上软下硬富水灰岩地层中板墙结合点加固

施冠洲

(1.江苏省有色金属华东地质勘查局八0五队，江苏 南京 210001;2.江苏华东建设基础工程有限公司，江苏 南京 210007)

1 概述

随着城市发展，人口逐渐向城市聚集，人民群众对地下空间的需求日益增加，地下商场、停车场、地铁车站等都成为了群众日常生活中必不可少的部分。地铁车站在地下施工时，尽管从设计阶段就考虑了施工中的种种因素，但由于地下各种因素的不确定性和现场施工的偏差，可能导致地下结构在施工中无法满足既定设计蓝图的要求，从而存在结构安全风险，因此须根据施工现场情况，及时加固结构，保证结构安全。

以某地铁车站地下结构为例，分析了上软下硬富水灰岩地层结构板墙结合处超出设计要求的原因，提出了加固措施及后续预防措施，为在类似地层上述问题的处理提供了具有实际操作性的借鉴经验。

2 工程概况

2.1 设计概况

某地铁车站总长度为155 m，标准段外轮廓宽度为23.1 m，基坑深度26 m，为地下3层双跨钢筋混凝土箱型框架结构，顶、中、底板与中柱、墙形成一闭合框架，顶、中、底板设计为梁板体系。底板厚1 200 mm，-1层、-2层侧墙厚700 mm，-3层侧墙厚度900 mm(见图1)。围护结构采用φ1 000@1 200 mm旋挖灌注桩，全包止水采用φ850@600 mm三轴搅拌桩，局部采用φ600@450 mm双管旋喷桩，共设3道支撑，第1道支撑采用混凝土支撑，第2道、第3道支撑采用钢支撑，规格为Ф609，t=16 mm。车站侧墙与围护结构间设置柔性外包防水层，采用复合式结构[1-2]。

2.2 工程地质条件

根据岩土工程勘察报告，结构范围内涉及的岩土层自上而下为：

人工填土层：主要由碎石、黏性土夹建筑垃圾等组成，均匀性较差。

素填土：灰褐、灰白等色，稍压实状态为主，主要由粉质黏土、砂土等回填而成，夹碎石块等，均匀性较差，浅表层多为混凝土地面。

粉细砂层：灰白色、浅灰色，饱和，稍密为主，含黏性土，局部含中粗砂和粉质黏土等，级配较好。

粉质黏土层：褐黄、褐红等色，硬塑，黏性较差，含有较多砂粒。分布在场地的西侧中部。

沉积淤泥质土：深灰色，软塑，主要由粉黏粒及有机质组成，具腥臭味。

泥质粉砂岩强风化层：灰褐色，砂质结构，层状构造，泥质、钙质胶结，风化强烈，岩石结构破坏严重，岩心呈坚硬土状、半岩半土状，岩质较软，岩块敲击易碎，局部手折易断，遇水易软化，风化不均，夹有少量中风化岩块，岩体破碎。

石灰岩强风化带：灰黑色，灰褐色，隐晶质结构，中厚层状构造，原岩风化强烈，岩石结构破坏严重，炭质含量较高，岩芯呈半岩半土状或碎块状，局部风化不均，夹有中风化灰岩，岩块手捏易碎，土状者遇水易软化崩解。

石灰岩中等风化带：灰色，灰黑色隐晶质结构，中厚层～厚层状构造，节理裂隙稍发育，裂隙面可见方解石发育，矿物成分基本未变化，岩芯呈3 cm～20 cm柱状，碎块状，RQD=7%～40%,个别为孔RQD达到89%左右，岩质较硬，锤击声脆，局部含炭质。该层岩石饱和状态岩石抗压强度平均值为47.62 MPa，为较硬岩，局部强度较高，饱和状态岩石抗压强度最大值为66 MPa。

石灰岩微风化带：灰黑色，灰白色，隐晶质结构，中厚层～厚层状构造，裂隙面见方解石充填，节理发育，岩芯较破碎，呈短柱状、长柱状、块状，节长3 cm～30 cm，RQD=37%～85%，岩质较硬，锤击声脆，局部含炭质，有少许溶蚀现象。该层岩石饱和状态岩石抗压强度标准值为61.43 MPa，为坚硬岩，局部强度较高，饱和状态岩石抗压强度最大值为122 MPa。

该地铁车站场地初见地下水位埋深为1.00 m～5.20 m，标高为6.92 m～11.87 m，稳定水位埋深为1.20 m～6.00 m，标高为6.12 m～11.65 m。发育潜水、承压水，潜水受大气降水补给，与地表水具有密切的水力联系；另外，若在场地抽取地下水，致使地下水的水力平衡关系发生改变，地下水会发生相互越流补给或排泄。

很显然，场地地层地下水埋深浅，含水丰富，地层上软下硬且发育强透水层，灰岩层岩面起伏大，围护桩和主体结构施工质量把控难。

3 结构施工问题及原因分析

3.1 施工总流程

施工内容主要包括围护结构施工、土方开挖和主体结构施工，围护结构为直径1 m灌注桩，采用旋挖钻机成孔，成孔深度27 m，混凝土为P8，C35；上部地层土方开挖采用挖机开挖，下部土方岩层逐渐变硬，采用炮机破除，局部采用静态爆破破除。开挖过程中基坑降水以管井降水为主，排水沟明排为辅。本基坑采用双排降水井(共15口)进行降水，降水井间距20 m，梅花形布置，管井钻孔直径1 m，井管直径0.6 m。地铁车站施工总流程如图2所示。

3.2 施工问题及原因分析

土方开挖完成后，在绑扎完第一块底板及板墙结合处钢筋后，验收过程中发现-3层5 m高度范围内的侧墙和板墙结合处结构尺寸较蓝图设计的厚度900 mm整体薄200 mm(见图1)。现场在基坑开挖过程中发现，基坑东、西两侧围护桩整体向东倾斜，垂直度偏差超过1.2%，超过设计要求的0.5%。由于围护桩倾斜，围护结构侵入-3层空间，在凿除部分侵入桩身结构后，桩主筋外露，为保证基坑安全，无法继续凿除。因此导致-3层板墙结合处及部分侧墙结构尺寸无法满足设计要求。该项目出现上述问题的原因分析如下：

1)该项目所在地层存在泥质粉砂岩强风化层、石灰岩强风化带、石灰岩中等风化带、石灰岩微风化带，岩石坚硬程度属较硬岩，岩层标高变化差异较大，不易击碎，如钻孔灌注桩穿透中风化石灰岩12.2 m，强度达到66 MPa，旋挖成孔难度极大。

2)地层上软下硬，且进入灰岩后岩面存在起伏，同时旋挖钻桅杆接口松动，定位后下钻前仪器显示没问题，但在下钻过程中，遇到硬岩后，桅杆钻头往设备对立一面偏移，从而引起桩孔偏移。

3)现场场平标高变化较大，地面存在坡度，旋挖钻机就位过程中未保证平稳牢固，同时旋挖机手经验不足，对地层情况把控不清晰，入岩后加压手法和力度控制不当，导致桩孔偏移。

4)施工队伍测量把控不严，基坑开挖过程中未能精确掌握围护结构偏移情况，为后续施工提供依据。

5)施工队伍技术水平较低，安全质量意识不强，未能清晰的认识板墙结构变薄后存在的风险，盲目按图施工，生搬硬套进行钢筋绑扎，为后续方案调整带来了新的麻烦。

4 加固措施及后续预防措施

侧墙和板墙结合处达不到设计要求的范围内，地层上软下硬，地下水位埋深浅，结构底板受到的浮力和侧墙受到的侧向水压力在板墙结构处集中，板墙结合处受力复杂，结构安全存在较大风险。

4.1 加固措施

该结构为3层结构，-1层、-2层侧墙厚700 mm，因地下水埋深较浅、基坑较深，为保证结构安全，-3层侧墙墙厚设计为900 mm，底板厚1 200 mm，板墙结合处原设计配筋为28@150 mm+28@150 mm(底板锚入)+22@150 mm(第二排附加筋)，底板下缘钢筋锚入侧墙2 000 mm，侧墙外缘钢筋锚入底板3 500 mm(见图3)。

为了保证结构质量安全，保证结构板墙结合处受力，从设计和施工两个方面对现有问题进行分析并提出措施。

设计措施如下：

1)对于已按原设计进行钢筋绑扎的底板，无法通过调整钢筋直径的方式加强节点受力，采取通过增加附加筋的形式对板墙结合处进行加固，具体调整情况如下：调整为28@150 mm+28@150 mm(底板锚入)+22@150 mm(第二排附加筋)+25@150 mm(第三排附加筋)，即在已经绑扎好的钢筋内增加一排直径25 mm间距150 mm的附加筋。

2)由于桩身倾斜，随着结构往上施工，围护桩侵入主体结构的范围逐渐减小，同时可通过适当凿除围护桩保护层的方式，保证侧墙厚度，外侧钢筋按照1∶6的斜率逐渐过渡至原设计方案位置。其他段若还有侵限情况，建议先凿除侵限部分，保证侧墙厚度，再下料钢筋施工。

3)对于未绑扎钢筋的底板，在能够保证基坑安全的情况下，优先采取通过凿除围护结构保护层的方式保证侧墙厚度。当凿除后仍无法满足侧墙厚度要求时，通过调整钢筋直径的方式对结构进行加固，具体调整情况如下：32@150 mm+32@150 mm(底板锚入)+25@150 mm(第二排附加筋)，即将原来直径28 mm的钢筋调整为32 mm、直径22 mm的钢筋调整为25 mm，同时保持钢筋数量和间距不变[3-5]。

施工措施如下：

1)对于已按原设计进行钢筋绑扎的底板，由于第三排附加钢筋须在第二排钢筋内侧，同时钢筋锚入侧墙2 000 mm，侧墙外缘钢筋锚入底板3 500 mm，如采用成型钢筋无法穿过已绑扎的钢筋进行施工，不具备可操作性。现通过在弯锚钢筋中设至螺栓套筒接头的方式进行钢筋下料和绑扎，螺纹套筒须采用一级套筒，套筒位置在考虑下料方便的前提下宜相互错开。

2)对于未绑扎钢筋的底板，在凿除围护结构保护层过程中不得破坏桩身，影响围护结构受力。凿除过程中，应加强基坑监测，动态关注支撑轴力和地表沉降等重要指标的变化量。当凿除后仍无法满足侧墙厚度要求时，应严格按设计要求调整钢筋直径，控制钢筋间距，确保板墙结构受力安全[6-8]。

采用上述措施后完成了主体结构的施工，车站质量顺利验收，验证了上述措施的可行性。

4.2 预防措施

为防止后续类似工程出现相同问题，针对上软下硬富水灰岩地层地下结构的施工问题，可采取如下措施：

1)施工灌注桩时，需保证场地平整，做好设备维保，确保旋挖钻桅杆接口未出现松动，成孔前根据地层做好机手培训，成孔后可使用超声波成孔质量检测仪检测桩孔垂直度。

2)适当增加围护结构外放量。

3)进入起伏岩面成孔中垂直度控制困难时，加长筒钻的方式保证成孔垂直度。

4)开挖过程中要定期对围护桩位置进行测量，动态掌握围护桩垂直度和侵线情况，为后续施工判断提供数据基础。同时开挖过程中应做好降水，确保水位位于开挖面底50 cm。当围护结构凿除量过多时，应加密基坑监测，确保基坑安全。

5)当出现板墙结合处侧墙变薄的情况下，切忌盲目按图纸绑扎底板钢筋，通过与设计沟通核算后，采用增加钢筋直径的方式调整为最佳[9-10]。

5 结论

1)在富水地层中板墙结合部位，结构底板受到的浮力和侧墙受到的侧向水压力在板墙结构处集中，板墙结合处受力复杂，结构必须严格按照设计要求进行施工，否则结构安全存在较大风险。

2)在上软下硬富水灰岩地层中旋挖成孔垂直控制难，须采取针对性的措施保证成孔垂直度，成孔前确保旋挖钻桅杆接口未出现松动，成孔后可使用超声波成孔质量检测仪检测桩孔垂直度。

3)当板墙结合节点因围护结构侵入无法保证设计要求厚度时，可通过加大板墙结合节点钢筋直径的方式对板墙结合节点进行加固，确保结构受力。

4)当板墙结合节点因围护结构侵入无法保证设计要求厚度时，同时现场又已按原设计绑扎钢筋时，可通过增加附加筋的方式对板墙节点进行加固。为实现施工，弯锚钢筋通过一级套筒的方式分段连接。