江心洲富水砂层超深基坑开挖方案分析研究

□文/冯 翔

随着城市规模的不断扩大，轨道交通事业蓬勃发展，越来越多的过江通道开始建设[1]。在长江江心洲富水砂层中进行区间中间风井深基坑设计，施工难度和风险很大，不仅要考虑基坑自身和周边建构筑物的安全，还要考虑工程造价及工期的要求，只有合理的工法、设计方案和针对性的措施，才能确保基坑的安全，将施工对周围环境的影响降至最低[2]。目前，富水砂层超深基坑工法主要有明挖法、逆作法、半顺半逆作法和水中开挖法等。明挖顺作法施工便捷、工艺要求不高，应用普遍，工期短，造价低，但对周边环境影响较大，风险较高；逆作法是利用地下工程结构作为基坑的支撑，必要时增加支撑，边挖边施工结构，这种工法利于控制周边地层变形，但工期较长，造价较高[3]；水中开挖法施工较为复杂，底板封底困难，施工质量较难控制，在地铁工程中采用较少[4]。本文针对某城市江心洲中间风井富水砂层超深基坑进行工法比选分析和基坑设计并采用一维和三维数值模拟分析研究对周边环境的影响，确定最优的基坑设计方案并对工期、造价进行了分析。

1 工程概况

该中间风井位于长江江心洲洲尾，沿规划道路敷设，西北-东南方向，周围现状为葡萄园、鱼塘和农田。中间风井西北距离长江退堤保护线93.8 m，东南距离长江二级水源保护区64.68 m，西端距离西侧长江大堤坡脚线108.8 m，东端距离东侧夹江大堤164.98 m。见图1。

图1 中间风井平面布置

2 地质和水文条件

中间风井所在地貌类型属长江边滩、滩地，地势向长江河谷缓倾，地面高程在6.5～8.5 m之间，土层分布见图2。

图2 中间风井地质纵断面

②-2b4 淤泥质粉质黏土（夹砂）、②-3d3 粉砂、②-4d2粉砂工程性质极差，土方开挖及桩基施工时易出现坍塌、缩径现象；②-5d1粉、细砂层地层工程性质较好。基岩埋深约53 m，为K2p 砂质泥岩、泥质砂岩， 工程地质性能好。见表1。

表1 土体物理力学参数

江心洲地下水与长江联系密切，水量丰富。根据地下水赋存条件，主要为松上部土层中的潜水、微承压水和基岩裂隙水。

潜水含水层主要赋存于填土和浅层的粉砂层中，透水性较好、赋水性较差，主要补给来源为大气降水入渗，地下水运移条件较好，为径流条件较好的含水层，排泄方式以自然蒸发为主。

承压含水层透水性、赋水性均较好，含水层厚度大，分布广，渗透性能好，与长江水联系密切，具有较稳定的补给来源，地下水运移条件好，为径流条件较好的含水层，主要为径流排泄，还存在向基岩入渗补给、地下水开采等方式排泄。

场区基岩裂隙水为碎屑岩类裂隙水，含水岩组岩性为K2p 白垩系浦口组的碎屑岩组成。强风化、中风化砂岩有一定的透水性，中风化泥岩可认为是不透水层，主要接受侧向入渗补给及上部承压水下渗补给，排泄方式主要为侧向径流。

3 基坑围护结构选型

标准段基坑深38.705 m，端头井段基坑深约42.85 m 且处于长江边滩、滩地，施工风险极大，调研国内类似工程，见表2。

表2 国内深大地铁车站基坑总结

借鉴表2，本工程围护结构推荐采用1.5 m 地下连续墙，入中风化泥岩，全部隔断外围承压水，墙内侧采用φ850 mm 三轴搅拌桩入②-4d2 粉砂1 m 进行防坍塌加固，外侧采用素混凝土墙进行止水。

4 施工方法的选择

现有深基坑施工方法主要有明挖顺作法、逆作法、半顺半逆法、水中开挖法，见表3。

由表3 可以看出，水中开挖法各方面条件都不适合本工程，故以下仅对半顺半逆法、明挖顺作法、逆作法三种方案进行比选。

表3 施工工法综合比较

4.1 基坑围护设计

1）半顺半逆法。先开挖至负三层底，再自下而上施工上三层结构，直至顶板完成后；再开挖下两层土体，边挖边施工结构，直至底板浇筑完成。见图3。

图3 半顺半逆法基坑设计

2）明挖顺作法。自上而下逐层开挖至坑底，随挖随撑，结构自下而上施工至顶板，见图4。

图4 明挖顺作法基坑设计

3）逆作法。自上而下边挖边施工结构体系，用结构板、墙充当逆作基坑的支撑构件，最底层需设置一道双拼钢支撑，见图5。

各方案支撑布置见表4。

表4 各方案支撑布置

由表4可以看出，逆作法所用支撑数量最少，半顺半逆法其次，明挖顺作法所用支撑最多。

4.2 基坑内力和变形

基坑一维计算采用理正深基坑7.0 软件并做如下基本假设：

1）地下连续墙按作用在地基上的弹性地基梁来计算，地层及支撑对墙体的作用采用一系列弹簧进行模拟；

2）施工过程和使用期间分阶段按增量法原理进行结构内力计算，计算时计入结构的先期位移值以及支撑的变形，按“先变形后支撑”的原理进行分析，最终的位移及内力值就是各阶段之累加值；

3）地下水位以下各土层，砂性土采用水土分算，黏性土采用水土合算，计算围护结构内力；

4）排桩内力计算时采用弹性支点法，土的水平抗力系数按m法确定。

施加荷载包括：

1）永久荷载，结构自重、地层压力、静水压力、侧向地基抗力及地基反力；

2）可变荷载，地面车辆荷载及其引起的侧向土压力及施工荷载。

计算示意见图6。

图6 基坑计算

基坑变形、抗隆起、整体稳定性和抗倾覆稳定性计算结果见表5。

由表5 可知，半顺半逆和逆作法地表沉降和地下连续墙水平位移均小于明挖顺作法，半顺半逆的最大水平位移小于逆作法，三方案的稳定性计算均满足规范要求[1]，从基坑变形和稳定性角度考虑，推荐采用半顺半逆法施工。

表5 计算结果

4.3 工期

对三方案进度进行分析。

1）半顺半逆法：总工期为39 月；若考虑每年长江汛期江心洲不能施工的影响，土建总工期55月。

2）明挖顺作法：总工期为32月；若考虑每年长江汛期阶段江心洲不能施工的影响，土建总工期需要44月。

3）逆作法法：总工期约为47月；若考虑每年长江汛期阶段江心洲不能施工的影响，土建总工期需要67月。

工期最短的为明挖顺作法，工期最长的为逆作法，半顺半逆工期居中。

4.4 综合比选

三种方案的综合比选见表6。

表6 三种方案比选

从对周边环境的风险影响和耐久性角度考虑，逆作法风险最小，但施工缝较多，以往同类工法施工的车站运营后发生渗漏的情况较多。综上，推荐半顺半逆法施工。

5 基坑开挖对长江大堤的影响

5.1 模型

采用MIDAS-NX 岩土与隧道仿真分析软件进行三维数值模拟，分析半顺半逆施工过程对长江大堤的影响。模型尺寸为400 m(长)×240 m(宽)×120 m(深)，共划分为288 777 个网格单元，155 823 个节点，采用摩尔-库伦计算准则，特别对基坑、结构、基坑周边土体进行了重点细分。见图7。

5.2 周边土体位移

基坑开挖过程中，周边土体X 方向最大位移为19.3 m，发生在大盾构端墙外侧，方向指向基坑；Y 向最大水平位移为22.7 m，位于负四层侧墙外侧，方向指向基坑；基坑周边最大地表沉降为8 mm。见图8。基坑周边土体及地表沉降均是满足基坑自身的控制值[5～6]。

图7 三维实体模型

图8 基坑周边土体位移

5.3 对长江大堤影响

结构施工完成后，长江大堤最大水平位移为0.243 mm，指向基坑方向；最大竖向沉降仅为0.24 mm，均满足长江及夹江大堤的变形控制(10～-30 mm)的要求，见图9。说明半顺半逆基坑的设计是安全的，对长江大堤的风险影响是可控的。

6 结 论

1）从技术角度考虑，区间中间风井采用明挖顺作、逆作及半顺半逆均是可行的；但从基坑变形、工期、风险和经济性多方面考虑，本基坑推荐采用半顺半逆施工，其中-1～-3层采用顺作施工，-4、-5层采用逆作施工。地下连续墙和内衬墙采用叠合墙体系，地下连续墙入中风化岩2.5 m，总长60 m，顺作采用大直径钢管支撑；逆作阶段采用混凝土支撑。半顺半逆施工，总工期为39月，总造价为41 231.9万元，工期及造价均介于明挖顺作和逆作之间。

2）经过计算分析，半顺半逆法施工地下连续墙最大水平位移17.1 mm，地表最大沉降21 mm，基坑的抗倾覆、抗隆起、整体稳定性安全系数均满足要求。

3）经过三维地层-荷载法数值模拟结果分析，施工完成后，周边土体最大水平位移22.7 mm，地表最大沉降8.0 mm；围护结构最大水平位移22.6 mm，均满足规范要求。

4）基坑开挖对长江及夹江大堤的影响较小，施工完成后，长江大堤最大水平位移0.243 mm，最大竖向沉降0.24 mm，远小于长江及夹江大堤的现状控制值。□■