敏感环境下富水土层隧道基坑支护关键技术研究

孟晓洁

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司华东分公司,江苏 南京 210031)

0 引 言

近些年来，随着城市交通的快速发展和建设，城市明挖隧道的建设已在全国范围内大量展开。但越来越多的城市隧道面临前期规划缺失、周边环境敏感和地质条件复杂等问题，正所谓“好修的地方不急需，急需的地方不好修”，这必然对隧道建设中占据着至关重要地位的基坑支护方案的选择带来更大的困难。因此，在周边环境敏感且地层条件复杂的前提下，提出一套科学合理、操作性强的基坑支护方案，显得尤为重要。

1 工程概况

1.1 工程概况

某隧道为连续下穿老城闹市区的长隧道，隧道主要采用明挖顺作法施工。隧道基坑长约1 550 m，宽度为21.5 m，基坑总面积约为33 300m2；基坑开挖深度2.0～11.5 m，泵房处开挖深度达15.7 m，为长条形的深基坑。

1.2 环境概况

隧址穿越老城闹市区，基坑两侧紧邻连续多幢4～6层居民楼和商铺，建(构)筑物基础形式主要为条形基础，对沉降较为敏感且整体倾斜率略差，大部分建(构)筑物距离基坑为10～13 m，最近处仅9.2 m。基坑两侧道路下方分布着大量的市政管线，受空间限制，隧道施工期间，基坑西侧管线有污水管、给水管、电力排管，基坑东侧管线有合流管、燃气管、给水管，其中离隧道基坑最近的是的净距仅2.8 m合流管。项目基坑周边环境敏感度性强，社会关注度高。

1.3 水文地质条件

根据地勘资料显示，场地地形平坦，地基稳定性好。本项目涉及的主要土层有②2砂质粉土、③1粉砂夹粉土、③2粉砂夹粉土、③3粉砂夹粉土、③4粉砂、④1-1粉质黏土。②、③层为主要潜水含水层，主要补给来源为大气降水和地表水等，渗透系数均大于1.59E-04，透水性强，含水率丰富，④1t层为承压水含水层，隧道雨水泵房基坑开挖时④1t层承压水存在突涌可能性。针对这种富水性地层，需采取合理的控制地下水措施，确保本基坑工程的安全实施。土层物理力学参数见表1 。

表1 土层物理力学参数表

2 总体设计方案

2.1 工程特点及难点

(1)基坑长约1 550 m，宽度为21.5 m，基坑总面积约为33 300 m2；基坑开挖深度2.0～11.5 m，泵房处开挖深度达15.7 m，为长条形的深基坑。

(2) 基坑位于老城闹市区，紧邻连续多幢浅基础的建(构)筑物，两侧管线密集，周边环境敏感度性强，社会关注度高。

(3) 基坑开挖范围多为粉砂、粉土等富水性强的含水层，含水率高、渗透性强，必须采取可靠的隔水措施。

2.2 基坑支护设计方案

隧道主要采用明挖顺作法施工，基坑大致呈南北走向，两侧建筑物和管线密集，开挖深度多为10 m左右，地质条件为粉土夹粉砂类土层。根据沿线环境、地质情况、开挖深度和主体结构布置，经经济、技术综合比较后，围护结构以排桩为主，推荐采用SMW工法桩、TRD工法和钻孔灌注桩+止水帷幕基坑围护形式。为减小降水对周边环境的影响，止水帷幕隔断透水层，当止水帷幕长度≥27 m时，采用TRD工法，并在周边建筑物距离隧道基坑在1倍基坑深度范围内的钢支撑配轴力补偿伺服系统，加强对基坑变形的控制，确保基坑安全可靠。

3 关键设计技术

3.1 基坑支护结构设计

本项目基坑深度大部分在10 m左右，综合地质条件和基坑变形要求，经计算确定采用混凝土等级为C30的φ800@1 000规格的钻孔灌注桩+止水帷幕，基坑中间设置1排钢筋混凝土立柱，共设三道支撑+一道换撑，其中第一道为0.8m×0.8m的混凝土撑，其余为φ609mm×16的钢支撑。典型支护结构剖面图如图1所示，内力包络图如图2所示。

图1 基坑支护结构剖面图

图2 内力位移包络图

由上图可知钻孔灌注桩最大水平位移为11.9mm，小于0.18% H=19.4mm，满足一级基坑要求。整体稳定性安全系数1.53>1.35，墙底抗隆起安全系数3.49> 1.8，均满足规范要求。

3.2 止水帷幕设计

基坑开挖范围多为粉砂、粉土类潜水含水层，土层含水率高、渗透性强，地下水处理是基坑工程安全实施的关键。在支护设计方案中，对渗透性大的②、③层潜水含水层，采取“隔水”的处理方案，将基坑止水帷幕深度深入④1-1粉质黏土土层中一定深度以隔断坑内外水力联系。因③3粉砂夹粉土透水土层在基坑南侧分布较多，北侧几乎无分布，因此止水帷幕长度根据土层分布大致为：基坑北半边(长约450 m)止水帷幕长度小于27 m，基坑南半边(长约1 100 m)均大于27 m且最深为34 m。

基坑止水帷幕深度最深达到34 m，常规三轴水泥土搅拌桩工艺已无法满足施工深度和施工质量要求，需超深三轴水泥土搅拌桩工艺，超深三轴水泥土搅拌桩底部容易开叉，防渗止水效果不易保证，为保证止水效果，确保项目万无一失，采用三轴搅拌桩和TRD厚度水泥土搅拌墙组合的止水帷幕形式，即在止水帷幕长度小于27 m时选用三轴搅拌桩止水帷幕，止水帷幕长度大于27 m时选用TRD厚度水泥土搅拌墙。

3.3 钢支撑轴力伺服系统

本基坑为长条形深基坑且两侧紧邻连续多幢浅基础的建(构)筑物，沉降和变形控制要求严格。为确保基坑安全，减少基坑开挖对周边建筑物的影响，基坑施工过程中需采取有效的控制措施。

全自动应力补偿系统钢支撑可24 h不间断自动实时监测支撑体系受力状态，当支撑轴力低于设计值时，系统自动补偿；当支撑轴力超出设计值时，系统报警并根据指令自动卸载。系统通过调节基坑支撑体系的轴力实现控制基坑变形、保证基坑安全的目的[1]。

经比较分析和计算，基坑采用如下支撑形式：基坑深度12>H>9 m时，共设三道支撑，基坑深度9≥H≥4 m时，共设一/两道支撑，基坑深度H<4 m时，采用SMW工法桩悬臂。其中第一道支撑为800mm×800 mm的钢筋混凝土支撑，横向间距8.0 m，其余为Φ609 mm×16的钢支撑。同时，根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911-2013)里工程影响分区及周边建筑物情况，在基坑距离周边建筑物1倍基坑深度范围内的钢支撑配轴力补偿伺服系统，实现24 h远程网络监控及报警，加强对基坑变形的控制，确保基坑安全可靠。

4 基坑开挖渗流数值模拟

在敏感环境下透水土层的基坑设计中地下水处理尤为重要，设计采取“隔水”的处理方案，将基坑止水帷幕深入不透水土层中以隔断坑内外水力联系。同时，选用MIDAS /GTS有限元软件针对最不利断面考虑渗流应力耦合作用下模拟基坑开挖降水的详细过程，探讨并分析了不同止水帷幕长度对渗流路径及周边建筑物的影响，进一步论证支护结构选择的可行性和合理性。二维数值模拟结果如图3、图4所示。

图3 止水帷幕未穿透透水层的渗流分析云图

图4 止水帷幕穿透透水土层的渗流分析云图

通过根据GTS /GTX应力渗流分析数值模拟结果得到如下结论：

止水帷幕未穿透透水土层时，透水层未阻截，渗流路径短，水头变化快，对坑外地表有一定的影响；当止水帷幕穿透透水土层，透水层阻截，渗流路径长，水头变化慢，对坑外地表几乎无影响，此时根据沉降云图推算得到的建筑物倾斜率为0.04 %，远小于《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)中对建筑物地基变形允许值的要求，进一步论证基坑围护结构设计的合理和可行性。

5 结束语

本文结合实际工程案例，对周边环境敏感及透水土层的深基坑支护方案关键技术进行了论述，并利用有限元进行了基坑渗流应力模拟，分析了隧道基坑开挖降水对周边建筑物的影响同时验证了本文提出的支护方案的可行性，以期为今后同类深基坑支护方案提供理论借鉴。