摘  要:以武汉市香港路地铁车站超深基坑开挖施工为实例，利用目前国内基坑设计中常用的理正软件和天汉软件，分析了在软弱地层深厚、承压水位高、地层渗透系数大的水文地质条件下超深基坑围护结构的设计要点和难点，并采用有限元软件进行对比分析，提出了确保深厚软弱地层地区超深基坑施工安全的对策措施。以期为类似基坑围护结构设计提供借鉴与参考。

关键词:软弱地层; 超深基坑; 地连墙; 地铁车站

 

      随着国民经济和城市建设的快速发展，我国各大城市大型地下空间开发进展迅速，涌现出大量复杂的基坑工程建设项目，尤其以地铁轨道交通建设为代表，深基坑甚至是超深基坑不断出现。日本明石海峡大桥一锚碇深基坑开挖深度为 61 m; 江苏润扬长江大桥北锚碇深基坑开挖深度达 48 m; 上海地铁董家渡修复工程开挖深度平均达 38 m，外环隧道浦西暗埋段基坑、世博变电站等基坑开挖深度均超过 30 m^［1］; 武汉地铁汉口、武昌地区的风井开挖深度为 39 m。由于地铁车站基坑工程常位于城市的中心区域，不仅需要保障基坑的稳定安全，紧邻基坑周边的建( 构) 筑物安全和正常使用亦作为重要控制因素。

      本文所分析的深基坑工程为武汉市轨道交通 3 号线香港路车站的 28． 5 m 超深基坑，车站为 3，6，7 号线三线换乘车站。3，7 号线合建，为地下 3 层叠错式站台车站，车站总长度为 252． 0 m，车站主体宽 23． 64 ～40． 7 m; 6 号线为地下一层侧式站台车站，车站总长度为 215． 0 m，车站主体宽 38． 7 ～61． 78 m，与 3、7 号线形成“十”字相交，地下一层为站台层，站台层与 3，7号线站厅层在同一平面。

      武汉香港路地区位于工程风险敏感地区，地质条件差，历史上曾出现多次工程事故，而且目前汉口城区此类超深基坑工程案例较少，缺乏此类地层开挖大型超深基坑的工程经验。根据本场地周边环境、地质条件、水文条件和国内超深基坑工程经验，经分析比较，设计确定采用地下连续墙 + 内支撑的支护方案。本文主要从设计、施工两方面，在保证周边密集高层建( 构) 筑物安全、车站结构安全的前提下，分析在深厚软弱地层中开挖超深基坑的结构设计要点和难点，提出确保施工安全的工程对策，以期为类似工程提供借鉴与参考。

 

      工程场地地貌单元主要为河流堆积平原，属长江Ⅰ级阶地，地形平坦，地面高程 20 ～ 22 m。表层为松散的人工填土层( Q_ml) ，局部分布有淤泥; 上部主要为第四系全新统冲积相( ) 可塑 － 软塑状态的黏性土，软塑 － 流塑的淤泥质粉质黏土、粉砂、粉土、粉质黏土互层; 中部为稍密 － 中密的粉细砂，中密 － 密实状态的细砂，厚度不等的中粗砂夹砾卵石; 下伏基岩为白垩 －下第三系东湖群( K － E_dn) 砂砾岩、泥质粉砂岩。

      根据详勘报告，各土层主要物理力学参数见表 1。

      场地周边地下水主要类型有上层滞水、孔隙承压水和基岩裂隙水，其中以覆盖层中孔隙承压水对工程的影响最为突出。

 

      ( 1) 周边环境情况复杂，需要考虑对周边建筑物的影响。最近的建筑物距离基坑边 8． 0 m 左右，而且地处商业区，基坑开挖过程中不能对商铺及周边办公场所产生影响。

      ( 2) 地下管线复杂。本基坑前期施工时距离黄孝河排水箱涵( 其结构为砖混，约 20 世纪 80 年代末修建) 最小仅为 0． 5 m，后期施工时距离箱涵 0． 1 ～ 3． 8m; 此外，基坑周围尚有较多天然气、输水管、排水管等市政管线。

      ( 3) 基坑深度为 28． 5 ～29． 5 m，为武汉市少有的超深基坑，缺乏类似工程经验。

      ( 4) 基坑施工处于交通干道区域，工期紧，且施工期间不能对周边交通造成不利影响。

      ( 1) 围护结构设计。本站 3，7 号线车站主体基坑深度标准段为 28． 5 m，车站两端深度为 29． 5 m。车站底板位于表 1 中( 4 －1) 粉砂和( 4 －2) 粉细砂层。孔隙承压水赋存于( 3) 单元过渡性土层及( 4) 单元砂土层中( 见表 1 的土层编号) ，与长江水体及区域承压水体联系密切，水量丰富，要求围护结构有良好的抗渗性和较大的刚度。

      按照国家和湖北省建筑基坑支护的有关技术规范和规定，本车站基坑支护工程安全等级为一级。结合车站周边环境、道路交通以及武汉地区在建地铁车站基坑的技术要求^{［2 －3］}，支护结构最大水平位移值 δ≤0． 15% H 且不大于 40 mm，基坑周边地表最大沉降量 f≤0． 15% H( H 为基坑深) ，对于本工程，其围护结构最大水平位移、周边地表最大沉降量均应小于 40 mm。

      结合本站工程地质、水文地质条件以及类似工程实例，推荐采用刚度大、防水效果好、对控制地表沉降及周边建( 构) 筑物、管线变形有利、施工工艺成熟、施工难度小的地下连续墙方案。

      ( 2) 支撑结构设计。围护结构的水平受力体系有两种形式，分别为锚杆和内支撑。根据车站周边建筑物、构筑物、地下管线和已有的施工经验来看，本基坑难以采用预应力锚杆，且将来车站周边新建建筑物的基础也会受到锚杆的影响。考虑钢管支撑安装方便，施工速度快，可反复使用，综合造价低，故内支撑宜采用钢管方案; 在车站端头与结构较复杂部位，为了加强支撑刚度与整体围护结构体系的稳定性，采用钢筋混凝土支撑，综合考虑基坑整体稳定性和施工便利，采用4 道混凝土支撑 + 3 道钢支撑。

 

      地下连续墙内力计算沿车站结构纵向取单位长度，根据设定的开挖工况和施工顺序，按竖向弹性地基梁模型逐阶段进行其内力及变形计算。

      围护结构开挖阶段计算时必须计入结构的先期位移值以及支撑的变形，按“先变形，后支撑”的原则进行结构分析。

      其荷载主要有以下几种:

      ( 1) 结构自重。钢筋混凝土自重按 25 kN/m³考虑。

      ( 2) 水土侧压力。施工阶段按朗肯主动土压力进行计算，使用阶段按静止土压力进行计算，对黏性土地层采用水土合算，对砂性土地层采用水土分算。

      ( 3) 地面均布荷载按 20 kN/m²考虑。

      采用理正深基坑支护结构设计软件增量法和天汉软件进行内力计算，基坑施工模拟计算按照施工步序进行。

      理正软件采用的指标为直剪固结快剪或三轴固结不排水剪，水土分算，主动土压力为太沙基 － 佩克包络图; 天汉软件采用的指标为直接快剪，黏性土为水土合算，主动土压力为朗肯土压力。通过对比分析设计软件的计算结果可以看出，两者变形规律一致，内力和位移均在设计变化幅度范围内，满足规范要求( 见表 2) 。

      由于 3，7 号线基坑施工时，基坑一侧的浅基坑已经完工，上述软件无法考虑这类已有构筑物的影响，为了更好的模拟基坑施工过程中的各个工况，采用有限元软件进行分析。

      根据有限元计算分析，可以得出以下结论: ① 左右两侧的地连墙位移、弯矩由于周边已有结构的影响呈现出不同的变化规律，但总体上差别不大; ② 左侧已竣工的一期结构有利于减小地连墙的内力和变形;③ 右侧结构与原设计软件计算结果规律性基本一致，计算结果对比见表 3。

      ( 1) 地连墙嵌入深度及基底处理。为减小基坑开挖降水对周边建( 构) 筑物的不利影响，综合考虑工程投资、施工进度以及周边工程降水施工经验，确定地连墙底部应深入强风化砂砾岩 5． 0 m。地连墙底部至中风化砂砾岩或中风化泥质粉砂岩顶面线以下 1． 0 m 之间的岩层采用钻孔注浆，注浆后的围岩防渗标准为透水率 q 不大于 3 Lu，以提高围护结构隔水能力。

      ( 2) 地连墙成槽质量控制及施工工艺。因地连墙成槽深度达 50 m 左右，且周边建筑物及管线众多，故对成槽施工质量的控制要求更加严格。而地连墙成槽过程中的槽壁稳定性与墙体的施工质量密切相关，成槽过程中槽壁失稳往往造成槽壁坍塌、地连墙平整度及垂直度达不到设计要求、墙体露筋等现象，甚至影响到周边建筑物安全，因此成槽施工中应对槽壁稳定性问题引起足够重视，并应采取有效的技术措施确保槽壁的稳定性。文献［7］研究表明，地连墙施工阶段引起周边房屋的沉降可能会占总沉降量的相当比重，故针对此类深厚软弱地层，采取了以下措施: ① 地连墙施工前，应先进行成槽试验，以确定合理的施工参数;② 采用优质膨润土泥浆护壁; ③ 地连墙成槽两侧搅拌桩预先加固流塑土层; ④ 缩短地连墙槽段长度。

      基坑围护结构的施工质量、施工进度直接关系到基坑的安全稳定、周边环境保护以及整体工期，建议采用液压抓斗与铣槽机配合使用，以确保围护结构施工阶段的顺利进行。