地铁武汉站深基坑支护

第 22卷 增刊 　 2008年 10月 资源环境与 Resources Environment & Engineering Vol. 22. Sup. Oct. , 2008 收稿日期 : 2008 - 09 - 20 作者简介 : 张三定 (1974 - ) , 男 , 工程师 , 岩土工程专业。E - mail: m rzsd@1631com 地铁武汉站深基坑支护 张三定 , 甘信怀 , 顾少娟 (长江岩土工程总公司 ,湖北 武汉　430010) 摘 　要 : 通过对武汉地铁四号线武汉站深基坑的地质结构特征、岩土工程性质、水文地质特征、周边环境 等深入分析 , 揭示了主要工程地质问和各种支护的利弊 , 从而使深基坑支护系统方案优选和计算过 程更加全面、科学、准确 , 最终选择的放坡方案更具技术经济的合理性。 关键词 : 深基坑 ; 支护 ; 地铁 ; 武汉站 中图分类号 : TU473; TV551. 4　　　　文献标识码 : A　　　　文章编号 : 1671 - 1211 (2008) S3 - 0185 - 04 0　引言 地铁四号线一期工程南起武昌站 ,北止武汉站 ,途 经中南路、洪山广场、中北路、岳家嘴 ,沿途设 14个车 站 ,全长约 16 km。 武汉站位于武汉市青山区白马洲村杨春湖畔 ,是 武汉市轨道交通四号线一期工程的终点站 ,位于武广 铁路客运专线上重要站点 ———武汉火车站主站房地 下。武汉站建成后 ,供地铁 4号线和 5号线共用 ,并与 武汉火车站实现站内直接换乘 (见图 1)。 图 1　地铁武汉站示意图 武汉站起止桩号为 AK29 + 703～AK30 + 182,总 长度 479 m,段外包宽度 4018 m,站厅层设于地下 一层 ,建筑面积约 2. 58万 m2 ,车站主体结构部分底板 埋深 812 ～1518 m ,标高约 11 ～12 m ,自西向东以 012%的坡度下降。地铁车站的施工方法为明挖顺作 法 ,主体结构标准段为单层六跨钢筋混凝土箱形框架 结构。基坑工程重要性等级为二级。 1　场地工程地质条件 场地位于剥蚀堆积垄岗 (相当于长江 Ⅲ级阶地 ) 地貌单元上。沿线地形总体较平坦 ,局部波状起伏 ,地 面高程 19117～2812 m,相对高差 9103 m。 场地地层岩性 :人工填土 (Qm l )、第四系近代湖积层 (Ql )、第四系中更新统冲积层 (Qal2 )。下伏基岩为 :志留系 中统坟头组 (S2 f )。各岩土层的地层岩性分述如下 : 1. 1　人工填土 (Qm l ) 素填土 :灰、黄、黄褐、棕红等杂色 ,主要由粘性土、 生活垃圾等物质组成 ,结构松散 ;厚 013～310 m;零星 分布于村庄周围及鱼塘塘埂。 1. 2　第四系近代湖积层 (Q l4 ) 淤泥 :灰色 ,结构疏松 ,呈软塑 —流塑状 ,含有机 质 ,具淤泥臭味。层厚 014～114 m,分布于素填土以 下 ,强度极低。 1. 3　第四系中更新统冲积层 (Qal2 ) 粉质粘土 :黄褐、棕红色 ,结构紧密 ,呈硬塑状 ,含 少许铁、锰质结核及其氧化物 ,夹灰绿色粘土透镜体 , 厚度变化较大 ,厚 415～1715 m ,埋深 010～310 m。沿 线均有分布。自由膨胀率为 30% ～64% ,平均值为 42% ,具弱膨胀性 ,失水干裂遇水膨胀 ,膨胀土中裂隙 较发育 ,裂面光滑。 1. 4　志留系中统坟头组 ( S2 f ) 泥岩 :灰色 ,风化后呈黄、灰黄色 ,薄层状 ,属极软 图 2　武汉站西段典型工程地质横剖面图 11第四系中更新统冲积层 ; 2. 志留系中统坟头组 ; 31素填土 ; 41粉质粘土 ; 51泥质粉砂岩 ; 61泥岩 ; 71覆盖层与基岩界线 ; 81岩性界线 ; 91全风化下 限 ; 101强风化下限 ; 111基坑开挖线。 岩 ,岩体基本质量等级为Ⅴ级。强风化泥岩天然单轴抗压 强度 <5 MPa,为极软岩。 泥质粉砂岩 :灰色 ,风化后呈黄、灰黄色 ,属软岩 , 岩体基本质量等级为 Ⅳ级。场区无基岩露头。 根据区域地质资料 ,场地位于汉口 —左岭 复背斜的北支何董村背斜核部偏北冀 ,背斜轴 向为 290°,核部为志留系中统坟头组 ( S2 f )地 层 ,两翼为泥盆系至二叠系地层 ,岩层总体倾 向 NE22°～30°。钻孔揭露岩层倾角为 45°～ 75°,岩体裂隙发育 ,见二组裂隙 ,一组倾角为 40°～60°;另一组为倾角近 90°的陡倾角裂隙。 通过对场区地质调查 ,场区地表被第四系 土层所覆盖 ,场区内无崩塌、滑坡、泥石流。不 良地质作用主要为岩体风化和膨胀土。 场区地表水系主要有杨春湖水系 ,水深 015～117 m。 场区地下水主要为基岩裂隙水 ,赋存于志留 系泥质粉砂岩夹泥岩风化带中 ,水量不丰 ,主要 通过两侧裸露基岩接受大气降水入渗补给 ,局部 由于上覆厚层粘性土覆盖而具微承压性。 2　基坑地质结构及周边环境 根据勘察资料 ,基坑东、西两段地质结构 差异较大 ,东段主要为岩土质双层结构 ,西段 主要为土质单一结构 (表 1)。 西段 :长约 249 m,基坑为粉质粘土 ,坑底粉质粘 土层厚一般 3～5 m ,从西往东厚度减小。基底下伏志 留系中统坟头组泥岩及泥质粉砂岩 ,局部为全风化带 , 厚 113～310 m,分布不连续 ;强风化带厚 410～1110 m , 分布较连续 ;以下为中风化及微新岩体 (图 3)。 东段 :长约 230 m ,坑底为基岩 ,基坑壁为双层结 构 ,上部粉质粘土厚 415～916 m,下部为全风化带、强 风化带 (厚 2. 1～811 m )岩体 (图 3)。 表 1　武汉站基坑地质结构表 剖面 编号 边　　　　坡 底板下土层厚度 北　　坡 南　　坡 地质结构 土质坡高 /m 岩质坡高 /m 坡高 /m 地质结构 土质坡高 /m 岩质坡高 /m 坡高 /m 北坡侧 /m 南坡侧 /m 1 2 3 4 5 6 单一结构 919 919 1319 1319 1412 1412 1512 1512 12. 8 12. 8 12. 0 12. 0 单一结构 716 716 311 416 810 810 316 316 810 810 316 311 817 817 412 2. 6 817 817 2. 4 312 1014 1014 115 0 7 8 9 10 11 双层结构 916 116 1112 517 615 12. 2 411 1014 1415 1115 018 12. 3 813 317 12. 0 双层结构 614 514 1118 0 0910 2. 7 1117 0 0810 715 1515 0 0713 810 1513 0 0712 910 1612 0 0 　　场区远离市区 ,邻近主要地面建筑物多为 1～2层 民房。基坑周边鱼塘、藕塘分布密集 ,是当地农民主要 生活经济来源。车站范围内分布有一条贯穿东西两侧 直径为 30 cm自来水管道 ,埋深 0～115 m。 3　岩土物理力学性质根据场地岩土工程特征和室内试验成果 ,结合本地区同类深基坑支护的成功经验 ,提出基坑支护岩土物理力学指标建议值见表 2[ 1 ]。 681 资源环境与工程 　　 2008年　 图 3　武汉站东段典型工程地质横剖面图 11第四系中更新统冲积层 ; 2. 志留系中统坟头组 ; 31素填土 ; 41粉质粘土 ; 51泥岩 ; 61泥质粉砂岩 ; 71覆盖层与基岩界 线 ; 81地层界线 ; 91岩性界线 ; 101全风化下限 ; 111强风化下限 ; 12. 基坑开挖线。 表 2　基坑岩土物理力学参数建议值表 岩性 天然 重度 缩模 压量 变形 模量 抗剪强度 (总应力 ) 静止侧压 力系数 基本系数 承载力 特征值 临时开挖坡比 坡　高 γ E s E0 Ck φk K0 K fak kN /m3 MPa MPa kPa (°) MPa /m kPa ≤8 m 8～15 m 淤泥 1810 3 10 3 0165 7 60 - - 粉质粘土 2010 11 40 14 0143 50 270 1∶1125 1∶115 全风化泥岩 2315 15 50 16 0133 70 280 1∶110 1∶1125 强风化泥岩 2418 43 100 25 0130 90 350 1∶0175 1∶110 中风化泥岩 2418 80 150 30 - - 450 1∶015 1∶0175 全风化泥质粉砂岩 2410 20 80 18 - - 300 1∶0175 1∶110 强风化泥质粉砂岩 2413 45 100 28 - - 450 1∶015 1∶0175 中风化泥质粉砂岩 2519 100 200 32 - - 700 1∶0135 1∶015 土岩结合面 - - - 15 8 - - - - - 4　基坑稳定性评价及支护方案选择 西段边坡为土质坡 ,主要由第四系中更新统冲积 粉质粘土构成。由于老粘土是一种超固结土 ,在天然 埋藏条件下承受着很高的前期固结压力 ,一旦开挖暴 露 ,极易产生卸荷裂隙或干缩裂隙 ,若保护不当 ,易使 水体浸入裂隙 ,由于老粘土具遇水易崩解的特性 ,遇水 后土层抗剪强度将迅速下降 ,可能导致基坑失稳或增 加对支护结构的压力。 基坑东段边坡为双层结构 ,上部为粉质粘土 ,下部 基岩为志留系坟头群泥岩、泥质粉砂岩。志留系泥岩 是一种薄层状的泥质岩石 ,在地质历史上经受过强烈 的挤压褶皱作用 ,节理裂隙发育 ,开挖暴露后极易风 化、崩解、软化 ,不利于基坑稳定。岩层走向与车站长 轴方向夹角约 30°左右 ,基坑基岩边坡为斜向坡 ;上部 土层与下部全、强风化岩体接触带地下水稍丰 ,带内 岩、土层易软化 ,成为软弱结构带 ,边坡稳定性主要受 土 /岩结合带控制 ,易发生以接触带为剪出口的滑移破 坏或崩塌 ,并向后逐级退缩 ,产生由小到大的破坏。 根据基坑的岩土工程特性和武汉市同类工程经 验 ,基坑支护设计可考虑排桩 +支撑、放坡、喷锚、桩锚 等方案。 781增刊 张三定等 :地铁武汉站深基坑支护 不难发现 ,上述方案主要存在以下问题 : ①基坑东 段土岩结合面是一软弱结构面 ,主要控制着坑壁与坑 底的稳定性 ,放坡不易使该问题较好地解决 ; ②两级放 坡开挖与回填工程量较大。经初步估算 ,北坡放坡开 挖量为 415万 m3 ,南坡为 314万 m3 ,再加上回填工程 量 ,其耗费仍较大 ; ③放坡回填后 ,回填土的质量不可 能达到天然状态 ,将会遗留环境问题 ,如地表水下渗使 车站抗浮问题突出、大面积的不均匀沉降给周围环境 造成不利影响等 ; ④桩锚方案中 ,由于车站与武汉火车 站建筑物重叠 ,火车站部分附属建筑物对锚杆将会产 生影响 ,故不宜采用锚杆 ; ⑤对于桩撑方案 ,建议采用 嵌岩桩 ,桩端进入强风化带 1～2 m ,桩长一般 12～16 m。内撑应采用多层对撑 ,在基坑东段 ,其中一层对撑 建议置于土层与基岩结合部位 ,以防止桩体被剪断而 导致基坑破坏 ,其他对撑部位根据计算确定。由于场 地土层具弱膨胀潜势 ,遇水膨胀力较大 ,且水平向的膨 胀力较垂直向往往大很多 ,故桩撑支护设计时应充分 考虑老粘性土膨胀力的影响。此种支护结构虽较好地 解决了放坡方案存在的问题 ,但与放坡相比 ,其施工速 度较慢 ,工程造价也较高。 武汉站场地远离市区 ,基坑周围建筑物及管线甚 少 ,周边环境相对简单 ,可考虑采用明挖放坡施工。放 坡设计时应充分利用老粘性土边坡一定的自稳能力 , 可采取两级放坡 ,东段基坑上部土坡坡比取 1∶1,下部 基岩坡比取 1∶0175,西段基坑坡比取 1∶1,两侧中间设 115 m宽台阶 ,坡面采用挂网喷混凝土护坡 ,坡面设置 泄水孔。可根据土质情况适当调整坡率 ,尽量缩小放 坡范围避免涉及过多民房和鱼塘 ,同时减小土方开挖 量。根据预算 ,该支护方案的造价较之其它支护方案 节约费用 15% ～25% ,同时大大节约工期。 为防止边坡岩土体力学性能随暴露时间延长而降 低 ,在施工过程中应采取保护措施 ,如预留保护层、开 挖后及时封闭等 ,避免边坡稳定状况恶化。对于放坡 方案中土岩结合面易失稳的问题 ,建议加强施工地质 工作 ,及时采取挂网喷砼等措施对坡面进行保护 ,尤其 在基坑东段 ,应根据开挖揭露的结构面的性状及产状 , 分析其对坑壁稳定性的影响 ,采取局部锚固措施 ,如遇 局部垮塌 ,应及时采取回填反压等应急处理措施。 场地地下水水量不丰 ,基坑内多以散浸形式排泄 , 但土岩结合带易集中渗水 ,土岩结合面抗剪强度受地 下水影响较大 ,建议在基坑放坡平台、坑底设置排水沟 和集水井 ,基坑四周坡顶设截水沟、集水井 ,并及时进 行抽排 ,防止水体对基坑岩土体浸泡 ,最大程度维持原 土体和软弱带强度。 基坑开挖过程中必须坚持信息化施工 ,对边坡及 支护结构的位移及沉降 ,周边道路及邻近建筑物的变 形及沉降等进行监测 ,实时指导施工。基坑开挖后应 及时进行车站主体结构施工及土方回填 ,减少基坑暴 露时间 ,同时还应考虑回填区后期沉降较大带来的不 利影响 [ 2 ]。 5　结语 经过近一年的施工 ,本工程基坑开挖和支护已基 本形成。其间 ,曾因坡面封闭或排水不及时使雨水入 浸 ,致基坑东段局部沿土岩结合面产生几次小规模垮 塌 ,验证了此前对基坑的稳定性分析和可能的破坏模 式的判断。但同时 ,从变形监测分析 ,整个基坑是 安全稳定的 ,坡面位移 ,基坑四周沉降 ,坡面钢筋应力 等监测数据都在设计允许范围内 ,同时尚有一定变形 控制要求的余地 ,在今后同等施工条件下 ,可进一步挖 掘支护设计的潜力 ,从而降低造价。 相对于目前较为普遍的复合型深基坑支护方案 , 单一的放坡方案在武汉站深基坑的成功应用 ,不仅验 证了地质对深基坑地质结构、岩土工程性能及地下水 活动特征的正确认识 ,也体现了好的基坑支护设计方 案一定要与地质条件和环境保护等因素紧密结合 ,同 时在经济上大大节省建设成本。 参考文献 : [ 1 ]　程书斌 1层次分析法在深基坑支护方案优选中的应用 [ J ]. 中国 科技信息 , 2005, 12. [ 2 ]　DB42 /159—2004,基坑工程技术规程 [ S]. 881 资源环境与工程 　　 2008年