上软下硬复合地层地铁竖井支护体系设计分析

丁 仓

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京）

引言

近年来，随着城市化进程发展，城市交通压力凸显，为解决城市交通拥堵问题，我国城市加大轨道交通投资建设，截至2022 年末，我国开通地铁城市增加到51 个，运营线路和在建线路都急剧增加，新建地铁线路下穿既有线路情况越来越多，为避让既有线路，新建线路通常埋深较深，主城区内地面交通压力大，周边环境复杂，暗挖车站越来越多，青岛、大连等沿海城市上软下硬复合地层对于暗挖车站竖井[1]支护设计提出更多要求。赵文强[2]采用弹性抗力法与等效被动土压力法对青岛上软下硬岩层上部桩撑，下部钢管桩+锚索支护体系对进行分析。胡义生[3]采用弹性支点法分析了“吊脚桩+锚索+岩层放坡喷锚”体系对于上软下硬复合地层适用。刘红军[4]等通过对上软下硬复合地层吊脚桩体系进行监测分析，总结了基坑开挖过程变形特点。王茂华[5]等结合青岛地铁车站基坑工程案例阐述了上软下硬条件下上部灌注桩+锚索，下部钢管桩+锚索支护方案。

本文依托青岛地铁在建某暗挖车站竖井，主要研究上软下硬复合地质条件下竖井支护体系，并利用有限元模型和实施监测手段分析该支护下，竖井变形及对周边管线及建筑物的影响。为类似地质及环境条件下的竖井支护设计提供技术参考。

1 工程概况

依托青岛5 号线某在建暗挖车站竖井工程，车站为暗挖地下两层11 m 岛式站台车站，车站全长228.5 m。共设4 个出入口。车站位于两条城市主干道十字路口，沿道路路中敷设，现状道路宽40 m，周边主要为写字楼与商住楼。车站共设置3 座施工竖井，本竖井位于车站东侧绿化带内，与车站1 号安全出口永临结合设置。竖井周边存在中压燃气管、带压给水管、大直径雨污水管线、暗渠及国际海缆等重要管线，变形控制要求较高。临近商住楼为地上16 层混凝土框架-剪力墙结构，地下2 层，为桩基础，桩底位于中风化花岗岩，地下车库入口距离竖井水平距离最近约25.0 m。总平面如图1 所示。

图1 车站竖井施工总平面

2 工程地质

场区地势较平整，拟建场地地貌类型为山麓斜坡堆积区地貌。竖井范围主要为第四系全新统人工填土层及上更新统陆相冲洪积粉质黏土、含黏性土砾砂，基岩为强风化花岗岩下亚带，中风化花岗岩及微风化花岗岩，受区域性构造作用的影响，岩体局部节理、裂隙密集发育，见煌斑岩（χ53）呈脉状侵入。第16○下层、强风化花岗岩下亚带局部为砂砾状揭露层厚0.60～5.70 m。第17○层、中风化花岗岩属较软岩，岩体完整程度为较破碎。第18○层微风化花岗岩属较坚硬岩～坚硬岩。地下水类型主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水。第四系孔隙潜水主要含水地层为素填土、含黏性土砾砂。基岩裂隙水主要赋存于构造岩、基岩强～中风化带及节理密集带中，岩土力学参数详见表1。

表1 岩土力学参数

3 设计方案

车站3 号竖井位于车站东侧绿化带内，根据周边环境及竖井出渣能力要求，井口尺寸为8.0 m×6.0 m，竖井深约27.6 m，竖井场区地层自上下依次为素填土、粉质粘土、含粘性土砾砂层（局部）、强风化花岗岩下亚带、中风化花岗岩、微风化花岗岩，竖井自身风险初始等级为Ⅰ级，地层特点是上软下硬。上部第四系土层稳定性较差，特别是素填土层由黏性土、砂及块石等组成，稳定性差，透水性强，下部基岩强度较高，稳定性较好。对于上软下硬复合地层，采用单一支护形式难以适应，传统倒挂井壁法在软弱地层竖井稳定性较差，变形难以控制，施工风险较高。桩（墙）+内支撑支护，硬岩部分成桩难度大，工效较低，工期长，成本较高。青岛地区对于上软下硬深大基坑，采用吊脚桩支护体系已经较多，本竖井结合吊脚桩支护体系，充分考虑竖井空间效应，采用上部围护桩+环框梁，下部倒挂井壁法锚喷支护体系，支护断面详见图2。结合青岛地区经验及计算分析，本竖井上部围护桩为Ф800@1400，基底嵌入中风化岩层2.5 m，环框梁混凝土结构，截面尺寸1 000 mm×1 000 mm，共设置3 道，第三道环框梁兼做下部竖井锁口圈梁，桩间设置Ф1000 高压旋喷桩止水，下部中风化竖井井壁喷混300 mmC25 早强混凝土，Ф25 中空锚杆长度3 m，环纵向间距2.0 m×2.0 m(梅花形布置)。

图2 地质支护断面

4 有限元计算分析

地层结构法计算采用Midas GTS（NX 2017 R1）有限元分析软件建模分析，根据地质勘探报告中竖井范围岩土的物理力学性质，在有限元计算当中采用了理想弹塑性材料。模拟计算模型尺寸选取，两侧取竖井三倍深度，底部也取三倍竖井深度，利用莫尔- 库仑土体模型。模拟计算时，采用实体单位，约束条件两侧限制水平移动，竖向限制水平和竖向两个方向。考虑初始地应力平衡，忽略构造应力。竖井开挖过程通过软件提供的“钝化”来实现。计算简图见图3～图5。

图3 沉降云图

图4 建筑变形云图

图5 水平位移云图

模拟计算时，竖井采用分层开挖，开挖进尺为2 m。开挖软土竖井地表最大沉降量3.47 mm，开挖硬岩竖井地表最大沉降量3.49 mm。地表变形主要上部软土开挖时，下部硬岩开挖对地表变形影响较小，地面累计沉降满足设计控制标准要求。开挖软土竖井商住楼最大沉降量0.560 mm，开挖硬岩竖井商住楼最大沉降量0.563 mm。地表变形主要上部软土开挖时，下部硬岩开挖对地表变形影响较小，商住楼累计沉降满足设计控制标准要求。竖井井壁净空收敛最大值为3.98 mm，满足净空收敛控制标准要求。

5 实测数据分析

本竖井安全等级为一级、监测等级为一级、变形控制等级为一级。根据《城市轨道交通工程监测技术规范》变形控制标准为：（1） 竖井最大水平位移≤0.15%H，且≤25 mm。（2） 地面最大沉降量≤0.3%H且≤30 mm。（3） 桩顶/桩体及桩顶竖向位移限制为±20 mm。（4） 商住楼整体倾斜不超过0.002，局部倾斜不超过0.001，累计沉降不大于20 mm。热力管、供水管及燃气管等有压管线累计沉降值不大于10 mm，变化速率不大于2 mm/d，差异沉降不大于0.25%Lg；雨水管、污水管、暗渠、电力管等一般管线累计沉降值不大于20 mm，变化速率不大于3 mm/d，差异沉降不大于0.3%Lg。

目前，本地铁竖井已施工完成，施工过程未发生坍塌事故或者变形预警问题。持续监测半年，地表沉降累计值为-14.2 mm，桩顶竖向位移累计值为-2.0 mm，桩顶水平位移累计值为4.4 mm，桩体水位累计值为3.5 mm，地下水位变化最大值为±1 470 mm，井壁净空收敛累计为10.0 mm，管线沉降累计值为-7.1 mm，环框梁轴力最大为1 210 KN，商住楼累计沉降变形2 mm。竖井自身、周边高层商业住宅和管线变形均满足控制要求。下部硬岩施工段，爆破振速控制较好，对于住宅楼爆破振速控制在1.0 cm/s 以内，在该爆破振速控制下，建筑物也未发生裂缝，对周围居民影响较小。监测分析表详见图6。

图6 随竖井开挖变形监测表

通过现场实际测量数据分析发现，竖井下部倒挂井壁法施工时，周围建筑物和管线变形较小，随着向下开挖，竖井基坑变化趋势放缓，变形主要受上部软土开挖影响，之后设计中应加强上部软土处吊脚桩措施，加强支护刚度控制变形。监测第8～第10 周期时，桩体位移和竖井净空收敛突变，分析主要为井壁堵水注浆压力导致，停止注浆后，变形趋于平缓。

6 结论

对于上软下硬复合地层竖井，结合地铁施工竖井开挖深度较深，平面规整且规模较小特点，考虑竖井开挖空间效应，创新地把明挖基坑开挖与倒挂井壁法相结合，上部软弱土层采用灌注桩+混凝土环框梁，下部硬岩采用倒挂井壁法进行锚喷支护体系。该支护体系较桩+内支撑+止水方案可以优化井口尺寸，较桩+锚索方案地层适用性更强，止水效果更好。上部软弱土层采用灌注桩+混凝土环框梁，下部硬岩采用倒挂井壁法进行锚喷支护体系可以较好地利用围岩自稳性，同时可以有效控制施工工期，节省造价。结合数值计算和现场监测数据分析，桩+环框梁+锚喷+旋喷桩止水支护体系安全可靠，对于上软下硬复合地层施工竖井具有较好的适用性。