黄土地区超深基坑工程除具有普通基坑工程的共性之外, 还具有黄土独特的工程性质和基坑开挖深度决定的特性: (1) 湿陷性黄土含水量增大后会造成强度、模量等物理力学参数急剧降低, 由此易引发大变形问题, 给基坑变形控制带来更大问题和挑战; (2) 超深基坑支护体系更为复杂, 对周边环境影响更大, 施工风险更高。近年来, 黄土地区基坑工程由于地质勘察不准确、工程方案设计不合理、施工及管理混乱、不良地质等原因发生一系列工程事故, 其中, 由各种来源的水渗入黄土层导致的事故占相当大的比例^[1,2]。

对于黄土地区基坑工程, 学者在黄土湿陷性机理、支护结构设计、开挖施工、基坑降水、变形控制等方面积累了一定的研究成果^[3,4,5,6];但在具体基坑工程的计算分析中很少考虑黄土湿陷对变形的影响, 且近年来黄土地区出现挖深>25m的超深基坑, 其施工方法和处理措施与普通基坑有不同之处, 有待结合设计与施工研究其变形控制方法。

西安市地铁1号线万寿路站基坑最深处为29.7m, 是我国目前少有的黄土地区超深基坑, 该工程施工技术难度大、风险高。因此, 本文以该工程为背景, 利用数值方法研究黄土湿陷性对影响基坑变形的影响, 结合施工工艺流程对基坑变形控制提出建议措施。

万寿路站结构形式为地下4层3跨箱形框架结构 (见图1) , 总长度135.6m, 主体标准段的宽度为20.9m, 有效站台中心线板底埋深26.96m。车站位于西安市长乐中路与万寿路十字交叉口西侧, 沿长乐中路路中布置。车站地表分布有厚度不均的全新统人工填土 (Q₄^ml) 、上更新统风积 (Q₃^eol) 新黄土、 (Q₃^el) 古土壤、中更新统 (Q₂^eol) 老黄土、冲积 (Q₂^al) 粉质黏土、冲积粗砂等。

根据地勘资料, 黄土的Δ_zs介于234~832mm, 场地属自重湿陷性黄土场地, Δ_s为1 165~2 152mm, 综合场地条件, 从地面起算, 地基湿陷等级应为Ⅳ级 (很严重) 。

万寿路站采用明挖顺作法施工, 支护结构体系采用钻孔灌注桩+内支撑方案。车站基坑标准段围护采用1 200mm@1 400mm钻孔灌注桩, 桩体嵌固深度9m, 端头井段采用1 300mm@1 500mm钻孔灌注桩, 桩体嵌固深度10m。围护结构支撑体系由腰梁、支撑等组成, 基坑自上而下共设5道支撑, 标准段第1道支撑为800mm×800mm钢筋混凝土支撑, 水平间距6m, 其余均采用600×16钢管内支撑, 水平间距3m。

建立平面应变模型如图2所示, 模拟基坑标准段中部的施工过程, 模型在x (横向) 及y (竖向) 2个方向的范围分别为180 (-90~90m) , 60m (-60~0m) , 模型范围能满足消除边界影响的要求, 模型底部固定约束, 两侧法向约束。

通过折减土体黏聚力c和内摩擦角φ的方法^[7,8]模拟黄土浸水湿陷时物理力学性质的变化, 其中c值折减70%, φ值折减20%, 3层湿陷性土层物理力学参数如表1所示。

由于本工程具有湿陷性的土层位于地下水位以上, 且地下水位年变化幅度很小, 故地下水对黄土湿陷的影响较小, 本文重点考虑地表水渗入引起的黄土层湿陷。为探究黄土湿陷厚度对基坑变形的影响大小, 考虑湿陷土层厚度分别为5.5, 11.0, 16.5, 22m时基坑变形量, 这4种情况分别记为湿陷1~湿陷4, 改变相应土层的物理力学参数计算分析。

不同湿陷程度时桩体水平变形的对比如图3所示, 数据均为基坑开挖至坑底时的总位移。从图3可以看出, 桩体水平变形随土层湿陷厚度的增加而增大, 原因是土体湿陷后, 基坑外侧土体蠕变量增加, 桩体承受的土压力增加, 变形量随之增大;不同土层湿陷厚度下, 桩体最大水平变形的位置基本不变。在不同湿陷厚度下, 桩体水平变形增加最大的区段与该模型中新增湿陷土层的范围有较好的对应关系。

为进一步探究不同土体湿陷厚度下桩体水平变形的变化规律, 对桩体水平变形最大值做归一化处理, 以土体不湿陷时桩体水平变形最大值作为基数, 得到其他几种湿陷状况下桩体水平变形最大值与其比值, 如图4所示。从图4中可以看出, 随土体湿陷厚度的均匀增加, 桩体水平变形最大值增加越来越快, 这是因为水平变形最大值发生在第4道和第5道支撑之间, 土体湿陷的位置越靠近这个范围, 对该部分围护结构变形的影响就越大, 湿陷4工况中新增加的土体湿陷范围大部分位于第4道和第5道支撑之间, 由此导致该模型中桩体水平变形显著增大。

弯矩最大值出现在第4道和第5道支撑之间, 与桩体最大水平变形位置接近。不同湿陷厚度下桩体最大弯矩值归一化对比如图5所示, 同样以不湿陷时的桩体最大弯矩作为基数。由图5可知, 湿陷1和湿陷2模型中桩体最大弯矩略有减小, 因为这2个模型中湿陷土体位于第4道支撑以上, 基坑外侧主动土压力的增加会造成第4道和第5道支撑之间最大弯矩的减小;湿陷3模型中最大弯矩稍有增大, 湿陷4模型中最大弯矩显著增加, 其原因与上文分析的桩体最大水平变形增大相同。

对比图4和图5可以发现, 湿陷1和湿陷2模型中桩体最大水平变形增大, 而桩体最大弯矩却减小。桩体最大弯矩的减小主要是由于第4道支撑以上基坑外侧主动土压力的增大, 导致桩体上部向基坑的位移增加, 由此导致桩体不同深度变形差值减小, 桩体最大弯矩减小;而对于桩体变形, 只要基坑外侧所受土压力增加, 桩体最大水平变形必然增大。

不同湿陷程度时基坑外地表沉降如图6所示, 数值均为基坑开挖至坑底时的总沉降。可见, 不同湿陷厚度时, 整个开挖影响范围内地表沉降均增加, 且增加的量值越来越大, 但最大沉降量距基坑边缘的距离基本不变, 均为12m左右。

地表沉降最大值归一化对比如图7所示, 湿陷性土体全部湿陷时, 地表沉降最大值为-12.8mm, 是不湿陷时的1.69倍。值得注意的是, 本文采用的有限元计算方法只能计算湿陷性土层湿陷时由于土体强度下降而产生的地表变形, 并不能考虑土体的湿陷变形。实际上, 黄土是否发生湿陷变形与湿陷起始压力、湿陷起始含水量等多种因素有关^[8], 难以准确考虑。对比图4和图7可以看出, 不同土体湿陷程度下, 湿陷对地表沉降的影响均比对桩体水平变形的影响显著。

理论分析可知, 基坑围护结构所受的土压力随基坑的开挖暴露时间增加而逐渐增大。为缩短基坑开挖暴露时间, 结合现场提出基坑快速开挖施工技术。万寿路站超深黄土基坑开挖施工采用纵向分段、竖向分层、中间拉槽、阶梯开挖、留土护壁的总体原则, 纵向共分8个区, 纵向开挖顺序为由东向西连续开挖, 每段开挖按照本段施工预留3~4m工作空间, 开挖分层从上到下台阶状施工。

支撑的竖向间距对围护结构水平变形、地表沉降影响较大。基坑超挖或支护时机滞后, 一方面导致土体无支撑暴露时间变长, 导致基坑变形增大;另一方面由于基坑四周开挖面整体性较差, 可能出现局部大变形问题。开挖面快速支撑及防护技术可及时形成围护结构支撑体系, 有利于控制基坑变形, 确保施工安全。

为便于制作及安装, 钢支撑的设计采用分段式结构, 分别为固定端、活动端和中间标准节3部分, 标准节分节长度有3, 4, 6m等规格。采用法兰盘高强螺栓对各管节进行连接, 每根钢支撑一端设预加轴力装置, 另一端接1根长为0.8m的活动接头, 保证钢支撑长度有约300mm的可调余量。

万寿路站基坑钻孔灌注桩之间采用网喷施工, 在钻孔灌注桩上植入膨胀螺栓用以固定钢筋网片, 然后固定钢筋网, 最后采用喷射混凝土使钻孔灌注桩靠基坑一侧桩面平整无凹坑。

边开挖边对钻孔灌注桩的桩面进行处理, 然后进行桩间网喷施工。混凝土采用湿喷工艺, 喷射混凝土回弹量控制在15%内。喷射混凝土作业紧随开挖及挂网作业后, 确保尽早封闭暴露土体, 防止表层风化剥落。喷射混凝土总体安排纵向分段、分片, 每个小段均采用从上到下的施工顺序, 每个分段区的长度宜≤2 000mm, 每次喷射混凝土的厚度<60mm, 每层混凝土终凝后, 对终凝层进行洒水养护, 再进行下一层喷射混凝土施工。

湿陷性土层有水渗入时会导致抗变形能力、强度急剧降低, 由此造成围护桩变形及地表沉降显著增加, 危害基坑稳定及安全。为确保基坑工程施工安全, 需采取针对性措施控制黄土的浸水湿陷。黄土产生湿陷的最根本原因是有水渗入到黄土地层中, 因此在基坑施工过程中可采取防止地表水及地下水渗入黄土地层的施工措施控制基坑周边黄土地层的湿陷。结合本工程实际, 可采用基坑内降水措施防止地下水位上涨变化并确保基坑安全, 结合地表水防渗措施防止地下水渗透, 来有效控制黄土地层的湿陷。

根据工程地质勘查报告, 分析本工程地下水类型、含水层分布情况并结合基坑形状特点, 采用大井法进行基坑降水设计。为确保基坑降水实际效果满足降水需求, 本工程设计18口降水井, 每口井配置1台深井泵, 降水井井深设计为41~45m, 选用300mm、壁厚50mm的无砂管;井孔开挖半径350mm, 井孔内用豆砾石回填, 回填高度至离地表1.5m, 孔口用黏土回填密实, 封底用1m厚滤料。

万寿路站黄土基坑降水井布置如图8所示, 降水井沿基坑纵向布置, 对称分布在基坑两侧, 与围护结构中心间距为2.5m, 井与井的布置距离为15m, 在车站降水设计与实际施工过程中, 取JS-1, JS-7, JS-10, JS-17号降水井同时兼作降水观测井, 随时观测水位变情况。

1) 采用120mm厚C20素混凝土硬化施工场地, 降低地表渗透系数, 防止地表水向地下渗透侵入黄土层;硬化场地设0.3%排水坡, 防止地表坑洼积水。

2) 为有效收集不利天气条件下的地面雨水及基坑降水所抽排的地下水, 在施工场地四周设300mm×300mm排水沟, 利用洗车台收集排水沟污水, 与洗车的污水共同经沉淀池沉淀后排入市政管道。

1) 湿陷性黄土有水渗入时会导致抗变形能力、强度急剧降低, 由此造成围护桩侧向变形及地表沉降显著增加, 湿陷性土体全部湿陷时, 地表沉降最大值为-12.8mm, 是不湿陷时的1.69倍。

2) 湿陷性黄土基坑施工时, 防湿陷控制措施分地表防渗漏水和基坑降排水2个方面, 防止地表水及地下水对黄土基坑变形造成不可控的影响。

3) 结合现场施工总结黄土超深基坑快速开挖施工技术、开挖面快速支撑及防护技术、黄土层防湿陷控制措施。