淮安东站深基坑组合支护体系研究

2021-10-23周铜珍张智语张泽宇应永健

新型工业化 2021年7期

周铜珍，张智语，张泽宇，应永健

（安徽建筑大学，安徽合肥 230000）

0 引言

习近平总书记曾在中央财经委员会第五次会议上指出，“要增强中心城市和城市群等经济发展优势区域的经济和人口承载能力”。近段时间以来，由于中国社会主义经济的高速增长，我国城市化步伐逐渐加快。调查结果显示，2020年我国流动搬迁人口数量将达2.91亿，交通工具面临巨大压力。为了缓解三维空间对于人口的承载压力等社会问题，开发一个三维空间对于城市建筑物需求是极为迫切的。因此研究和设计一套科学合理的基坑结构组合式支护系统，具有重大的理论意义和实际应用意义[1]。

基坑的研究在地铁和地下通道的建设过程中发挥了积极作用，促进了它们的蓬勃发展。我国地铁深基坑施工大多采用明挖法施工，车站基坑则以深大条形基坑为主。淮安东站作为本项目的研究对象，兼顾了站前广场基坑与地铁车站基坑两种类型，在研究范围上具有普适性和广泛性；同时淮安东站盾构井场地范围内地基土的构成及水文状况较为复杂，需要考虑的因素也相对比较全面。

1 工程概况

站前停车广场的建筑主体框架结构净体的规划建筑尺寸为停车间建筑总长225m×宽256m，占地面积约5.7万平方米，地下三层及其主体均被改作为钢筋框架结构作为土地充电桩基础，其中正负一层均被设计规划为大型社区公共停车场、出租车移动蓄电池管理站及公共租赁汽车车辆停放管理站，设计高度6.0m，负二层及正四层均被设计规划为大型社区公共停车场，设计高度4.2m；建筑设计管理项目为本工程的有效建筑使用管理年限为50年，建筑物及其主体框架结构的安全抗震性能等级评定综合等级依次分别为二级，抗震强度设防最大烈度7度。

本次围护建设工程中的支护柱与墙结构总周长约1005米，围护结构的东侧和北侧分别先后采用了两幅地面相连围护墙，每幅墙的支护柱与墙体的焊接长度约一般缩小为6m，深度一般为50m，接头安装位置均以钢式H型钢螺旋接头+H型高压钢螺旋喷桩的组合方式焊接完成并先后进行了分层施工；西侧和南侧采用TRD灌注工程方法墙+灌注围护墙与桩，TRD灌注工法柱与墙体的焊接长度分别为425.6m，深度分别为50m，围护墙与桩则一般是分别采用焊接φ1150钻孔桩与灌注工法桩体的方式一并进行了分层施工，共计282根。

本工程基坑开挖面积约为58936平方米，开挖范围深度15.9m，局部开挖范围深度18.9m，地面覆盖土1.5m。共分别设置2道采用钢筋混凝土的横梁支撑，延基坑的两道横梁围护柱大致上都是横向呈一个半圆环形的方向布置，下部分别用的是同时采用砼的格构柱和格构柱两道横梁作为砼的支撑柱，格构柱的支撑总数共484根，第一道墙和砼的两个支撑分别设置在原来的墙体地面以下约1m，截面的厚度尺寸分别大约是2.6m×1m，第二道墙和砼的两个支撑分别设置在原来的墙体地面以下约8m，截各两个方面的厚度尺寸，其中砼的厚度为

2.9m×1.5m[2]。

图1 站前广场平面图

1.1 工程地质

根据地质勘查情况，本盾构井场地范围内地基土的构成与特征如下：①1杂填土：颜色杂，压实，由粉土、石灰、岩子和其他建筑物的垃圾所形成，局部地区为钢筋混凝土的地面，土质不均匀。仅地下车站分布，2016年回填，厚1.0～1.6m；②1砂质粉质黏土：上部为浅淡灰黄色，下部为浅黄灰色，湿，略密，局部中密，摇震震动反应迅速，速度快含有大量的白色云母状砂石粉块和砂质碎片，局部为白色泥浆状的夹杂物或粉质状的黏土，层厚3.6～5.9m；③2黏土：颜色为灰色，具有可塑性，土质较为均匀，含铁锰质结核，有玻璃光泽，层厚0.8～3.2m；④4粉质黏土：颜色为灰黄色，局部为灰色，具有可塑性，局部硬塑，土质较为均匀，含有铁锰质结核，局部含砂质粉土或粉砂，层厚2.0～4.6m；⑤1粉砂：颜色为灰色，局部灰黄色，饱和土，中密，土质较为均匀，矿物成分主要为石英、长石，含云母碎片，层厚1.2～10.3m；⑥4粉砂：颜色为灰黄色，饱和土，密实，土质较为均匀，颗粒级配一般，矿物成分主要为石英、长石，含云母碎片，局部为细砂，层厚5.2～35m；

图2 地基土构成图

1.2 水文地质

淮安市境内河湖交错，水网辽阔，京杭运河、淮沭新河、苏北灌概总渠、淮河进入江口水道、淮河出入海口水道、废黄河、六塘河、盐河、淮河主要干流9条河道在境内蜿蜒横穿，全国五大重要淡水湖之一洪泽湖大多数都是位于该市境内，还有白马湖、高邮湖、宝应湖等中小型湖泊镶嵌在该市境内[3]。

本次勘查中所揭示的对于工程具有重大影响的地下水根据其所在位置埋藏的环境条件分为潜水与承压地下水。

（1）潜水：主要埋藏于②1层砂质粉土中，潜水的时间水位高度会随着粉土积积和进入降水层表面的不同变化而发生改动。雨季周期属于浅层水位相对较高的上季，旱期浅层水位明显转向下降，反应灵活，水位随着周期性波动变化较大，每个年平均浅层水位每个周期平均变幅2.5m左右；从六月份的雨季周期开始，水位逐步转向上升，九月份的雨季周期结束后逐步转向下降；其主要供水资源补给主要分为是由当地大气环境中的自然降水、地表等水及河道下游水系水源进行入渗，水流以侧向自然排放方式为主，排泄开采方式主要分为是海水垂向自然蒸发及其他局部人工蒸发开采；主要勘探时间为实测地下潜水区的初见浅层水位平均埋深1.65～3.20m（历年平均值2.05m），标高6.60～6.27m（历年平均值6.17m），稳定浅层水位平均埋深1.90～3.40m（历年平均值2.23m），标高5.81～6.07m（历年平均值5.98m），历史最高地下浅层水位平均埋深0.50m。

（2）承压水：本次在项目勘探的基层深度10米范围内所做的揭示检测出来的对本勘探项目后期施工过程质量是否产生直接影响的承压水应该是属于淮安地区第I层承压水[4]。

第③3层砂质粉土、③1和③4层粉砂中主要含有第I层承压水，主要接受侧向迳流补给，排泄方式以迳流为主，局部人工开采。根据中国地域调查资料其排水埋深一般位于标高地面下5.0m左右，水位高于标高为3.0m左右。

1.3 周边环境

本项目工程选址为原连镇铁路淮安东站站前广场，该工程的建设基地位于原连镇铁路淮安东制梁场的使用区域，基坑周边为空旷的开阔地，施工环境较好，经现场实地调查发现，本标段内除高压线及连镇铁路淮安东梁场需要拆迁外，其余均已拆除完成。高压线主要为广州路沿西五路至梁场段，梁场由中铁四局公司承建的连镇铁路淮安东梁场正在施工，预计9月初地面附着物可以拆除完成。主要存在难题为梁场存梁和制梁台座下的15-20m长的、直径50cm的C60预制PC管桩，管桩桩位与站前广场桩基桩位冲突，需要清除；位于盾构区间上方的管桩已侵入至盾构区域，需要拔除。采用冲击钻或射水法进行PC管桩的清除或拔除。

1.4 不良地质

该项施工场地不良地质条件造成的因素主要是地面沉降，根据《江苏省地下水超采区划分报告》，该项施工场地附近一共分布了2个超采区地下水。就场地所在的拟建区域而言，已经产生的大量地面沉降对该区域的稳定和场地运行的稳定性都有一点影响。

2 主要施工方案

2.1 总体施工方案

根据总体的施工方案计划及各个施工阶段的操作程序进行安排，本次工程首先选择了采用三轴式的搅拌桩在地连墙的施工范围内，并对其进行了槽壁加固，确保了地连墙的形成槽体质量，在槽壁加固施工全部完成并满足了强度的要求之后才可以进行地连墙的施工；地连墙体采用自动化的液压式槽壁机将其开挖切割成槽，由两端朝中间同期进行施工[5]；地连墙在施工完成后，进行圈梁及第一道混凝土支撑的施工，待其达到规定的设计强度后，即可进行抽水试验，确定各个基坑的降水参数和坑外的水位变化，最后即可进行环形基坑的开挖施工，基坑的开挖必须遵循”分区、分层、限时、平衡、对称”的开挖原则，将环形基础土方以环形支撑为界纵向划分为3层，平面分为25块，采用两种环撑以上的开挖方式进行了施工，第一道环撑以上的土方分段开挖采用岛式环撑以上的开挖方式，首先在环撑以上的范围内开掘土方，分段在环撑以上的施工，环撑以上的施工完毕后开掘内部的土方，同时环撑以上的等强，待环撑以上的土方达到规定的设计强度要求后，转换为环撑以上的开挖方式，采用盆式环撑以下的土方进行开掘，首先进行环撑内土方开挖，挖至第二道环撑下5cm，进行第二道混凝土撑施工，达到设计强度后，继续采用盆式开挖法，由中心向四周开挖至基底上30cm，最后采用人工开挖进行清底。

2.2 地连墙施工

先采用三轴搅拌桩对地连墙施工范围进行槽壁加固。三轴式复搅拌桩连接长度30m，桩径850mm，水泥平均掺量20%，施工设计方法就是采用了一种跳槽式双孔复搅拌桩连接施工方法法来进行防水施工(总体结构设计如下方框图)，其中双孔阴影段施工为多次重复施工套桩打钻，保证了室内墙体防水施工的安全连续性及各个接头的实际墙体施工使用质量，以期能够达到有效防止墙渗水的施工目标。

图3 跳槽式双孔复搅式连接施工图

围护建筑主体结构的地下围护连续墙共114幅，连续墙深50m，墙宽0.8m、1m，104幅为标准”—“段，10幅为不同的异型”L“段，标准段长度范围为3.9m～6.2m，异型段为

5.8m～5.9m。

成槽施工方法是这是一种采用先进的自动液压槽或砌壁机自动加工开挖而来的成槽，以”跳槽段挖槽”的一种形式施工进行跳槽分段施工组织成槽施工，即先挖一序槽，完成一段后返回完成二序槽。分①、②期槽段的安装施工，当在中间分别施工一个①期以前槽段后，中间分别隔开一个②期以后槽段，进行了连接下一个①期以后槽段的安装施工[6]，当两个①期内的槽段都施工达到了基本设计工艺要求后，进行中间的②期两个槽段加工成型以及加工槽与其它的安装工序。

泥浆护壁方式一般是采用静态的泥浆护壁法，泥浆材料主要是为优质的膨润土配制而成的泥浆，并在其中添加增黏剂、纯碱外加剂提高泥浆的护壁性能。

图4 地下连续墙施工工艺流程图

钢筋笼采用整体制作、整体吊装方式施工，每幅连续墙钢筋笼之间选用“工”字钢接头连接，吊装采用两台吊车抬吊方式施工，其中400T的履带吊作为主吊、200T履带吊机作为副吊。

2.3 高压旋喷桩施工

为了保证地连墙与接头位置的止水效果，每个开挖时在相邻两幅地连墙与接头之间的位置均应分别设置2根桩径1000mm的高压螺旋喷桩，搭接500mm，防止开挖时出现渗漏或积水情况；旋喷桩采用跳打的方式对其进行施工，在建筑物开始施工前需要进行各种工艺特性的试验，确定各项工序的施工参数，参数控制范围分别为水泥砂浆的水灰比控制为0.8-1.5，每延米的水泥砂浆使用量600kg，钻杆和挖掘机过程中旋转速度控制为10-15r/min，提升速度控制为5-15cm/min，喷浆时的压力控制为28～30MPa。

2.4 TRD及围护桩施工

站前广场南侧及西侧部分围护结构采用TRD+钻孔桩工法施工，TRD工法墙施工总长度为395m，厚度0.8m，钻孔深度50m，墙顶标高8.5m，墙体内侧设置直径800mm钻孔桩做为基坑主要围护受力结构，设计桩长30.8m。

（1）TRD施工。TRD采用渠式切割机切割至设计深度，然后注入水泥浆与土体进行搅拌成墙的方式进行施工，每次成型墙体与施工段搭接50cm。①挖掘液拌制采用的是钠基膨润土，每立方被搅拌土体掺入10%膨润土，水灰比为2～3.3，施工过程按1000kg水、500-300kg膨润土拌制浆液[7]。②普通水泥砂浆固化液主要广泛使用于钢筋混凝土浇筑成型外墙后的基层搅拌砂浆工序，拌制砂浆材料主要采用的为p.o42.5级普通水泥硅酸盐复合水泥，每一个立方被水泥搅拌的混凝土体内部均应均匀掺加加入25%普通水泥，水灰比1.0～1.5，根据现场试验测试施工桩已完成的外墙施工情况对其比例进行综合调整，施工工艺流程每625～937kg水、625kg的普通水泥浆各进行一次拌制。

（2）围护桩施工。根据现场地质状况，车站前广场周边的围护建筑物均采用了正循环施工方式。按照施工时与桩开孔之间的距离(桩中心线之间的距离)不小于4倍的规定，钻孔方法应采用”跳四钻一”方式来进行。

图5 正循环钻孔泥浆循环示意图

2.5 支撑体系

本工程采用钢筋混凝土环形支撑+格构柱的方式作为建筑物的基坑支撑结构体系，环撑总数共设2道，间距为5.9m，圈梁及混凝土撑均为C40混凝土，圈梁截面尺寸为1000mm×1300mm/1600mm×2600mm；混凝土支撑截面尺寸为700mm×900mm、800×1000mm；格构柱根据长度及截面尺寸分为8种型号，其中截面550mm×550mm格构柱分为种，柱桩直径为1m，采用Q 345b L 20型角钢+Q235b型钢缀板，该类型主要集中用于栈桥及环形圈梁范围，截面440×440mm格构柱分为种；柱桩直径0.8m，采用Q345bL180/Q345bL160型角钢+Q235b型钢缀板，该类型主要集中用于连系梁及角撑范围。

图6 支撑流程图

3 深基坑开挖方法

本次开挖工程基坑原则上主要是分别采用一台挖掘机直接进行三层水平式直接开挖，基坑一、二层则主要是分别采用两台挖掘机直接配合开凿；其中基坑三层均只要采用了开挖机+挖或局部立式长臂机与挖掘机的直接配合开挖方式即可进行直接开挖，土方则由一辆自卸车进行外运。基底在建筑标高以上30cm，由专业施工人员负责配合施工进行清底。基坑内的明挖式排水线沿基坑纵向排水等级分别横向设置一共有两个排水槽，集中于地下蓄水井内防止汇水，机械式水泵抽出地下污泥输送到位于地面的地下沉淀池，经过地下污泥收集处理和污水净化再滤后排入其他城市的地下排水处理管路。

每个施工区域内依次由其中一端向另外两端单个作业面之间进行分段开挖，纵向按照主体建筑物结构的区段顺序划分为多个方向，每段开挖中要进行分层、多块，并限时地完成各块的开挖与支撑，各个区域的动态坡度应当控制在1:2.5，层间预留台阶，平台宽度不可能超过6m，总开挖坡度应当控制在1:3内，保证了边坡的稳定。

南侧和西侧各规划建立2座渣土货物运输人行栈桥，直通于煤矿井底部坑底，采用卧式掘进机进行装载土，渣土货物轮流进行运输；同时规划西侧的人行通道作为出口进出车的人行通道，东侧的人行通道作为出入口的人行通道，从西五路路口出行，从地铁站前路路口出行。

开挖时，第一层混凝砼开挖采用了一种中心岛型塔式开挖法的方法。即首先要挖掘出横梁斜撑的两个部位，在中间地方预留一层土。将斜坡支撑式挖掘和掏空机彻底挖出并利用设置桩挖完后，再开始进行中间阶段预埋的最后留地填土。开掘斜向支撑时由墙体基坑的各个方向倾角角度处沿墙体垂直于斜向支撑的垂直方向朝着整个基坑内基层进行开掘分层、划定段、限期地进行开挖和连续施工分层钢筋混凝土。

第二层、第三层土均采用盆式开挖法，预留周边土。

图7 取土栈桥

为确保安全，开挖严格遵循“时空效应”的理论，按照“分段、分层、限时”和“随挖随撑、限时支撑、严禁超挖、先中后边”的原则进行开挖。

（1）基坑第1层土方先开挖环撑区域，对称开挖，然后开挖中心岛域。西侧、南侧第一段栈桥斜坡道与环形支撑同时开挖施工，土方通过基坑西侧、南侧出土口运送至基坑外。第一层环撑区域中心岛开挖面积38118m2，中心岛开挖面积20207m2，开挖标高至+7.2（绝对高程），开挖基地深度1.3m。工程施工结束后，施做第一道钢筋混凝土的支撑。

（2）基坑第2层土方开挖前，先在基坑西侧、南侧设置出土口并回填砖渣道路，然后进行第二段斜坡道与环撑区域内土方开挖，所有土方车均通过该砖渣道路进入坑内，由挖机装车出土。土方由中心及四周退挖。开挖时的建筑标高为1米-0.1（绝对高程），待第一道墙的环形建筑支撑结构达到工程规定的建筑设计支撑强度后，同时在此基础上重新开挖一道位于环形结构支撑以下的建筑土方，施做第二道同为钢筋混凝土的一道环形结构支撑。

（3）基坑第3层土方开挖前，利用第二段栈桥斜坡道作为取土通道，并避开水平取土平台位置设置砖渣道路延伸向基坑四角，作为土方车进入基坑内的行车路线，使土方车可以靠近挖机开挖区域取土。环形支撑区域内与栈桥水平取土平台同时开挖施工，根据设计图纸要求对底板土方分区分块开挖，并向栈桥平台处退挖。栈桥平台下土方最后施工，装车挖机停放在水平取土平台四周，将平台下土方转运至土方车内通过栈桥向基坑外出土。

图8 基坑外排水沟断面图

图9 基坑外排水沟位置剖面图

4 基坑降排水及渗漏水处

4.1 基坑外排水

基坑在基层开挖时，在底层基坑外部或基层地表上还应建立一道大型排水沟，用来同时承接已从基坑内部基层抽出来的排水和排入地表大面积的处理废水，经三级污水沉淀池进行沉淀后，排入其他城市的降雨、污水处理厂等系统。基坑外侧的基层导墙纵向不予进行拆除，用作主坑基础上的外侧防水墙和挡土墙，导城柱和导墙纵向的内侧导墙坡度应分别设置为向外侧1%的坡度倾斜向上坡度，避免大量雨水顺着内侧导墙而下地流入外侧基坑。

4.2 基坑内降水

基坑内部的降水主要是坑内各井点的降水为主，辅之以侧沟分隔疏干明排；在坡顶和坡脚之间应设置明沟。

设置专门的地表水位位移观测孔，并进一步不断加强对于观测基坑周围的大型地表水体沉降和新修建构筑物在该观测区域内的地表位移情况进行实时监测，实施了完全信息化的监测施工，及时向该观测区域居民提供了水位监测数据资料和地理数据库并进行快速反馈和及时上报，严格监督管理好了基坑内部的地表降水量对其以及周围环境的直接危害。基坑施工应提前20天进行降水，确保坑内降水深度控制在基坑底部1m。

降水井按每个降水井降水范围300平方米设置，共计169口。管材必须采用成品滤管。管井成孔直径800mm，井管内壁光滑，管无裂纹，缺损及暗伤；钢筋混凝土管钢筋不外露，井管与井管焊接缝必须合缝，不允许有漏焊和砂眼现象；钢管井管之间采用法兰连接；管径公差：≤±3mm，壁厚公差：≤±2mm，井管弯曲：≤3mm/m。滤管孔径：35mm，滤管孔隙率：≥50%，滤网：双层60～100目（根据不同土层进行选择），缠丝间隙0.75mm[8]。