李科增，孫廣臣*，楊煥白，劉慧芬

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院，廣東佛山528225；3.中鐵五局集團(tuán)第二工程有限責(zé)任公司，湖南衡陽(yáng)421002）

為了應(yīng)對(duì)“城市綜合癥”［1］，緩解城市地面上的交通壓力，地鐵工程建設(shè)進(jìn)展非常迅猛，地鐵車站深基坑工程作為地鐵工程項(xiàng)目極其重要的一部分，正飛速地向規(guī)模更大、深度更深的方向發(fā)展，隨之而來(lái)基坑開挖和支護(hù)的問(wèn)題已成為土木工程的熱點(diǎn)和難點(diǎn)［2］。因城市用地緊張，已出現(xiàn)越來(lái)越多需要在緊鄰既有地鐵站條件下進(jìn)行新建地鐵站深基坑施工的工程案例，在鄰近既有車站條件下，新建地鐵車站的施工往往是一項(xiàng)施工風(fēng)險(xiǎn)極大的復(fù)雜工作與系統(tǒng)工程，不但需要避免新建車站對(duì)既有車站及附屬工程的影響，更要合理評(píng)價(jià)和盡量減少距離很近的既有車站（如直線距離10 m左右）對(duì)新建車站在基坑開挖、支護(hù)施工過(guò)程中力學(xué)特性的影響，因而需要開展針對(duì)性的研究，以確保新建地鐵車站在施工過(guò)程中的安全與穩(wěn)定。

張光建等［3］以某地鐵換乘車站深基坑作為研究背景，通過(guò)建立三維有限元模型，對(duì)地鐵車站深基坑開挖的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，同時(shí)將支撐軸力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了分析比對(duì)，發(fā)現(xiàn)兩者具有一致的發(fā)展變化規(guī)律，表明建立的三維有限元模型能夠較好地模擬異形基坑的開挖施工過(guò)程，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提供了參考。肖武權(quán)等［4］對(duì)深基坑的支護(hù)方案、所選支護(hù)類型的細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析計(jì)算的優(yōu)化進(jìn)行了詳細(xì)探討，通過(guò)運(yùn)用多目標(biāo)決策模糊集理論以及層次分析法來(lái)優(yōu)選具備多屬性、模糊特性的深基坑支護(hù)方案。余曉琳等［5］以收集到的國(guó)內(nèi)一些工程實(shí)例作為研究對(duì)象，分析了基坑在開挖之后土體位移場(chǎng)產(chǎn)生的變化，總結(jié)了基坑開挖施工對(duì)鄰近既有車站結(jié)構(gòu)的影響。廖貅武等［6］通過(guò)運(yùn)用基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的多屬性決策方法分析方案之間的優(yōu)勢(shì)關(guān)系，得到了最優(yōu)的支護(hù)方案，并用具體實(shí)例證明了該方法可行、有效。趙洪波等［7］提出了一種優(yōu)化基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的新方法，用支持向量機(jī)來(lái)表示支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和基坑安全系數(shù)兩者間復(fù)雜的非線性映射關(guān)系，以微粒群算法為優(yōu)化工具，通過(guò)一個(gè)具體的工程實(shí)例展示了該方法出色的全局優(yōu)化能力。O ROURKE［8］、FINNA［9］通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)深基坑進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，得到了圍護(hù)體系的受力變形及其影響，以及造成不同結(jié)果的原因?；拥拈_挖卸載打破了鄰近地鐵車站原有場(chǎng)地的平衡，使土層應(yīng)力重新分布，繼而引起地鐵車站產(chǎn)生新的內(nèi)力和變形。已運(yùn)營(yíng)地鐵車站要求嚴(yán)格控制車站結(jié)構(gòu)的變形，以確保正常運(yùn)營(yíng)以及安全穩(wěn)定［10-13］。

本文以武漢市軌道交通16號(hào)線老關(guān)村站為工程背景，結(jié)合該車站深基坑在開挖、支護(hù)施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，介紹該工程所采用基坑支護(hù)方案的主要施工工藝，為類似工程項(xiàng)目提供有益借鑒。

1 工程概況

武漢軌道交通16號(hào)線一期老關(guān)村站位于沌口路以東地塊內(nèi)，與既有6號(hào)線老關(guān)村站平行換乘，如圖1所示，周邊場(chǎng)地較為開闊，建設(shè)條件較好，采用明挖法施工。老關(guān)村站為地下二層島式車站，車站有效站臺(tái)中心里程處底板埋深16.68 m，車站頂板覆土3.2 m。車站主體結(jié)構(gòu)外包總長(zhǎng)227.3 m，總寬22.2 m（標(biāo)準(zhǔn)段），有效站臺(tái)長(zhǎng)度140 m，站臺(tái)寬13 m，雙柱三跨結(jié)構(gòu)。根據(jù)車站地質(zhì)勘察報(bào)告，綜合考慮車站站址環(huán)境及周邊規(guī)劃情況，臨近既有車站一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及大里程端端頭采用1 000 mm厚的地下連續(xù)墻，其余側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用800 mm厚地下連續(xù)墻，且墻頂設(shè)冠梁，采用鋼筋混凝土支撐和鋼支撐作為支撐體系使用。

圖1 工程概況平面示意圖

2 工程地質(zhì)與水文條件

2.1 工程地質(zhì)

根據(jù)鉆孔揭露，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析，場(chǎng)地表層分布人工填土層，其下依次為第四系全新統(tǒng)沖積層、上更新統(tǒng)沖積層、上更新統(tǒng)沖洪積層，下伏基巖為白堊—古近系東湖群碎屑巖，基坑開挖標(biāo)準(zhǔn)段工程地質(zhì)橫剖面如圖2所示。

場(chǎng)地特殊巖土為：1）填土：物理力學(xué)性質(zhì)相差懸殊，成份復(fù)雜，結(jié)構(gòu)疏密不均，在車站明挖基坑場(chǎng)地構(gòu)成基坑側(cè)壁土層，需支護(hù)及防治其中上層滯水對(duì)坑壁穩(wěn)定的影響；2）軟土：本場(chǎng)地所分布的軟土主要有流塑狀淤泥混素填土、流～軟塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。軟土具有低強(qiáng)度、高壓縮性、高孔隙比、高靈敏度、易擾動(dòng)和易觸變等特點(diǎn)。其中淤泥混素填土為第四系全新統(tǒng)溝、湖、塘相淤積物，工程性能差，但僅在局部地段上部分布，車站明挖施工段應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其支護(hù)。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土分布厚度較大，該層土對(duì)工程危害具體體現(xiàn)為：明挖基坑地段易發(fā)生軟土剪切破壞而產(chǎn)生深層滑動(dòng)。當(dāng)軟土位于基坑底板因承載能力不足需進(jìn)行地基處理，施工中易擾動(dòng)，給施工帶來(lái)不便，深基坑開挖坑底易發(fā)生隆起；基坑施工進(jìn)行深井降水時(shí)，因軟土一般次固結(jié)沉降尚未完成，屬欠固結(jié)土，當(dāng)?shù)叵滤唤档蜁r(shí)，易引起周邊地面產(chǎn)生較大的沉降，對(duì)周邊建筑物及道路、管線安全造成威脅；3）膨脹土：據(jù)本次勘察成果，結(jié)合場(chǎng)地附近等工程勘察資料，擬建線路沿線III級(jí)階地、剝蝕壟崗上老黏土及紅黏土自由膨脹率δef一般為18%～39%，結(jié)合武漢地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，局部具有弱膨脹潛勢(shì)，該土層具有含水量變化即產(chǎn)生脹縮的特性，特別是基坑開挖后產(chǎn)生卸荷和脹縮裂隙后若不即時(shí)封閉，地表水沿裂隙下滲后強(qiáng)度將大幅降低，工程實(shí)施過(guò)程應(yīng)注意加強(qiáng)封閉防護(hù)和保濕防曬；4）殘積土和風(fēng)化巖：成分復(fù)雜，土質(zhì)不均，作為天然地基時(shí)應(yīng)注意其不均勻沉降問(wèn)題，另外其中所含硬質(zhì)成分可能對(duì)樁基施工產(chǎn)生不利影響。各土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)段工程地質(zhì)橫剖面

表1 土層主要物理力學(xué)參數(shù)

2.2 水文地質(zhì)

場(chǎng)地內(nèi)地下水按賦存條件，主要為上層滯水和孔隙承壓水兩種類型。上層滯水賦存于人工填土中，主要接受地表水與大氣降水補(bǔ)給。因其含水層物質(zhì)成份、密實(shí)度、透水性、厚度等不均一性而導(dǎo)致水量大小不一?？辈炱陂g測(cè)得上層滯水水位埋深0.7～2.9 m；孔隙承壓水主要賦存于第四系全新統(tǒng)粉土夾粉砂和第四系上更新統(tǒng)含粘土質(zhì)礫、卵石（礫質(zhì)土）層中，兩者構(gòu)成同一含水層，含水層頂板埋深13.0～20.6 m，相應(yīng)標(biāo)高8.72～0.35 m；含水層底板埋深35.6～47.5 m，相應(yīng)的標(biāo)高為-14.65～-25.78 m；含水層厚度15.0～26.1 m。實(shí)測(cè)地下水位埋深1.20～4.00 m，水位標(biāo)高21.11～17.72 m，承壓水頭17.4～20.80 m。含水層頂板為微透水的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和粘土，底板為白堊-古近系泥質(zhì)粉砂巖，地下水主要由側(cè)向徑流補(bǔ)給與排泄，具承壓性。此外，泥質(zhì)粉砂巖中含少量基巖裂隙水，水量一般不豐，主要接受其上部含水層中地下水的下滲。

3 基坑支護(hù)方案

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐組合的支護(hù)方式，臨近既有站一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑大里程端端墻均采用1 000 mm厚連續(xù)墻，其余側(cè)均采用800 mm厚連續(xù)墻，夾心土采用?850@600水泥土三軸攪拌樁沿基坑長(zhǎng)度方向?qū)φ鹃g土層進(jìn)行間隔式局部加固，車站大里程端端頭加固在地連墻施工前完成。標(biāo)準(zhǔn)段基坑設(shè)置兩道混凝土支撐、兩道鋼支撐和一道換撐?；炷林伍g距6 m，鋼支撐間距為3 m?；又胁吭O(shè)置一排臨時(shí)立柱和連系梁，見圖3，臨時(shí)立柱沿車站縱向設(shè)置剪刀撐，小里程端盾構(gòu)外擴(kuò)段基坑采用兩道混凝土支撐、兩道鋼支撐和一道換撐,其中第一、二道采用鋼筋混凝土支撐，其余各道為鋼支撐（?800，t=16）；大里程端盾構(gòu)外擴(kuò)段基坑采用兩道混凝土支撐、三道鋼支撐和一道換撐，其中第一、二道采用鋼筋混凝土支撐，其余各道為鋼支撐（?800，t=16），盾構(gòu)段基坑設(shè)置兩排臨時(shí)立柱和連系梁。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)段斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 施工工序和工藝

本站周邊環(huán)境較開闊，具有明挖施工條件，因此采用明挖法施工。車站主體（標(biāo)準(zhǔn)段）施工步驟如下：

（1）平整場(chǎng)地，攪拌樁施工車站間夾心土加固，施工導(dǎo)墻及地面截水系統(tǒng)、地下連續(xù)墻、臨時(shí)立柱樁基及地基加固。

（2）掏槽澆筑冠梁及第一道鋼筋混凝土支撐。

（3）待第一道混凝土支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，分層逐步開挖基坑至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高處，隨挖隨架設(shè)各道支撐?；娱_挖至每道鋼支撐中心線下0.4 m處時(shí)，必須及時(shí)架設(shè)鋼支撐，必須在施加預(yù)應(yīng)力后方可繼續(xù)進(jìn)行下部土方開挖。

（4）待基坑開挖至底面，鋪設(shè)底板素混凝土墊層，敷設(shè)防水層，再鋪設(shè)細(xì)石混凝土保護(hù)層，施工底板結(jié)構(gòu)及部分側(cè)墻。

（5）待底板及部分側(cè)墻結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除第四道鋼支撐，施工換撐（倒撐）后拆除第三道鋼支撐，敷設(shè)側(cè)墻防水層，施工負(fù)二層樓板及側(cè)墻。

（6）待負(fù)二層樓板、側(cè)墻及結(jié)構(gòu)柱達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除第二道鋼支撐，敷設(shè)側(cè)墻防水層，施工剩余側(cè)墻及頂板。

（7）待頂板、側(cè)墻及結(jié)構(gòu)柱達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，敷設(shè)頂板防水層，施工壓頂梁。分層回填頂板覆土，回填至第一道混凝土支撐下500 mm時(shí)拆除第一道支撐，回遷管線，恢復(fù)路面。

兩站間夾心土加固及車站大里程端端頭加固在地連墻施工前完成，且自既有站向擬建車站方向施工?；觾?nèi)土體加固在基坑開挖之前完成。水泥土攪拌樁加固施工要點(diǎn)：1）材料用42.5型普通硅酸鹽水泥，根據(jù)需要加入適量的外加劑，所用的外加劑數(shù)量根據(jù)具體情況通過(guò)試驗(yàn)確定。2）基底以下攪拌樁水泥摻量20%，水泥漿液水灰比為0.6，基底以上采用7%的水泥摻量進(jìn)行弱加固。3）兩站間夾心土加固區(qū)域?yàn)榈孛嬉韵? m至坑底以下2 m，攪拌樁水泥摻量20%，水泥漿液水灰比為0.6，地面至地面以下3 m采用7%的水泥摻量進(jìn)行弱加固。4）加固土體有28 d以上的齡期，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求后，進(jìn)行基坑土方開挖。5）攪拌樁施工滿足設(shè)計(jì)搭接要求，每一施工段連續(xù)施工。施工開始和施工結(jié)束處的搭接采取加強(qiáng)措施。6）樁位水平偏差不大于50 mm，垂直偏差不大于1%。7）夾心土加固與既有6號(hào)線車站地連墻間采取三重管高壓旋噴樁?800@600咬合搭接，先自既有站向擬建車站方向施工?850@600三軸攪拌樁，后作三重管高壓旋噴樁?800@600。8）車站大里程端端頭加固深度為擬建區(qū)間隧道管片外徑頂、底外擴(kuò)3 m范圍。加固后土體的設(shè)計(jì)參數(shù)要求：加固后的地基，應(yīng)有良好的均勻性和自立性，不得有明顯的滲水，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度1.0 MPa，滲透系數(shù)≤1.0×10-7cm/s。

4 基坑監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

監(jiān)測(cè)對(duì)象及基坑測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)情況如表2、圖4所示。

表2 車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

圖4 深基坑監(jiān)測(cè)平面布點(diǎn)圖

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4中地表沉降測(cè)點(diǎn)DBC3-3、DBC5-3、DBC6-2，地下連續(xù)墻水平位移測(cè)點(diǎn)ZQT5、ZQT22、ZQT24，第一道砼支撐實(shí)時(shí)軸力測(cè)點(diǎn)ZCL1-1、ZCL1-2、ZCL1-3、ZCL1-5，在時(shí)間節(jié)點(diǎn)2019年1月21日、2019年3月31日、2019年4月21日、2019年5月21日、2019年7月3日上的實(shí)測(cè)數(shù)值變化情況分別如圖5～7所示，圖中地表沉降數(shù)值為正表示隆起，負(fù)值表示下沉；地下連續(xù)墻水平位移數(shù)值為正表示向坑內(nèi)移動(dòng)，負(fù)值表示向坑外移動(dòng)。

隨著基坑逐步開挖，測(cè)點(diǎn)DBC6-2由下沉發(fā)展為隆起，過(guò)程中數(shù)值逐漸增大最終趨于穩(wěn)定，測(cè)點(diǎn)DBC3-3的沉降變化由地表下沉2.72 mm發(fā)展為地表隆起1.36 mm，測(cè)點(diǎn)DBC5-3的沉降值較為穩(wěn)定，發(fā)展變化于地表以下2.85 mm～6.73 mm之間；遠(yuǎn)離既有站一側(cè)的測(cè)點(diǎn)ZQT22與ZQT24所在地下連續(xù)墻深層水平位移發(fā)展趨于一致，最小值為向坑內(nèi)移動(dòng)4.66 mm，最大值為向坑內(nèi)移動(dòng)31.79 mm，而緊鄰既有站一側(cè)測(cè)點(diǎn)ZQT5所在地下連續(xù)墻延深度方向的最大水平位移在基坑開挖過(guò)程中由最初的向坑內(nèi)1.47 mm持續(xù)向坑外發(fā)展為16.4 mm；觀察第一道混凝土支撐的軸力發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)隨著基坑開挖、支護(hù)，受力上均呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。

圖5 地表沉降變化

圖6 地下連續(xù)墻深層水平位移變化

圖7 第一道混凝土支撐實(shí)時(shí)軸力變化

基坑開挖至坑底各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)最大累計(jì)值如表3所示。

表3 監(jiān)測(cè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

本站基坑變形控制按一級(jí)基坑考慮，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)自身控制標(biāo)準(zhǔn)為：周圍地表最大沉降量≤30 mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移≤40 mm，臨近既有站一側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移≤30 mm。

從以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可以看到，各監(jiān)測(cè)指標(biāo)均在設(shè)計(jì)、規(guī)范要求范圍內(nèi)，施工狀況正常，可進(jìn)行后續(xù)車站主體結(jié)構(gòu)施工。

5 結(jié)論

緊鄰既有地鐵車站條件下，深基坑的施工過(guò)程往往會(huì)受到一定程度的影響。在結(jié)合具體工程案例，通過(guò)介紹其支護(hù)體系以及研究基坑周圍地表沉降、內(nèi)支撐受力和地下連續(xù)墻的水平位移發(fā)展變化這一過(guò)程，發(fā)現(xiàn)隨著基坑逐步向下開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形、周圍地表沉降處于動(dòng)態(tài)變化之中，地表沉降根據(jù)所處位置的不同表現(xiàn)為隆起、下沉，或介于兩者之間變化最終趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍；同樣，地下連續(xù)墻的水平位移也會(huì)因所在場(chǎng)地位置的不同而表現(xiàn)為向坑內(nèi)或向坑外。且隨著開挖過(guò)程的進(jìn)展，最大值持續(xù)增加，最終趨于穩(wěn)定；第一道支撐的受力會(huì)隨著基坑開挖、支護(hù)的過(guò)程呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，符合深基坑開挖受力變形發(fā)展規(guī)律。

為了保證施工工序正常有效地進(jìn)行以及維持已運(yùn)營(yíng)既有地鐵車站的安全和穩(wěn)定，需要綜合考慮場(chǎng)地環(huán)境、設(shè)計(jì)、施工條件等因素，并嚴(yán)格按照各專項(xiàng)施工方案有序開展、實(shí)施。同時(shí)，在施工過(guò)程中需要加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)力度，隨時(shí)注意深基坑支護(hù)體系受力、變形的發(fā)展變化趨勢(shì)，針對(duì)工程自身風(fēng)險(xiǎn)源及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源提出相關(guān)緊急應(yīng)對(duì)措施。本地鐵站車站深基坑工程采用地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐組合形式的支護(hù)方案滿足工程設(shè)計(jì)要求，在該工程項(xiàng)目圍護(hù)體系中較好地控制了自身的受力變形，讓后續(xù)工程作業(yè)得以平穩(wěn)進(jìn)展。