成都地鐵7號線膨脹土基坑支護設(shè)計

周 歡，王佳慶，詹谷益

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031;2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都 611731)

1 工程概況

成都地鐵7號線是沿2.5環(huán)方向敷設(shè)的一條閉合環(huán)線，線路全長38.61 km，設(shè)地下車站31座，另設(shè)全地下的崔家店停車場1座，川師車輛段1座，以及OCC控制中心一座、主變電所3座。成都地鐵既有線主要位于砂卵石地層為主的I級階地，對該地層的設(shè)計施工已經(jīng)積累了一定經(jīng)驗。7號線的線路近50%穿越含膨脹土的Ⅱ，Ⅲ級階地，在這種地區(qū)修建鐵路、公路、房建等土建工程，因設(shè)計、施工處置不當，造成的病害頻頻發(fā)生。因此膨脹土對地鐵基坑的安全影響不容忽視。

地鐵7號環(huán)線沿途經(jīng)過川西平原岷江水系錦江及其支流Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級階地。場地土主要由第四系全新統(tǒng)人工填土層()，沖洪積層(，上更新統(tǒng)沖洪積層()，中下更新統(tǒng)冰水沉積層及白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)泥巖組成。Ⅱ，Ⅲ級階地上覆黏性土為弱～中等膨脹土［1］，其中Ⅲ級階地膨脹土的試驗結(jié)果見表1。沿線Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級階地分布情況如圖1所示。

表1 膨脹土性質(zhì)一覽表

根據(jù)室內(nèi)試驗，K2g強風化泥巖自由膨脹率為15.0% ～57.0%，膨脹力為10.0～393 kPa;K2g中等風化泥巖膨脹力為10～690 kPa，自由膨脹率2.0% ～52.0%。強風化泥巖、中等風化泥巖均屬膨脹巖。因為泥巖的吸水膨脹是有一定時間過程的，加之其基本位于車站基坑底部，開挖到基底時，在泥巖未來得及吸水膨脹時，即采用墊層快速封閉基坑，泥巖對車站影響可忽略不計。本文重點對膨脹土進行分析研究。

圖1 7號線沿線階地分布

2 膨脹土膨脹機理及影響因素

《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50112—2013)中對膨脹土的定義為:土中黏粒成份主要由親水性礦物(蒙脫石、伊利石、高嶺石 等［2-3］)組成，同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土［4］。膨脹土中的礦物成分具有較高的親水性，其內(nèi)部結(jié)晶質(zhì)的排列不同，與水結(jié)合時體積變化也存在差異。水滲入晶層之間，形成水膜夾層而引起晶格擴張，從而導致土體膨脹，反之失水收縮干裂［5］。此外黏土礦物顆粒表面由于晶格置換一般帶負電，帶負電荷的黏土顆粒對于極性水分子和水化陽離子有吸附作用，圍繞土顆粒周圍形成由強結(jié)合水和弱結(jié)合水組成的水化膜，由于結(jié)合水膜加厚使固體顆粒間的距離增大，從而導致土體積產(chǎn)生膨脹。所以說，膨脹土與水相互作用發(fā)生體積膨脹現(xiàn)象，實際上是晶格擴張與水膜增厚的共同結(jié)果。《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》中給出了蒙脫石含量和陽離子交換量與土的自由膨脹率之間的關(guān)系［4］，也充分說明兩者是黏土膨脹性的主要影響因素。

由上述膨脹機理可以看出，即使某一種黏土具有潛在較高的膨脹趨勢，如果含水量保持不變，即與膨脹土相互作用產(chǎn)生體積膨脹的水的含量不變，體積就不會發(fā)生變化［6-7］。含水量變化是黏土膨脹的直接誘因，是影響土體脹縮特性的關(guān)鍵因素，含水量的輕微增大，就足以引起有害的膨脹［8］。因此，判斷膨脹土的脹縮性指標都是反映含水率變化時膨脹土的脹縮量及膨脹力大小的。含水量不變就不會有膨脹變形或膨脹力產(chǎn)生。

3 成都地鐵7號線膨脹土地區(qū)深基坑的設(shè)計與計算

3.1 設(shè)計

《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50112—2013)5.4.5條提出“對高度大于3 m的擋土結(jié)構(gòu)土壓力計算時，應(yīng)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)或當?shù)亟?jīng)驗確定土體膨脹后抗剪強度衰減的影響，并應(yīng)計算水平膨脹力的作用［4］”。由于規(guī)范對膨脹土地區(qū)基坑設(shè)計時膨脹力的計算取值規(guī)定不明確，試驗室獲取的膨脹土參數(shù)與現(xiàn)場實際作用條件也不相同。目前計算深基坑圍護結(jié)構(gòu)時，膨脹力通常是在地勘報告提供的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進行一定折減采用。折減程度憑經(jīng)驗，計算取值不準確，也增加了圍護結(jié)構(gòu)的工程量。

根據(jù)以往成都地鐵施工經(jīng)驗及地層特點，通常采用基坑外降水施工?；娱_挖前，在基坑外采用大口徑井點降水，將上層滯水及基巖裂隙水等明水排出。在基坑開挖過程中，圍護樁間同步掛網(wǎng)噴混凝土(圖2)，將地層及時封閉。以上做法可以有效限制水份遷移的梯度和途徑，使膨脹性黏土含水率變化很小、或確保含水率不增大。根據(jù)前述對膨脹土影響因素的分析，膨脹土即使有膨脹趨勢，沒有含水率的增加，膨脹力對基坑施工也不會造成不利影響。因此，成都地鐵7號線膨脹土地段的明挖基坑，以控制含水率變化為設(shè)重點。在開挖與主體結(jié)構(gòu)回筑等施工過程中，通過采取截水封閉膨脹土地層的系列工程措施，限制膨脹土含水率變化，消除膨脹土不利影響后，將圍護結(jié)構(gòu)視為僅作用常規(guī)主動土壓力的一般基坑計算。變過去圍護結(jié)構(gòu)被動抵抗膨脹土作用為主動消除膨脹土影響。

圖2 樁間掛網(wǎng)噴混凝土

3.2 計算

成都地鐵7號線車站頂板覆土一般控制在3 m。施工方法主要以明挖或蓋挖施工為主，輔以基坑外大口徑井點降水，車站圍護結(jié)構(gòu)主要采用φ1 200@1 500～2 200灌注樁+鋼管內(nèi)支撐或錨索。Ⅲ級階地代表性車站基坑圍護結(jié)構(gòu)特征見表2。

對圍護結(jié)構(gòu)受力的計算，根據(jù)受力分析來模擬實際施工過程，并遵循“先變位，后支撐”的原則，在計算過程中計入結(jié)構(gòu)的先期位移值及支撐變形，采用理正深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件F-SPWS7.0進行計算。截面設(shè)計按內(nèi)力包絡(luò)圖進行，支撐軸力取各階段計算軸力的最大值。

表2 Ⅲ級階地代表性車站基坑圍護結(jié)構(gòu)特征

圍護結(jié)構(gòu)計算分為完全不計膨脹力影響，和個別車站(如沙河鋪站)計算鋼支撐軸力時計入20%膨脹力影響兩種情況。

4 計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的對比分析

成都地鐵7號線III級階地代表性車站基坑圍護結(jié)構(gòu)計算與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比見表3。表中列出了“開挖至基底”和“最不利工況”兩種代表性工況。其中:①軸力為鋼支撐軸力或錨索拉力標準值(部分檢測結(jié)果缺失);②由于現(xiàn)場圍護樁鋼筋應(yīng)力監(jiān)測值均遠小于計算值，故未列出;③圍護結(jié)構(gòu)水平變形括號內(nèi)數(shù)值為與保護等級對應(yīng)的最大允許變形值，按基坑深度的0.1%確定;④最不利工況出現(xiàn)在回筑階段、最底層支撐拆除時。

表3 Ⅲ級階地代表性車站基坑圍護結(jié)構(gòu)計算與監(jiān)測結(jié)果對比

從表3可以看出:崔家店站錨索軸力監(jiān)測值與計算值最接近，其余鋼支撐監(jiān)測值除個別點外，遠小于計算結(jié)果;川師站、建材南路站基坑變形較大，但支撐軸力并不大，這與現(xiàn)場支撐作用點圍檁局部壓縮、向基坑內(nèi)變形(如圖3所示)有關(guān)。除沙河鋪站的支撐軸力計算取值時計入了20%的膨脹力進行放大以外，在進行圍護樁變形計算時均未計入膨脹力，基坑安全可以得到保證。

圖3 支撐端部圍檁壓縮變形

5 工程措施

7號線膨脹土地段深基坑施工過程中嚴格采取封閉隔水措施，是消除膨脹力影響、保證基坑安全的關(guān)鍵［9-12］?；硬扇〉闹饕羲こ檀胧┤缦?

1)對基坑開挖影響范圍內(nèi)的雨污水管進行處理，防止水滲漏進土層。

2)開挖基坑發(fā)現(xiàn)地裂、局部上層滯水或土層有較大變化時，應(yīng)及時采取措施消除隱患方能繼續(xù)施工?；邮┕み^程中，加強現(xiàn)場巡查，發(fā)現(xiàn)地表裂縫及時抹灰或灌漿封閉。

3)施工時應(yīng)避開雨季作業(yè)(雨季施工應(yīng)采取防水措施)，各道工序要緊密銜接，分段快速作業(yè)，采取連續(xù)施工、基坑及時封底、即時封閉的原則來保證膨脹土的性狀不受改變，從而減少甚至消除膨脹力的影響。施工過程中不得使基坑暴曬或泡水。當車站底板位于膨脹土(膨脹巖)地層時，及時澆注混凝土墊層或采取土工塑料膜覆蓋等措施封閉基底，達到阻水、隔水的作用，并使基底土層的含水量保持不變，避免基坑在施工期間受環(huán)境變化的影響。

4)基坑頂部地表應(yīng)采取封閉措施，封閉寬度不宜小于5 m，且鄰基坑側(cè)不小于2 m范圍，按照《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50999—2014)中寬散水作法要求施工［4］。做好地表截水、排水工作，排水流向應(yīng)背離基坑，以減少地表水滲漏對膨脹土的影響。

5)基坑坡面應(yīng)采取掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土、土釘墻(固定鋼筋噴抹水泥砂漿或細石混凝土)護坡等措施防止?jié)B水、溜土、軟化、崩塌。樁間噴射混凝土層內(nèi)設(shè)置泄水孔，排出樁(墻)體背后滯水。在基坑底部沿四周設(shè)排水溝和集水井，便于排除基坑內(nèi)的積水。

6)施工灌注樁時，在成樁過程中不得向膨脹土地層的孔內(nèi)注水。

7)加強鋼支撐軸力的監(jiān)測，避免意外情況引起膨脹土遇水膨脹導致支撐失穩(wěn)?，F(xiàn)場應(yīng)有監(jiān)測軸力超過支撐承載力情況下的相關(guān)應(yīng)急預(yù)案。同時注意失水收縮引起的軸力損失，采取防止鋼支撐脫落的措施，并根據(jù)監(jiān)測情況重復(fù)施加支撐力。

6 結(jié)論

成都地鐵7號線施工中采取基坑外降水，封閉了基坑、隔絕水和大氣對膨脹土地層的影響。監(jiān)測結(jié)果表明，采取的工程措施達到了預(yù)期效果，膨脹土對圍護結(jié)構(gòu)影響可忽略不計，基坑安全能得到保證，取得了良好的使用效果及經(jīng)濟效益。

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