地铁车站一般位于城市干线, 建设阶段若长时间占道施工, 将使城市交通更加拥堵。为缓解施工导致的交通拥堵, 广州地铁晓港站、深圳地铁岗厦站、上海地铁陆家浜站等均采用半盖挖法^[1,2]施工。

长沙轨道交通4号线黄土岭站基坑所在位置均为现状路面, 为保证交通正常运行, 采用半盖挖法施工。车站南侧紧邻高边坡, 高边坡的存在使支护结构处于偏压受力状态, 且坑底紧邻电力隧道, 基坑开挖对电力隧道的影响不容忽视。因此, 有必要对黄土岭站基坑设计、施工及周边建 (构) 筑物的加固措施进行研究。

黄土岭站位于芙蓉南路与赤黄路交叉口, 沿黄土岭路呈东西向布置。车站周边环境十分复杂, 分布众多建 (构) 筑物和管线, 基坑南侧约12.0m处存在8.0m高的原状土边坡, 距坡顶约11.0m处存在1座7层建筑物, 距基坑坑底约2.0m处存在电力隧道, 如图1所示^[3]。

黄土岭站为地铁1, 4号线换乘站, 1号线为先期线路, 已为4号线车站预留换乘节点。4号线黄土岭站为地下3层岛式站台车站, 基坑总长214.3m、标准段宽23.1m、基坑深24.0～26.5m^[3]。

施工场地范围内地层自上而下分别为:杂填土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、卵石、粉质黏土、强风化泥质粉砂岩、强风化砾岩、中风化泥质粉砂岩。基坑南侧原状土边坡主要为粉质黏土。施工场地地下水按赋存方式主要分为第四系上层滞水、松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。地下稳定水位为3.500～7.300m, 水位标高为62.200～71.100m^[4]。

黄土岭站采用地下连续墙+内支撑+临时中立柱+盖板的支护体系。盖挖期间行车速度设计为60.0km/h, 设计荷载为100.0kN^[5]。围护结构采用1.0m厚的地下连续墙, 兼作隔水结构。坑底地层为中风化泥质粉砂岩时, 地下连续墙嵌固深度取3.0m;坑底地层为强风化泥质粉砂岩时, 嵌固深度取5.0m。内支撑体系采用4道内支撑+临时立柱的形式, 其中第1, 3道为混凝土支撑, 水平间距取6.0m, 截面尺寸分别为1.0m×1.2m, 0.8m×1.0m;第2, 4道采用609.0mm, t=16.0mm钢支撑, 水平间距取3.0m;临时中立柱由钢管立柱和立柱桩组成, 钢管立柱直径609.0mm, 厚16.0mm, 立柱桩为直径1.2m的钢筋混凝土灌注桩, 钢管立柱插入立柱桩内4.0m, 水平间距为6.0m;盖板为0.3m厚钢筋混凝土板。地下连续墙、混凝土支撑、立柱桩混凝土强度等级均为C30, 支护结构典型剖面如图2所示^[3]。

为获得充足的施工场地, 施工前需对基坑南侧高边坡进行削坡处理, 削坡后坡角达75°。由于该边坡为原状土边坡, 坡顶存在建筑物, 削坡、基坑开挖使得边坡无法自稳。为增加边坡抗滑力、约束边坡变形, 在坡面采用土钉和挂网喷射混凝土进行主动加固;同时为平衡滑坡推力, 在坡脚采用钻孔灌注桩 (抗滑桩) 和三重高压旋喷止水桩进行被动加固。边坡加固方案具体参数如下。

1) 采用28.0mm HRB400级热轧带肋钢筋作为土钉, 与水平面夹角呈15°、长9.0m、水平间距1.2m、竖向布设5排。采用浆体强度等级M20常压灌注水泥砂浆。

2) 挂网喷射混凝土厚0.1m, 混凝土强度等级C20, 钢筋网间距0.15m, 采用8.0HPB300钢筋。

3) 坡脚钻孔灌注桩桩径0.8m、桩间距1.0m, 混凝土强度等级C30;三重管高压旋喷止水桩直径0.8m、间距0.55m。

基坑底至电力隧道顶约2.0m, 隧道井下穿S-11, S-12地下连续墙, 且隧道井出线位置距S-14, S-15地下连续墙外侧壁较近, 最近处距离仅0.4m, 基坑施工对电力隧道井的影响不容忽视 (见图3) 。为避免基坑开挖的不利影响, 采取以下加固措施。

1) 地下连续墙施工前现场实测电力隧道位置, 为防止地下连续墙成槽凿穿电力隧道井, 将S-11, S-12地下连续墙墙底标高提高2.000m。

2) 为保证电力隧道井出线位置安全, 该段地下连续墙采用旋挖法成孔, 放慢成孔速度, 严禁使用成槽机、冲击钻机进行成槽施工, 防止凿穿电力隧道井。

3) 为避免基坑开挖导致电力隧道出现过大变形, 在基坑开挖前对电力隧道及电缆出线井进行预加固。电力隧道井内部采用I22a进行加固, 外部2.0m范围内采用地面注浆加固 (见图4) 。

4) 当基坑开挖至电力隧道顶部约5.0m处, 测量电力隧道位置, 并用石灰粉画出。在后续基坑开挖过程中严禁大型设备横跨电力隧道。

为保证黄土岭路交通正常通行、降低工程造价、加快施工进度、减小施工难度, 采用半盖挖法施工, 施工场地及交通疏解共分8步: (1) 施作盖挖段北侧地下连续墙、临时立柱桩、临时立柱、抗拔桩及设置铺盖系统; (2) 施作盖挖段南侧地下连续墙、第1道混凝土支撑和冠梁, 向下开挖至下道支撑架设位置; (3) 随挖随撑, 向下开挖至基底; (4) ～ (6) 施作车站主体结构、拆除临时内支撑; (7) 施工地下1层侧墙和结构顶板, 待顶板混凝土强度达到设计强度70%后, 拆除第1道支撑南侧段, 回填北侧覆土, 恢复路面, 交通疏解至北侧; (8) 拆除第1道支撑北侧段、盖板系统和临时立柱, 回填覆土, 恢复路面 (见图5) 。

黄土岭站基坑开挖施工严格按“竖向分层、水平分段、自上而下、先撑后挖、分层开挖”原则进行。分为东、西基坑, 两基坑对称开挖, 共分10节段, 每节段长15.0～20.0m (见图6) ;内支撑间土石方均分2层开挖, 共8层;基坑标准段宽23.1m, 第1, 2层分2块开挖, 先开挖明挖段, 后开挖盖板下土石方;第3～8层分3块进行开挖。

为保证基坑施工安全, 对地下连续墙水平位移、支撑轴力、地表沉降、边坡坡顶位移及周边建筑物沉降进行实时监测。对典型断面地下连续墙深层水平位移、边坡坡顶位移和坡顶建筑物沉降进行整理汇总, 分析半盖挖法施工效果。

基坑南、北两侧地下连续墙深层水平位移如图7所示, 以向基坑内侧变形为正, 反之为负。从图7中可以看出, 由于基坑南侧边坡的存在使其处于偏压受力状态^[6], 基坑南侧地下连续墙向坑内变形, 沿深度方向呈上下部变形小而中部变形大的内凸式分布^[7];基坑北侧地下连续墙受南侧边坡偏压作用的影响, 上部向基坑外侧变形, 下部向基坑内侧变形。随着坑内土体的开挖, 地下连续墙受到的水平向土压力增大^[8], 深层水平位移逐渐增大, 在底板施作完成后达到最大值。基坑南侧最大水平位移为11.5mm, 位于埋深-15.0m处;基坑北侧向坑外最大水平位移为-7.4mm, 位于地下连续墙顶部, 向坑内最大水平位移为7.8mm, 位于埋深-15.5m处。基坑南、北侧地下连续墙最大水平位移均小于预警值, 南侧地下连续墙受高边坡偏压影响, 最大水平位移明显大于北侧, 且北侧地下连续墙水平位移分布规律具有特殊性。

坡顶水平、竖向位移曲线如图8所示, 水平位移以向基坑侧变形为负, 竖向位移以向下变形为负。从图8中可以看出, 随着基坑开挖, 坡顶出现向基坑侧变形的趋势, 即竖向表现为沉降, 水平向基坑侧变形, 其变化规律与坡顶地表沉降变化规律相似, 最大水平、竖向位移分别为6.8, 6.4mm。

从坡顶建筑物竖向位移曲线可以看出, 其变化规律与坡顶竖向位移变化规律相似, 建筑物最大沉降为6.2mm (见图9) 。

由图7～9可知, 地下连续墙水平位移、坡顶水平位移及坡顶建筑物竖向位移最大值均小于安全控制值^[9,10], 基坑、边坡处于稳定状态, 建筑物处于正常使用状态。

1) 邻近高边坡深基坑围护结构的变形规律具有特殊性, 且远离边坡侧地下连续墙最大水平位移仅为靠近边坡侧的68.0%, 远离偏压侧围护结构具有一定的优化空间。

2) 长沙地铁4号线黄土岭站采用半盖挖法施工, 有效解决了明挖法施工造成的交通拥堵问题, 各项监测数据均小于预警值, 基坑支护结构、边坡和电力隧道加固措施安全可靠。