過江隧道盾構(gòu)井基坑技術(shù)研究

■朱魯榮

（中國水利水電第十六工程局有限公司，福州　350003）

過江隧道盾構(gòu)井基坑技術(shù)研究

■朱魯榮

（中國水利水電第十六工程局有限公司，福州350003）

在總結(jié)和分析長江一級階地地層和工程地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，以武漢過江隧道盾構(gòu)接收井最大開挖深度21.555m的深基坑工程為例，闡述了該地層深基坑設(shè)計(jì)和施工時(shí)的特點(diǎn)，提出了針對性的支護(hù)措施，并通過各工況下基坑支護(hù)內(nèi)力和位移計(jì)算對基坑開挖的安全和穩(wěn)定性進(jìn)行了科學(xué)評估。結(jié)果表明，長江I級階地土體具有強(qiáng)度低、可壓縮性高、自穩(wěn)能力差，同時(shí)含水層復(fù)雜且地下水豐富的特點(diǎn)，故深基坑施工的關(guān)鍵是擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工和對含水層的治理。盾構(gòu)井深基坑的施工把握了該類地層的工程特性，采取了地下連續(xù)墻加鋼支撐結(jié)合中深井降水等方法，起到了很好的處理效果。

長江一級階地基坑盾構(gòu)接收井過江隧道

0　前言

長江中下游河段，由于水流分選作用，由上至下沉積顆粒由粗到細(xì)，河漫灘相具有典型的相變規(guī)律［1］。

由于長江一級階地典型的二元結(jié)構(gòu)地層組合特點(diǎn)，含水地層的滲透性能基本上隨深度呈單調(diào)增長。賦存的地下水可分為3層，即①上層填土和粘性土中存在的上層滯水或潛水。②中間過渡相承壓含水層，巖性為粉質(zhì)粘土與粉土、粉砂互層③下層砂性土承壓含水層，巖性以粉砂、粉細(xì)砂和細(xì)砂為主，底部中粗砂、卵礫石層滲透系數(shù)則更高?；鶐r是該承壓含水層的隔水底板。長江一級階地上全新統(tǒng)砂層中的承壓水與長江有密切的水力聯(lián)系。承壓水水頭的絕對標(biāo)高較高，如漢口地區(qū)在長江汛期約為18～20m，僅低于自然地面1～3m；枯水期約為15～16m，年自然變幅約2～4m。因此可以推斷，該類型地層滲透性呈極明顯的各向異性，過渡層易發(fā)生流土和管涌［2-3］。

1　工程概況

1.1工程布置

擬建長江隧道盾構(gòu)接收井江北盾構(gòu)井段位于魯茲故居北側(cè)，盾構(gòu)接收井起點(diǎn)里程為RK2+711.2，終點(diǎn)里程為RK2+740.3，魯茲故居離基坑圍護(hù)外緣的距離約為20m。場區(qū)現(xiàn)狀地面標(biāo)高約 25.45m，接收井長 43.7m×寬30.99m，距江北長江大堤約500m。因周邊環(huán)境變形監(jiān)測的需要，在盾構(gòu)接收井周邊共布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)11處，盾構(gòu)接收井位置及周邊建筑物沉降監(jiān)測點(diǎn)平面布置如圖1所示。

圖1　長江隧道江北盾構(gòu)接收井位置及周邊建筑物沉降監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖

1.2工程地質(zhì)條件

江北盾構(gòu)接收井段各巖土層地層結(jié)構(gòu)及巖土工程特性見表1。盾構(gòu)井底部位于中密粉細(xì)砂層中，施工時(shí)，粉細(xì)砂層中承壓水對施工影響較大。其地層結(jié)構(gòu)為典型的二元地層結(jié)構(gòu)，上部以軟-可塑粘性土為主，具有中等-中等偏高壓縮性和較低強(qiáng)度特點(diǎn)，粘性土層及上覆人工填土層中賦存水量較小的上部滯水，下部以中密-密實(shí)粉細(xì)砂層為主，呈中等-低壓縮性、強(qiáng)度較好的特點(diǎn)。砂土層構(gòu)成了承壓水的含水層。

表1　地層結(jié)構(gòu)及工程特性表

2　盾構(gòu)接收井基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工

2.1基坑支護(hù)體系

根據(jù)本段工程所處的周圍環(huán)境，按照當(dāng)?shù)丶夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)《深基坑工程技術(shù)規(guī)定》［4］，基坑安全等級定為一級。圍護(hù)墻最大允許水平位移量≤40mm，抗隆起安全系數(shù)Ks≥1.5。由于周邊環(huán)境較為復(fù)雜且距盾構(gòu)井很近，盾構(gòu)井施工作業(yè)場地狹窄，不具備放坡開挖條件，同時(shí)作為盾構(gòu)進(jìn)出工作井，其結(jié)構(gòu)必須滿足井壁支護(hù)及盾構(gòu)推進(jìn)的后座強(qiáng)度的剛度要求，且盾構(gòu)井深達(dá)中密粉細(xì)砂層，已進(jìn)入承壓含水層中，承壓含水層的水頭較高，該承壓水的處理方案是盾構(gòu)井基坑施工成敗的關(guān)鍵。

根據(jù)武漢市深基坑工程施工經(jīng)驗(yàn)及長江I級階地地層特點(diǎn)，擋土結(jié)構(gòu)宜采用地下連續(xù)墻，順作法施工。地面標(biāo)高約為25.45m，基坑實(shí)際開挖深度為21.555m，地下連續(xù)墻厚度0.8m，長度根據(jù)嵌入深度驗(yàn)算采用34.5m（墻底標(biāo)高-9.264m），地下連續(xù)墻采用C30鋼筋混凝土。在基坑深度范圍內(nèi)設(shè)1道冠梁及5道鋼支撐，冠梁尺寸為1500×900mm，鋼支撐采用Ф609mm鋼管，壁厚12mm。冠梁（地下連續(xù)墻）頂標(biāo)高略低于地面，為25.236m，基坑底標(biāo)高為3.895m。坑中間沿寬度方向設(shè)置每層4根長達(dá)29.3m的Ф609mm鋼管對撐，下部采用6根立柱+鋼梁頂托，并輔以地下連續(xù)墻接縫處旋噴樁止水及中深井減壓降水的方法進(jìn)行基坑施工。基坑支護(hù)體系平剖面如圖2、圖3所示。

圖2　盾構(gòu)井圍護(hù)體系平面布置圖

圖3　盾構(gòu)井圍護(hù)體系A(chǔ)-A剖面圖

2.2結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.2.1計(jì)算模型

地下連續(xù)墻在施工階段作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受側(cè)向水土壓力，運(yùn)營階段地下連續(xù)墻與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)作為重合結(jié)構(gòu)共同受力［5］。

2.2.2計(jì)算結(jié)果

地下連續(xù)墻的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4　地下連續(xù)墻施工期間內(nèi)力包絡(luò)圖

計(jì)算結(jié)果表明，基坑抗隆起安全系數(shù)為2.43＞1.5；抗?jié)B流安全系數(shù)為 2.7＞1.7；抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)為

1.44＞1.2。以上計(jì)算說明支護(hù)體系是安全和可靠的。但最大地表沉降為30mm，為了保證魯茲故居的安全，還須對魯茲故居進(jìn)行加固 （采用高壓旋噴樁在接收井與故居間進(jìn)行止水加固，實(shí)際效果良好，詳見相關(guān)文獻(xiàn)，文中不再贅述）。

2.3基坑防水及承壓水治理

漢口盾構(gòu)接收井基坑周邊均為建筑物，基坑底主要位于粉土、粉細(xì)砂等透水層中，與長江僅相距約500m，相互之間水力聯(lián)系緊密，承壓水頭較高。為確?；邮┕ぬ幱诟稍锏沫h(huán)境，同時(shí)達(dá)到控制地面沉降、保護(hù)建筑物及地下管線、降低造價(jià)的目的，施工中重點(diǎn)對側(cè)向滲水及地下承壓水進(jìn)行了治理。

圖5　降水井及觀測井平面布置圖

對基坑側(cè)向防水處理采用地下連續(xù)墻接縫處旋噴樁止水的措施。地下連續(xù)墻的分幅處采用3根Ф600mm旋噴樁呈“品”字形布置止水（樁長同地下連續(xù)墻）。治理地下承壓水則采取在坑內(nèi)布置21口深度達(dá)35.5m的中深井進(jìn)行減壓降水的方法。21口降水井及4口觀測井平面布置如圖5所示：

實(shí)踐證明，長江一級階地該地質(zhì)條件下適宜采用將地下連續(xù)墻接縫處止水與深井降水相結(jié)合的綜合性措施治理側(cè)向滲水和地下承壓水，該技術(shù)有效縮短了施工工期、控制了施工成本，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

3　盾構(gòu)接收井施工對周邊環(huán)境的影響

江北盾構(gòu)井基坑南側(cè)為魯茲故居（沉降監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)為J1-*），3層磚木結(jié)構(gòu)，距基坑最近約20m；東側(cè)為鄱陽街小學(xué)分校 （沉降監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)為J5-*），6層磚混結(jié)構(gòu)，距基坑最近僅2m；西側(cè)為居民小區(qū)（沉降監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)為J2-*、J4-*），6層磚混結(jié)構(gòu)，距基坑最近約15m。上述建筑物基礎(chǔ)形式均為條形基礎(chǔ)。周邊建筑物沉降監(jiān)測點(diǎn)布置見圖1。沉降監(jiān)測成果曲線如圖6所示。

圖6建筑物各觀測點(diǎn)沉降曲線圖　

江北段盾構(gòu)井于2006年12月開始挖土施工并開啟降水井，2007年4月9日底板澆筑完畢，2007年4月28日關(guān)閉所有降水井，2007年5月16日側(cè)墻及中梁施工完畢滿足結(jié)構(gòu)抗浮后降水井全部封堵。從建筑物各監(jiān)測點(diǎn)沉降曲線可看出，自從基坑底板基坑澆筑完畢并養(yǎng)護(hù)達(dá)到一定的強(qiáng)度后，各建筑物角、邊變形觀測點(diǎn)的沉降速率明顯變小，并從2007年4月23日以后，各建筑物沉降趨于穩(wěn)定。

由圖6可知，2007年2月11日至18日西側(cè)民房監(jiān)測點(diǎn)J4-3、J4-4出現(xiàn)異常不均勻下沉，此現(xiàn)象的發(fā)生與2月9日基坑西南角地下連續(xù)墻接縫處突發(fā)滲漏有關(guān)，在對滲漏點(diǎn)進(jìn)行緊急處理后，該建筑的沉降速率大幅降低并逐漸穩(wěn)定。

基坑南側(cè)的魯茲故居（距基坑約20m）因?qū)僦攸c(diǎn)保護(hù)單位事先進(jìn)行了加固處理，沉降量較小，約20～45mm；西側(cè)的民房（距基坑約15m）因受地下連續(xù)墻滲漏影響，最終沉降量較大，在25～40mm和55mm～65mm之間；東側(cè)的鄱陽街小學(xué)因距離基坑支護(hù)體僅2m，受施工及降水影響最為顯著，最終沉降量約60～70mm。

根據(jù)長期跟蹤監(jiān)測，由于盾構(gòu)井基坑周邊密集分布各類建筑物（僅2～20m），盡管建筑物均出現(xiàn)了不同程度的沉降變形，但基坑施工并未造成建筑物結(jié)構(gòu)或功能上的破壞。

4　結(jié)束語

2008年5月，武漢長江隧道工程?hào)|、西線盾構(gòu)機(jī)陸續(xù)由江北段盾構(gòu)井出洞，從而順利實(shí)現(xiàn)了長江隧道主體工程的全線貫通。從現(xiàn)場施工及后期投入使用情況來看，該盾構(gòu)井施工方案取得了很好的效果，確保了施工期間基坑的穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)運(yùn)行的安全。

長江一級階地因其特殊的地質(zhì)沉積環(huán)境造成了土體強(qiáng)度低、可壓縮性高、自穩(wěn)能力差等缺點(diǎn)，同時(shí)含水層復(fù)雜、地下水豐富等原因都使深基坑開挖及支護(hù)變得異常困難。從文中對江北盾構(gòu)井基坑工程的施工分析可以看出，地下連續(xù)墻起到了較好的擋土和防滲作用，結(jié)合鋼支撐限制了基坑的變形；同時(shí)由于盾構(gòu)井深達(dá)中密粉細(xì)砂層，已進(jìn)入承壓含水層中，承壓含水層的水頭較高，采用將地下連續(xù)墻接縫處止水與深井降水相結(jié)合的綜合性措施治理側(cè)向滲水和地下承壓水，成為了盾構(gòu)井深基坑施工成敗的關(guān)鍵。從整體上講，上述一系列的支擋和止水措施在整個(gè)基坑工程建設(shè)中取得了明顯的效果，并確保了基坑施工的安全和穩(wěn)定，為長江一級階地其它深基坑工程設(shè)計(jì)和施工方案的選擇提供了有益的參考。

［1］劉世凱，徐凱燕，劉浩，周偉.長江中下游港口建設(shè)地質(zhì)環(huán)境評價(jià)［J］.地球科學(xué)，2001，26（4）：437-439.

［2］徐楊青，朱小敏.長江中下游一級階地地層結(jié)構(gòu)特征及深基坑變形破壞模式分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（增）：1974-1978.

［3］王翠英，馮曉臘，王繼偉.二元結(jié)構(gòu)中弱透水層基坑降水的水文地質(zhì)特性［J］.人民長江，2004，9（35）：27-29.

［4］武漢市建設(shè)管理委員會(huì).《深基坑工程技術(shù)規(guī)定》（DB42/159-1998）［S］.1997.

［5］深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊［M］.龔曉南主編.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998，74-137.