填海淤泥地层盖挖半逆作地铁地下停车场支护体系设计

彭 帅，张 驰，文彦鑫

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）

随着我国城市化建设的快速发展，越来越多的地下工程在填海淤泥地层中建造。由于填海淤泥地层为软弱地层，土层孔隙比大、含水量高、抗剪强度低、压缩性高、灵敏度高，对基坑围护结构的侧向约束能力弱，易导致基坑变形过大。同时，填海淤泥地层充填人工填块石层，地层均匀性差、块石粒径大、透水性强、自稳能力差，对基坑支护、桩基施工具有不利影响。如何在填海淤泥地层周边环境变形控制严格的条件下，保证地下工程的顺利实施，是需要解决的工程难点问题。

地铁地下停车场施工方法主要有明挖法和盖挖法2 种。明挖法施工是先开挖地面土体形成基坑，然后在基坑中修筑主体结构的一种地下工程施工方法。明挖法施工工序简单、技术成熟，在地铁地下停车场中广泛应用。盖挖法是在盖板及支护体系保护下，进行土方开挖、结构施工的一种地下工程施工方法，其中盖挖半逆作法是指结构顶板中的混凝土梁板兼作基坑水平支撑，完成围护结构及顶板后，分层开挖土方、架设支撑，从底板自下而上施工其余结构的施工方法[1]。由于逆作顶板与围护结构连接成整体，水平刚度比常规的支撑体系大大提高，可有效控制支护结构位移。同时逆作顶板可兼作施工场地使用，大大缩短施工工期。因此，盖挖半逆作法更适用于变形控制要求严格、施工场地条件受限的环境条件。深圳地铁13 号线内湖停车场是全国第一个位于填海淤泥地层的全地下地铁停车场，本文以内湖停车场为例，探讨填海淤泥地层盖挖半逆作地下结构水平支护体系设计的一些关键技术问题，相关经验可为类似工程提供参考和借鉴。

深圳地铁13 号线内湖停车场位于深圳湾总部基地，内湖人才公园下方，为兼车辆段功能的全地下1～2 层地铁地下停车场，结构长725 m，宽149 m，深12～15 m，总建筑面积约10.0 万m2，为亚洲最大的盖挖地铁地下停车场。地铁停车场东侧邻近沙河西路，西侧邻近科苑大道及深圳湾一号城市综合体，南侧邻近东滨路，北侧邻近人才公园（一期）及深圳湾内湖，平面图及实景图分别如图1、图2所示。

图1 内湖停车场平面图（单位：m）

图2 内湖停车场实景图

内湖停车场场地原为海积平原地貌，后经填海平整为陆地，地势较为平坦。基坑开挖地层从上至下主要为素填土（可塑状）、填碎石土、填块石、填砂、淤泥（软塑～流塑状）。地基持力层主要为淤泥（软塑～流塑状）、粉质黏土（可塑状），土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

在填海淤泥地层中采用盖挖半逆作法修建地铁地下停车场可借鉴的经验少，工程特点及技术难点主要包括以下几个方面。

（1）顶板兼作第一道支撑和永久顶板，保证填海淤泥地层开挖施工支护结构安全和周边环境安全的同时，还要为现场施工提供场地条件，满足施工和使用阶段的荷载要求，其设计需综合考虑诸多影响因素。

（2）填海淤泥地层中充填大量回填块石，围护结构和地基加固设计，需要考虑地下障碍物对施工的不利影响。

（3）盖挖半逆作施工，仅顶板逆作兼作基坑第一道水平支撑，末逆作施工中板。在深厚淤泥地层段，如何增设第二道支撑，是水平支撑设计的一大难点。

（4）竖向支承临时钢立柱兼永久柱，临时结构与永久结构如何可靠连接，在深厚软弱地层中如何保证桩基础承载力达到设计要求也是该工程一大难点。

4.1 总体方案

内湖停车场主体结构采用箱形框架结构、盖挖半逆作法施工。顶板及立柱逆作施工后，盖挖至基坑底顺筑施工侧墙、底板、中板及内部结构。基坑围护结构采用咬合桩支护，施工阶段竖向支撑构件采用钢格构柱，使用阶段主体结构中柱采用型钢混凝土柱（格构柱后浇混凝土），同时割除不需要的临时钢格构柱。代表结构横剖面如图3所示，地层-结构有限元计算模型如图4所示，主要施工步序如图5所示。

图3 代表结构横剖面图（单位：m）

图4 地层-结构有限元计算模型

图5 施工工序图

4.2 支护体系设计关键技术

4.2.1 围护结构选型

地下连续墙施工振动小、墙体刚度大，防渗性能好，既可作为基坑的侧向支护结构，也可作为逆作楼板的竖向承载结构。因此，盖挖法施工的围护结构若在软土地层中，可优先采用地下连续墙[1]。但由于本工程位于淤泥填海区，软弱淤泥层中存在大量填块石，现场开挖地层如图6、图7所示。填块石层埋深约0.0～19.0 m，揭露厚度0.6～15.3 m，块石粒径多为20～40 cm，最大粒径超过1.5 m。采用全套管全回转钻机成孔的同时具有良好的清障效果，适用于硬质地下障碍物密集的复杂地质条件[2]。因此，本工程围护结构推荐采用咬合式排桩支护、硬切割施工工艺，即在Ⅰ序桩混凝土初凝后进行Ⅱ序桩成孔作业，如图8所示。

图6 现场开挖淤泥地层

图7 现场开挖填块石地层

图8 咬合式排桩布置（单位：mm）

4.2.2 基坑加固措施

基坑开挖地层主要为淤泥，且基坑底部以下淤泥不利厚度可达9.5 m。当基底嵌固段淤泥不采取加固措施时，根据有限元数值模拟分析结果，计算地面最大沉降位移为44 mm，基坑内最大隆起位移为32 mm，围护结构最大水平位移为35 mm、最大弯矩为2 275 kN·m，不满足SJG 05-2011《深圳市基坑支护技术规范》中的变形控制要求[4]。

本工程采用双重管高压旋喷桩、三轴搅拌桩加固基坑嵌固段范围内淤泥，以提高土体的抗剪强度和侧向抗力。基坑内土体加固布置，如图9所示。含填块石土时，在地质钻引孔后，采用双重管高压旋喷桩加固；
无填块石土时，采用三轴搅拌桩加固。

图9 基坑加固布置图（单位：mm）

根据现场施工测试，采用三轴搅拌桩加固时，水泥掺量不小于150 kg/m；
高压旋喷桩加固时，水泥掺量不小于210 kg/m，可满足水泥土加固体28 天无侧限抗压强度不小于0.8 MPa 的设计要求。基底嵌固段淤泥加固后，结合地区经验，水泥土加固体强度取原始土体强度的4倍进行计算。根据有限元计算结果，地面最大沉降位移为16 mm，基坑内最大隆起位移为9 mm，围护结构最大水平位移为12 mm、桩身最大弯矩为1 428 kN·m，可满足SJG 05-2011《深圳市基坑支护技术规范》中的变形控制要求[4]。

4.2.3 水平支撑设计

（1）顶板逆作。顶板逆作兼围护水平支撑结构，顶板、顶梁应同时满足施工期间围护结构受力和使用期间主体结构受力要求。对于后期需要割除的临时立柱，应单独设置系梁以满足施工期间受力。

（2）模板体系。为减少淤泥地层沉降变形的不利影响，本工程采用开挖土层2.5 m、建渣夯实加固地基后，架设钢管支架浇筑顶板。

（3）斜撑设计。当开挖地层位于不利淤泥地段（淤泥厚度达15 m 时），需要增设第二道支撑。为方便施工，可将侧墙逆作至第二道支撑下方，并将钢斜撑与顶梁连接，以结构顶板自重和覆土压重来平衡支撑轴力，具体如图10、图11所示。

图10 水平斜撑设计图（单位：mm）

图11 现场水平斜撑图

通过数值模拟计算，不利淤泥段增设钢斜撑后，支护结构最大变形可由28 mm 减小为22 mm。

4.2.4 竖向支承设计

（1）边支座约束。内湖停车场围护结构为临时围护结构，同时兼作逆作顶板的竖向边支座。

（2）中支座约束。施工期间顶板中间支座采用临时钢格构柱，后期兼作型钢混凝土永久柱，钢格构柱采用一柱一桩形式。

由于该工程地质钻孔揭露60 m 深度范围末见中风化岩层，设计桩端持力层为全～强风化花岗岩（土状），为提高桩基竖向承载力，采用扩底桩设计，且预留桩底后注浆条件，当施工过程中监测立柱沉降超过20 mm时，启动桩端后注浆加固措施。中间立柱节点做法如图12所示。

图12 临时立柱与顶板连接大样图（单位：mm）

（1）环境保护指标。根据监测报告，实际施工过程中基坑边最大地表沉降为19.8 mm，围护结构最大水平变形为15.6 mm，钢格构柱最大沉降12.21 mm，顶板最大上浮3.0 mm，周边建筑最大沉降10.5 mm，周边管线最大沉降12.3 mm，均满足SJG 05-2011《深圳市基坑支护技术规范》中的变形控制要求[4]。

（2）进度经济指标。内湖停车场总建筑面积约10 万m2，从2019年9月桩基施工，至2021年6月主体结构竣工，总工期仅21 个月。逆作顶板为现场施工提供了宽阔的场地条件，与同条件的明挖顺作法工程对比，节约工期约6 个月。顶板逆作施工，无需设置后期拆除的混凝土支撑，方便施工的同时，也实现了节能减排，与同条件的明挖顺作法工程对比，节约工程造价约1 293 万元。

（3）社会效益指标。由于顶板逆作，支护结构采用楼板代替水平支撑，施工的安全度大大增加。此外，地下开挖在顶板的保护下实施，施工形象好、施工噪声小，实现了安全文明施工。

本文以内湖停车场为例，探讨填海淤泥地层盖挖半逆作地下结构水平支护体系设计的一些关键技术问题，总结主要工程设计经验如下。

（1）当填海淤泥地层基坑支护深度小于15 m、支撑数量不大于2 道时，采用盖挖半逆作法设计既可解决基坑变形引发的环境保护问题，又可减少工期和工程造价。

（2）盖挖半逆作地下工程位于填海淤泥地层，应考虑人工填碎石、填块石层对钻孔的不利影响，合理选择围护结构形式和基坑内土体加固措施。

（3）盖挖半逆作地下工程位于填海淤泥地层，建议开挖土层并加固地基后，架设钢管支架浇筑顶板，避免土模浇筑顶板导致施工沉降。支护结构可根据数值模拟计算结果，决定是否增设第二道钢斜撑设计，提高水平支护承载力。

（4）盖挖半逆作地下工程位于填海淤泥地层，临时立柱桩端持力层未遇岩层时，可在全～强风化花岗岩（土状）地层采用扩底桩设计并采用预埋桩端后注浆措施，提高桩基承载力、控制立柱沉降。