岩溶发育区软弱地基城市轨道交通隧道基础研究及应用

摘要：岩溶发育区的山地城市空间十分有限,修建完毕的城市轨道交通结构顶部回填土石方造地用于城市道路路面建设或绿化用地，达到集约化使用土地目的，本文研究了轨道交通区间隧道顶回填较高土石方造地后隧道基础的设计方案，对隧道底部地层内存在的软弱土层和溶洞、溶沟、溶槽、溶蚀裂隙等地基处理措施进行了设计分析，解决了隧道基底要求的高承载力、小工后沉降、施工速度快的难题。

关键词：岩溶、软弱地基、隧道、桩板结构

中图分类号：U45文献标识码： A

1、概述

贵阳龙洞堡国际机场作为贵州省重要的综合交通枢纽，是贵阳乃至全省的对外服务窗口，龙洞堡机场站是贵阳市域铁路东北环线与贵阳轨道交通2号线交汇的一个重要节点，同时也是轻轨、国铁及机场实现“零换乘”的重要换乘车站；车站地下一层设置为国铁与轻轨共用站厅层，地下二层为轻轨站台层，地下三层为国铁站台层，龙洞堡机场站建成后将成为高速铁路、城市轨道、航空客运紧密衔接的现代化交通枢纽。受地形因素制约及为避免重复建设、重复投资，在龙洞堡国际机场改扩建影响范围内，贵阳市轨道交通2号线土建结构工程须与机场扩建工程同步设计、同步开工、同步建设、同步建成。在影响范围内的轨道交通工程与其它工程的土建接驳关系复杂，施工作业面临边的其它工程的施工队伍多，施工场地狭窄，相互影响大，工期十分紧张。由于轨道交通线路采用地下线敷设方式，所经地段分布有厚度约1.5～40m的杂填土、粘土和三叠系下统罗楼组灰色薄层泥晶灰岩、灰岩，偶夹砾屑及瘤状灰岩、白云岩等可溶岩地层。地层内存在的软弱土层和溶洞、溶沟、溶槽、溶蚀裂隙等给隧道基础稳定带来较大影响，对这些地基所增加的施工处理时间阻碍了按期完成土建工程施工目标的实现，因此，系统性研究隧道结构基础方案及采用短施工时间的方案是完成目标工期，确保结构稳定、安全的关键所在。

2、工程地质

2.1、地形地貌

工程区位于鱼梁河右岸1～3km，属典型溶蚀残丘与溶蚀洼地相接地貌，场区整体地形较平缓，受原龙洞堡机场建设回填区的影响，局部地形高差较大，岩溶地貌特征明显。线路下穿既有机场停车场、机场消防队营房及机场路桥台。YDK33+500～YDK34+000段场区为地势相对低洼区回填形成，填方厚度达到5～40m，局部未回填区，基岩零星出露；

2.2、地层岩性

场区地层为第四系杂填土层（Qml）、第四系残坡积层（Qedl）、三叠系下统罗楼组（T1l1）地层。

杂填土（Qml）：为人工堆填、道路及房屋建筑过程中堆填形成的砖块、块石、碎石、混凝土块及粘土组成，结构松散～稍密，厚度1.5～40m；局部为垃圾土，如木材加工厂北侧斜坡，物质成分杂乱；

残坡积层（Qedl）：浅黄、黄色粘土夹少量碎块石，主要分布在洼地、溶槽及缓坡地带，厚度一般不超过10m。

三叠系下统罗楼组（T1l1）：为灰色薄层泥晶灰岩、灰岩，偶夹砾屑及瘤状灰岩、白云岩等，厚度大于100m。

2.3、地质构造

龙洞堡机场车站及其两端区间位于东西走向的黄泥哨正断层北侧，距离黄泥哨断层约2km；位于北东走向的北秧坪断层南西侧，距离北秧坪断层约500m。据地质测绘结合区域地质资料，区内未见较大构造发育，场区内岩层呈单斜构造，岩层产状SN/W，∠8～12°。

2.4、地震动参数

据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306-2001），工程区基岩水平地震动峰值加速度为0.05g，相应地震基本烈度Ⅵ度，地震动反应谱特征周期为0.35s。

2.5、地下水

线路工程影响范围内地下水埋藏较深。工程区地下水类型主要有孔隙水及基岩裂隙水两种类型，孔隙水主要赋存于第四系松散覆盖层内，主要接受大气降雨补给，局部为上层滞水，向下或向低洼地排泄，含水量不丰富；岩溶裂隙水主要赋存于可溶岩内，接受大气降雨及上层滞水补给，向地势较低处排泄。

3、隧道结构基础方案研究及应用

贵阳市轨道交通2号线龙洞堡机场站及相邻区间工程主体结构修建完成后均埋入机场工程影响范围的地下，明挖施工（或填方基础）的区间隧道顶部均需回填高约18～26m的土石层，现场局部低洼地段需要填筑的厚度高达25～34m，回填的土石层作为机场的绿化、地面道路用地，从而使轨道交通的主体结构形成永久性的地下车站和隧道工程。根据隧道顶部回填土石层的厚度、隧道顶和底设计标高、既有地面标高、无砟整体道床设置、轨道交通及地面道路的临时和永久性荷载等边界条件计算确定明挖施工（或填方基础）的区间隧道基础底所需地基承载力达500～600KPa，工后沉降需控制在15～20mm内。建设目标工期要求：2011年9月～2012年3完成机场北停车楼下轨道工程；2011年11月～2012年6月完成机场南停车楼下轨道工程；2011年11月～2012年12月完成快铁与轨道共用站厅的龙洞堡机场站工程；2011年12月～2012年12月完成龙洞堡机场改扩建影响范围内的轨道工程。

3.1、覆盖层薄、局部基岩出露地段

覆盖层薄、局部基岩出露地段隧道基底易处于岩、土地基交界部位，存在第四系覆盖层承载力低不能满足要求，而局部出露的岩体满足隧道基底承载力的要求现象，同时岩、土体变形模量差异较大，导致了地基强度、刚度不均匀，易使结构产生不均匀沉降。地基处理措施采用机械挖除浅表薄覆盖层、清除出露地表的石牙至完整基岩的方法，将隧道底部置于基岩处，施工速度快，满足工期要求。

3.2、充填或无充填粘土小型溶洞地段

场地内多处发现、半隐蔽式[1]的小型无充填或充填粘土的溶洞，个别溶洞跨径达到8m、竖向发育高度4～8m。这些地段地基易产生塌陷，充填的粘土承载力达不到设计要求，采用加固或改良充填粘土的措施所需时间长、效果差。对的小型无充填或充填粘土的溶洞采用清除洞内杂物、直接挖除充填粘土回填混凝土的方法简单易行；对半隐蔽式小型无充填或充填粘土的溶洞采取揭穿溶洞顶覆盖层、挖除充填的粘土回填片石混凝土或混凝土可达到满足设计承载力及控制沉降的要求。

图1充填或无充填溶洞地段措施横断面图

3.3、竖向溶蚀裂隙发育地段

YDK33+980～YDK35+010段地表即为基岩，该段发育垂直贯穿（东西向）轨道交通线路的数条溶蚀裂隙，裂隙向深部发育，深度以5～15m为主，宽度0.5～2.5m，无厅堂式的溶洞出现，裂隙内充填粘土及杂物。在短距离、宽度小的范围内发育的数条竖向溶蚀裂隙切割了岩体的完整性、削弱了岩体的承载能力、局部架空了隧道结构，从竖向裂隙的地质作用方面出发，主要考虑两个处理措施方案，一是压浆充满竖向溶蚀裂隙、补强浅表岩体、局部隧道结构底板同时考虑加强措施；二是补强浅表岩体、按局部跨越溶蚀裂隙计算整体加强隧道基底结构考虑措施方案。第一种方案中压浆充满竖向溶蚀裂隙存在许多不确定因素，如裂隙深部与其它溶蚀通道连通性、地下水对浆体的稀释和携带等，均对压浆充满竖向溶蚀裂隙方案带来较大风险，同时在不确定因素影响情况下施工工期长，难以满足目标工期的实现；第二种方案能排除竖向溶蚀裂隙不确定因素的影响，能满足目标工期要求。经过比选，采用方案二，主要措施为对出露溶口下部采用10～15cm的片石进行抛填回填，抛填至基底下3.0m采用C15片石砼进行封闭处理，溶洞处理完毕后对溶沟溶漕采用C20砼进行找平，隧道基础采用0.6m厚的C35钢筋混凝土板进行加固处理，板两端嵌入岩层。

图2 竖向溶蚀裂隙分布平面图

图3竖向溶蚀裂隙分布纵断面图

图4 钢筋混凝土板加固隧底结构图

3.4、深厚软弱土覆盖层地段

YDK34+026～+070段隧道全部置于新近回填土内，隧道采用明挖法施工，右侧边坡高约20～27m，左侧边坡高约3～13m；隧道主体结构底标高下分布有5～14深的可塑状黏土软弱土层，地基承载力仅达到120～180Kpa。该段线路右侧坡顶有其它工程施工的钢筋加工场地、临时工棚、临时施工便道、高架桥施工荷载等，边界条件复杂。对于在已有边坡高度达20～27m的情况下对隧道底以下软弱土层挖除采用换填措施，危及坡顶钢筋棚、施工便道、桥墩及自身施工安全，对深厚软弱土覆盖层地段隧道底基础设计方案提出研究了三个方案，方案一为改良软弱土层形成复合地基措施方案；方案二为坡脚设置支挡结构物后挖除软弱土换填硬质材料措施方案；方案三为设置隧道底桩板结构基础支撑上部荷载措施方案。

3.4.1、方案一

改良软弱土层形成复合地基方案。采用CFG桩、振冲挤密桩、水泥搅拌法等措施改良软弱土层的物理力学性质并同时形成复合地基，达到满足隧道底部对地基承载力和控制工后沉降要求。

3.4.2、方案二

坡脚设置支挡结构物后挖除软弱土换填硬质材料方案。在线路两侧坡脚各设置内支撑或锚拉围护桩，支挡软弱土体的侧压力，在基坑边坡得以稳定后挖除两侧围护桩范围内的软弱土层换填片石混凝土[2～3]。根据边界条件及地质情况，通过计算分析，边坡高度20m内采用1：1.25～1.5放坡+土钉喷混防护措施，余下约13.7m高度范围内设置内支撑或锚拉围护桩确保整个基坑边坡的稳定，桩顶土体不产生越桩滑移[4]。根据文献[5～7]结合现场实际计算分析设置在13.7m高度内的工程措施为围护桩桩径1.5m、间距2.5m，共设置36根桩；二～三排Φ609mm的钢管内支撑，共20根内支撑；或8Φ15.2mm钢绞线的二～三排预应力锚索，共20根预应力锚索；挖除软弱土层换填C15片石混凝土。

图5 内支撑围护桩方案横断面图

3.4.3、方案三

隧道底桩板结构基础方案。考虑线路左右线为独立的单管隧道，隧道断面宽度小、结构高度相对较矮，左右线桩板结构各独立设置，并按桩板结构和上部隧道结构共同作用进行分析计算，经过对横向两桩间距从4.3～5.3m的有限元结构受力分析比较中得出托梁顶面竖向应力在桩顶及附近区域明显集中，并向四周逐渐扩散，至跨中应力趋近于零，当横向桩间距在5m附近时桩基本以受压为主，对结构受力是有利的，桩主要承受轴力。在对结构受力验算时采用“代替框架法”原理将承台板划分为相互垂直的纵向及横向板带[8]，连同其下的桩基作为平面桁架结构进行计算。根据文献[9～10]有关规定，经计算分析后的桩板结构工程措施为桩基直径1.5m，共36根桩基，桩距纵横向间距均为5m，承载板高1.5m，桩基及承载板均为C35钢筋混凝土。

图6 桩板结构基础方案横断面图

图7 桩板结构基础方案纵断面图

3.3.4、方案比较

根据本段的地质条件、周边环境状况、施工工期等对各方案进行了详细比较，见下表。

表1 方案比较表

4、结语

贵阳市轨道交通2号线龙洞堡机场站及其相邻区间土建接驳工程从设计开始，认真研究沿线隧道底部软弱地基的特性，针对不同的软弱地基，系统性地分析了地基处理方案，从技术、经济、安全、施工工期等多方面比选地基基础设计方案，在施工过程中采用了本文研究的隧底基础设计方案，施工效果好、安全，并按建设目标工期的时间节点完成了该项目的所有工程内容，特别是深厚软弱层段由于场地移交原因，推迟了进场施工时间，导致工期非常紧张，采用的隧底桩板结构方案相对减少了施工程序，缩短了施工时间，施工安全度高，沉降控制满足要求。

参考文献

[1] 铁路工程技术手册--路基[M]，1995年3月第二版；

[2]龚晓南主编，地基处理手册[M]，2008年6月第三版；

[3]建筑地基处理技术规范[S]，中国建筑工业出版社，2012；

[4]建筑基坑支护技术规程[S]，中国建筑工业出版社，2012；

[5]闫莫明、徐祯祥、苏自约主编，岩土锚固技术手册[M]，第4章预应力锚索，2004年5月第1版，人民交通出版社；

[6]陈发达，岩土工程中的预应力锚索设计[j]，《路基工程》2005年第3期；

[7]龚晓南主编、高有潮副主编，深基坑工程设计施工手册[M]，1998年7月第一版；

[8]李楚根、唐第甲，渝利铁路桥改隧工程隧道基础桩板结构有限元分析与设计[j]，路基工程，2011年第3期；

[9]建筑桩基技术规范[S]，中国建筑工业出版社，2008；

[10]混凝土结构设计规范[S]，中国建筑工业出版社，2010；