富水砂层中圆形深基坑地连墙围护设计实践

黄 菁

(北京建材地质工程有限公司，北京 100102)

1 工程概况

1.1 基本情况

本项目为银川市供热管网拟建输送主干线之穿越黄河隧道工程，位于黄河二桥以北约600 m处，穿越工程总长度约2.3 km，穿黄隧道采用盾构法施工。本次穿黄场地所在区域黄河东侧大堤为S203省道，黄河西侧大堤为滨河大道。黄河东岸设置盾构始发井，采用明挖法施工。

本文研究主要内容为盾构始发井基坑围护结构设计实施方案，场地地势平整，场坪标高1 118.000 m，围护结构采用地下连续墙，为圆形基坑，连续墙基坑内径20.4 m，外径22.8 m，开挖深度为48.8 m，连续墙兼做永久抗浮结构；盾构井主体结构采用倒挂井壁法施工，主体结构内径18 m，壁厚1.2 m。基坑西北侧为新建机场高速路收费站入口道路；东侧临近川庆钻探长庆钻井工程总公司机修公司银川石油机械修造厂进厂道路，道路与基坑场地存在2 m高差，基坑北侧和南侧均为林地与旱地。基坑地下连续墙基坑周边环境情况见图1，图形基坑围护结构平面布置如图2所示。

1.2 工程地质

本场地自西向东依次位于黄河冲湖积平原Ⅰ级阶地、黄河河漫滩、黄河冲湖积平原Ⅰ级阶地。场地各钻孔孔口高程在1 100.00 m～1 118.68 m之间，主要岩土物理力学指标见表1。

表1 岩土物理力学性质综合统计表

1.3 水文地质

场地范围内共观测到一层地下水，地下水类型为潜水。2017年8月24日实测黄河水位高程为1 105.20 m，黄河两岸水位略高，主要含水层为②细砂层、③1卵石层、③细砂层、⑥1卵石层。

2 基坑围护结构方案比选

目前在地下水丰富的超深基坑中使用较成熟的围护结构方案主要有钻孔咬合桩+坑内排水疏干、沉井+坑内排水疏干、地下连续墙+坑内排水疏干方案等。本文研究案例为圆形基坑，且深度达48.8 m，钻孔咬合桩精度控制难度较大，难以形成封闭的基坑堵水方案，故不考虑选用。根据工程及水文地质、地面场地条件、基坑深度等情况，对沉井和连续墙方案进行研究比选，见表2。

表2 沉井和连续墙方案对比表

根据本工程所在场地的工程地质特点，对沉井施工方案的适应性进行针对性的分析：

1)土层中含有大量的大粒径卵石，且粒径较大(最大80 mm)，土层均匀性差，且基坑平面尺寸较大(内径20.4 m)，使得沉井施工下沉较难，且易发生倾斜，竖向精度难以控制，沉井质量和工期难以控制。

2)细砂、卵石对沉井的侧摩阻较大，需采取一定措施方能施工，对沉井下沉速度有一定影响，进而影响工期。

3)工程所在场地地下水位较高，且基坑开挖范围内细砂、卵石为主要含水层，沉井施工过程中坑外地下水易通过坑底进入坑内，且基坑封底难度较大，影响基坑稳定性，需配合坑外管井降水措施，而场地临近黄河，所在地层的地下水与黄河有水力联系，不适合采用降水法控制地下水。

综合考虑本工程开挖深度范围内地下水的影响、基坑开挖深度、地层垂向分布的复杂性以及周围环境影响，围护结构采用地下连续墙+五道混凝土圈梁的支护方案，坑内设置疏干井，并在坑底设置高压旋喷桩隔水层。

3 圆形基坑地下连续墙设计

3.1 设计原则及标准

1)结构计算采用极限状态法设计理论，不同荷载以分项系数进行组合。

2)基坑围护结构分为临时使用阶段和永久使用阶段，其中临时使用阶段设计使用年限为24个月，围护结构侧壁安全等级为一级，结构重要性系数按γ0=1.1取用。永久使用阶段参与主体结构抗浮，设计使用年限与主体结构相同为100年，相应结构可靠度理论的设计基准期均采用50年。

3)基坑结构包含永久结构、临时结构，其中临时结构为基坑挡墙结构，地下连续墙及其冠梁为永久抗浮措施，按永久结构设计。

4)根据规范，本工程基坑变形控制按一级，沉降控制及基坑结构竖向和水平向变形不大于0.15%H，且不大于30 mm，H为基坑开挖深度。

5)围护结构设计所考虑的荷载主要有结构自重、水土压力、地面超载、支撑及主体结构板传来的荷载等。

6)结构侧向荷载为主动土压力及超载产生的侧向压力，结构计算中按朗金公式的主动土压力考虑。

3.2 基坑围护设计方案概况

1)基坑为圆形，地下连续墙内径20.4 m，外径22.8 m，壁厚1.2 m，设置5道腰梁，倒挂井壁主体结构内径18 m，壁厚1.2 m，基坑开挖深度为48.8 m，嵌固深度为20 m，地下水约位于地面下8 m。

本工程利用地连墙作为止水帷幕对坑外进行阻断，坑内设置降水井，确保施工期间水位降至开挖面以下至少1 m；坑底以下分布有透水层，为保证基坑内部堵水效果，坑内疏干井不可打穿底部加固隔水层。

2)坑底进行加固处理，由于坑底无稳定隔水层，场地范围内地下水位较高，且与黄河存在水力联系，本工程采用高压旋喷桩对坑底以下土体进行加固(加固层厚10 m)，起到隔水效果，以保证坑底稳定性。

基坑围护结构横截面图见图3。

3.3 围护结构计算

1)水平面内受力计算。

围护结构为圆形基坑地下连续墙，结构按环向受力进行设计，内力计算参照CECS137：2015给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程6.2.3中规定圆形结构水平内力计算方法。

本工程计算时分别取基坑深度为9 m，27 m及48.8 m(坑底)位置的地下连续墙闭合圆环进行分析，摩擦角差值取-8°时，PB达到最大，地下水位为-9 m。内力为：

NA=PArc(1+0.785 4ω′)，

NB=PArc(1+0.5ω′)，

圆形沉井井壁计算见图4。

地下连续墙围护结构水平面内配筋见表3。

表3 地下连续墙围护结构水平面内配筋

2)基坑稳定性验算。

a.墙底抗隆起稳定性验算。

开挖至坑底深度为48.8 m，围护结构嵌固深度20 m，插入比0.414。

从围护结构底部开始逐层验算抗隆起稳定性：

支护底部，验算抗隆起：

Ks=3.593≥1.800，满足。

深度70.710处，验算抗隆起：

Ks=3.717≥1.800，满足。

深度77.510处，验算抗隆起：

Ks=4.111≥1.800，满足。

b.抗突涌稳定性验算。

基坑底部土抗承压水头稳定。

4 施工关键技术要点

1)连续墙成槽技术。本工程连续墙壁厚1.2 m，最大成槽深度达68.8 m，由于开挖范围内存在较厚的卵石和砂层，地下水位较高，槽壁开挖后自稳条件差，在成槽、钢筋笼安放、水下混凝土浇灌过程中均有较大的施工难度。经分析，本文案例地下连续墙施工拟采用成槽开挖扰动小、可靠性和稳定性较好的液压双轮铣槽机。将圆形基坑轮廓划分为12个槽段，以多段线模拟圆形，进行成槽施工。成槽开挖前，应详细设计后设置混凝土导向墙，提高地下连续墙成槽时的竖向精度；成槽时采用泥浆护壁，通过试验确定泥浆配比；成槽后进行清孔换浆，以及成槽质量检验，符合标准后再吊放整幅钢筋笼，灌注水下混凝土。

2)导向墙设置。为保证成槽施工精度，本工程地连墙施工前设置导墙，其可在施工时作为测量的基准，并储存泥浆。导向墙采用C25钢筋混凝土，横截面为“ㄈ”型，平面整体形状布置为多段线模拟圆形，导墙内净空1 250 mm。

3)槽段接缝技术。由于地连墙成槽及浇筑为分期施工，为保证基坑围护结构的整体性和接缝的防渗效果，槽段的接缝连接处理至关重要，目前槽段之间接缝连接可采用“工”字型钢接头、圆形锁口管、波形锁口管、十字形钢板、复合型接头等。本工程采用改良后的“工”字型钢接头，在工字钢中间设置止水横板，既保证接头的刚度，又增加地下水渗漏路径，提高防渗效果(见图5)。

5 结语

以实际工程案例为依托，通过对比沉井和地下连续墙的特点与适用环境，结合本工程基坑所处环境情况以及后续盾构始发的使用功能需求，确定在富水砂层地质条件下的圆形深基坑围护结构方案，主要得到以下几点结论：

1)通过计算分别确定地下连续墙水平和竖向的各项设计参数，同时满足基坑内净空使用要求和安全稳定性。圆形基坑围护结构应着重考虑水平面内受力计算，以控制截面配筋，竖向范围需进行各项基坑稳定性验算。

2)由于基坑场地范围内地下水丰富，且与黄河存在水力联系，围护结构底部无有效隔水地层，本文采用高压旋喷桩在坑底加固形成封底隔水层与地下连续墙形成围闭止水方案，有效解决了地下水对基坑施工的影响。

3)富水砂层和卵石地层中地下连续墙成槽难度较大，槽壁质量控制技术要求较高，且连续墙总长度达68.8 m，施工前需着重研究各项关键技术，加强对已实施成功案例的调研学习。选择有较强适应性和可靠性的铣槽机设备；根据场地条件合理设置导向墙；选用改良后的“工”字型钢接头，在工字钢中间设置止水横板；有条件的情况下应在正式工程施工前，进行现场成槽试验，以保证地下连续墙施工质量。