性，钢支撑到达现场后立即预拼装并验收，优选履带吊作为主要吊装设备，始终保持钢支撑架设等土方开挖的状态，做到随开挖随架设，随架设随加力，缩短地层在无支撑状态下的暴露时间，进一步确保了软土地区深基坑的安全性。结合车站基坑整体测斜数据的研究表明，减少每步开挖到支撑完毕的时间，即无支撑暴露时间，可明显控制地下连续墙的流变位移，在无支撑暴露时间小于16 小时效果尤其明显，结合相邻线路车站基坑监测数据统计可知，长时间暴露后墙体位移实测值往往超出计算式的2-6 倍，甚至已超出设计时的极限值，通常最大值出现在基底以下2.5～3m 的位置（图7），意味着基坑随时都有坍塌风险，进一步表明每层土方开挖后限时架撑的重要性。