复杂地质条件下地铁深基坑设计与地下水控制技术

1^/施工技术/
Technology 复杂地质条件下地铁深基坑设计与地下水控制技术
蔡金山
(福州轨道交通设计院有限公司，福建福州350009)
摘要：复杂地质条件下，地铁深基坑开挖面临诸多挑战，如支护结构强度、基坑稳定性与变形、地下水控制等。

结合某
地铁深基坑设计案例，对复杂地质条件和水文条件下的地铁基坑进行分析，提出相应的支护结构设计、周边土体变形
计算方法，同时对地下水控制提出明确有效的降水措施。

关键词：基坑工程；深基坑;地铁工程;地下水控制
0引言
随着我国城市化进程不断加快，地铁成为城市建设的重 要组成部分。

地铁车站一般采取明挖法施工，不可避免需对 土体进行开挖和支护。

在复杂地质条件下，基坑支护结构设 计和开挖面临更加严峻的挑战。

传统支护设计理论往往强调 强度控制，但在复杂地质条件下，基坑深度和开挖面积不断增 大，对基坑变形也有更严格的要求，特别在周边敏感环境条件 下，基坑开挖引起的变形甚至会对周边建(构)筑物造成破坏，因此，基坑支护的变形控制成为目前最重要的设计方法>31。

此外，基坑工程降水止水也是设计和施工的重要内容，应确保 基坑开挖过程中土体不因水的渗流发生破坏，同时要保证基 坑在干燥的环境下施工|41。

本文结合基坑工程实例，介绍复杂 地质条件下基坑工程结构设计方法和降水措施，以供类似工 程项目参考。

1工程概况
某地铁站为地下2层单柱两跨明挖岛式站台车站，总建 筑面积12 541.65m2,其中主体建筑面积8 367.34m2,附属建筑 面积4 174.31m2。

有效站台中心里程为DK22+035.665,车站 起点里程为右DK21+954.965,车站终点里程为右DK22 + 161.465,外包总长206.5m,标准段总宽19.7m,站台宽度为 11m,车站埋深约17.5m。

该车站采用明挖法施工，基坑围护结构采用地下连续 墙+4道内支撑结构形式，地下连续墙厚度为1000mm,首道 钢筋混凝土支撑尺寸为800mm X1 000mm,混凝土等级为 C35,其余3道为<^800mm钢支撑，壁厚16mm,地下连续墙 以冠梁连接，冠梁尺寸为1 〇〇〇mm X1 200tmn。

地铁基坑支护 纵剖面如图1所示。

图1深基坑支护纵向剖面
[作者简介]蔡金山，工程师,E-mail:407944354@q q.m m 2工程地质与水文地质条件
2.1工程地质条件
根据车站场区所揭露地层的地质年代、成因类型、岩性特
征、风化程度等工程特性，将场区各土层描述如下。

1X D2杂填土杂色，稍湿〜湿，松散~中密，均匀性较
差，主要为人工堆填的黏性土，夹杂有混凝土块等建筑垃圾。

2) (1)…淤泥夹砂深灰色，流塑~可塑，饱和，以黏粒为 主，有腥臭味，摇振反应中等,无光泽，干强度及韧性低，局部
钻孔下部含有较多贝壳等杂质。

3) @5(含泥）中砂深灰色，稍密状为主,局部松散或中密，饱和，主要成分为石英，以中砂为主，另含少量淤泥，级配
较差。

4) ③3(含泥)中砂浅黄色，饱和，中密~密实为主，主要 成分为石英，粒径不均匀,局部混有少量淤泥。

5) (1)…淤泥夹砂深灰色,流塑~软塑，饱和，以黏粒为 主，有腥臭味，摇振反应中等,无光泽，干强度及初性低。

6) @2(含泥)粗中砂浅黄色，饱和，中密为主，主要成分 为石英，粒径不均匀，以粗砂和中砂为主,局部混有少量淤泥、
淤泥质土，局部含少量砾石。

7) ®8卵石浅灰色，中密〜密实为主，饱和，卵石多呈椭 球状，磨圆度较好,含石英及长石，中等风化，粒径一般为3 ~
20cm,最大粒径>50r™,含量为55%~ 85%，间隙主要由中粗
砂充填。

8) ©M强风化花岗岩(砂土状）灰黄色，较硬，稍湿，含 大量中粗粒石英颗粒、白云母片及长石，风化强烈，原岩组织
结构已大部分风化破坏，岩石坚硬程度属极软岩，岩体完整程
度属破碎，岩体基本质量等级分类属V类。

9) ⑧,中风化花岗岩灰白色、灰色，含大量中粒石英颗粒、白云母片及长石，中粗粒结构，块状构造，岩质较坚硬，锤
击声脆，不易击碎，结构部分破坏，原岩结构清晰可辨,岩性主
要为中粗粒花岗岩，中等风化。

母岩为燕山晚期花岗岩。

岩体
基本质量等级分类属IIN IV类。

2.2水文地质条件
本场地揭示的地下水按埋藏条件包含上层滞水和承压水
2种类型，如表1所示。

3支护结构计算
地铁基坑安全等级为一级，支护结构重要性系数7…取
C8H-245
施工s术/
Technology
表1场区地下水分布情况
含水地层名称地下水类型水位埋深/m水位标高/m 水位、水量变 化情况
02上层滞水0-5.1 1.340-7.530水位和水量随
季节变化较
大，雨季水量
较丰富，枯季
水量变小
②“、②5、③3、
③3~1、④2、④8孔隙承压水 1.7 ~ 3.7 3.660 〜4.870水位和水量变
化一般
⑦丨-,、⑧丨孔隙-裂隙承
压水3.0 ~4.0 3.330 ~4.330水位和水量变
化不大
1.1,小里程端开挖深度为19.5〇m，地下连续墙嵌固深度为 17.00m;大里程端开挖深度为18.80m,地下连续墙嵌固深度 为2
2.00m;标准段开挖深度为17.46m,地下连续墙嵌固深度 为17.00m。

地面超载大里程和小里程端采用30kPa,标准段采 用20kPa。

基坑外侧水位深度取
3.10m,坑内降水为基坑底以 下1.0m。

以小里程端设计为例，分析结果如下。

3.1支护结构强度与变形
基坑设计和计算时采用的土体参数如表2所示，均采用 m法计算。

表2基坑土体物理力学参数
层号层厚/
m 容重/
(k N*
m"3)
浮容
重/
(k N.
m'3)
黏聚内摩擦
力/kPa角/(° )
水下黏水下内
聚力/摩擦角/水土
kPa(° )
m值
①2 3.418.0— 6.012.0——— 2.28
②“ 1.716.3 6.312.08.512.08.5合算 1.79
②59.018.08.0 3.025.0 3.025.0分算10.30
5.41
6.3 6.312.08.512.08.5合算 1.79
d)5 5.918.08.0—— 3.025.0分算10.30
③3 6.518.58.5—— 3.026.0分算11.22
③5>1 1.616.7 6.7——12.511.0合算 2.57
③3 6.418.58.5—— 3.026.0分算11.22
(3)2 3.818.58.5—— 3.032.0分算17.58
④,17.920.510.5一一 3.035.0分算21.30
基坑支护结构的内力和变形包络图如图2所示。

从图2 中可看出，地下连续墙的位移大致呈抛物线形,地表位移不是 最大位移，支护结构的弯矩值在墙身范围内变化较大,最大位 移和最大正弯矩出现在基坑底以上一定距离，最大负弯矩在 基坑底以下一定距离。

其中最大位移值为22.97mm,最大正弯 矩值为1 812.65kN.m,最大负弯矩值为1 099.72kN.mo
3.2基坑周边土体沉降
基坑开挖不可避免会扰动周围土体，土体内部产生次应 力并发生应力重分布，进而引起沉降。

在基坑周边存在建筑 物、地下管网、高架桥梁、道路等敏感环境时，基坑周边土体沉 降值是设计时应考虑的重要指标，以确保基坑在施工时地表
图2基坑支护结构内力和变形包络图
土体不超过规范限制和周边环境的容许值。

根据三角形法、指
数法和抛物线法计算地表沉降曲线，如图3所示。

从图3中可
看出三角形法计算沉降曲线呈线性，最大沉降量为32mm,发
生在基坑边缘;指数法计算沉降曲线呈指数变化，最大沉降为
49mm,发生在基坑边缘;抛物线法计算沉降呈抛物线，最大沉
降为25mm,发生在距离基坑边缘13m处。

离坑边的距离/m
n0 2 468 10 12 14 16 18 20222426 28
****三角形法 x x指数法 一■—抛物线法
最大沉降置32mm最大沉降量49mm最大沉降量25mm
图3 3种不同方法计算沉降曲线
3.3基坑稳定性验算
基坑开挖造成的临空面削弱了被动区土压力，影响周围
土体和支护结构的整体稳定性。

1) 基坑整体稳定性计算本研究采用瑞典条分法对基坑 的整体稳定性进行分析,计算中采用总应力法，条分法中的
土条宽度为0.4m，得出滑裂面的圆弧半径/f=33.971m,圆心
坐标;t=-4.836m,圆心坐标y=16.466m,整体稳定安全系数
尺,=丨.594>1.350，满足规范要求。

2)基坑抗倾覆验算得出抗倾覆系数安全系数为1.25。

3) 基坑抗隆起验算从支护底部开始，逐层验算抗隆起 稳定性,计算公式如下所示。

K，_y M X K h(1)
2
/V q=(tan(45。

+!•))(2)
/V,-(/V q1) 1(3)
tan<^
-
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施工技术/
Technology
由此可得出，支护底部稳定系数欠,=5.459,高程41.000m 处稳定系数A ：,= 12.010,高程44.800m 处稳定系数尺,= 18.594, 均大于1.800,抗隆起稳定性均满足要求。

4
地下水控制技术
基坑开挖引起基坑内外水头差，地下水在土体中产生渗 流，为避免周边土体在降水过程中产生沉降，同时也防止引起 基坑突涌等渗流破坏，对基坑往往需采取相应的地下水控制 措施。

本工程属于复杂降水工程，基坑降水以管井降水为主, 排水沟明H P 为辅，井点平均间距为13~15m 。

基坑降水布置如 图4所示。

1)
降水要求根据坑内承压水观测井实际水位按需降压,
确保不发生坑底突水、涌砂等不良现象;控制地下水位降低 引起的地面沉降，减小差异沉降，确保周边环境与设施安全 问题。

2)
减压降水措施基于地下连续墙未将承压含水层完全
隔断，但进人承压含水顶板以下的长度足够大的工程特点，以 及一级周边环境对基坑降水苛刻的要求，采用“坑内减压降 水”方案。

考虑基坑施工中降水安全储备及其他不可预见因 素，应按30%比例在基坑内布置减压降水备用井(兼坑内承 压水位观测井)。

3) 降水井深度疏干井进人坑底以下不小于6m ，但不得
超过封底层顶面;小里程端一侧采用地下连续墙隔断;大里程 端一侧封底层为(IV ,淤泥夹砂层，备用降压井过滤器设置在 封底层底面以下，但不得超过连续墙底面。

5
结语
在复杂地质条件下，基坑工程支护结构设计和开挖施工 面临严峻的挑战，基坑深度和开挖面积不断增大，对基坑变形 也有更严格的要求，此外基坑工程降水止水也是设计和施工 的重要内容，需引起足够重视。

本文结合基坑工程实例，介绍 复杂地质条件下的基坑工程结构设计方法和降水措施，以供 类似工程项目参考。

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王建秀，吴林高，朱雁飞，等.地铁车站深基坑降水诱发 沉降机制及计算方法[J ].岩石力学与工程学报,2009,28(5)：1010-1019,
图例
疏干降水井
O 降压井
©承压水观测点
◎潜水水位观测点
图4
基坑降水布置
0©
(上接第244页）
因此,本工法施工的PHC 竹节桩在保证单桩抗压极限承 载力达到预期目标的同时,综合节省费用4%左右，取得较好 的经济效益。

5.3社会效益
本工法利用工业生产过程中产生的炉渣废弃物作为
PHC 竹节桩周的固结体，充分利用有限的矿产资源；施工过
程中无泥浆排放，最大程度避免对环境的污染;旋挖土渣部分 就地解决，避免外运过程能源消耗及扬尘污染;施工过程机械 化程度高，显著降低劳动强度，施工效率高，环境友好,应用于 实际工程具有显著的社会效益。

6
结语
旋挖成孔后植PHC 竹节桩复合基础施工技术主要有以 下优点。

1)极限承载力高PHC 竹节桩与夯实炉淹相结合，在竹
节桩凸肋及炉渣膨胀固化作用下，单桩极限承载力比等截面 的钻孔灌注桩高10%~15%,比PHC 管桩高15%~20%。

2)
桩端承载力增强桩端通过高压旋喷水泥浆形成扩大
桩端，有效解决桩端沉渣对桩端承载力的不良影响，提高桩端 承载力20%。

3) 无泥浆处理问题采用钢套筒护壁旋挖钻进，避免泥
浆护壁工艺产生大量废弃泥浆，避免因处理不当而造成的环
境污染。

4)
无挤土效应采用旋挖钻孔根植PHC 竹节桩，钻孔壁
与竹节桩间填充混合炉渣，避免产生挤土效应，对原状土扰动 小，不影响地下管线及邻近建(构)筑物安全。

5 )资源利用率高将工业炼钢中产生的废弃炉瘡再利用，
降低废弃炉淹场地占用、污染环境的同时，充分利用有限的矿
产资源。

C8H-247。