馬宏建
(中鐵隧道集團有限公司天津工程指揮部,天津 300161)
隨著國內(nèi)基本建設(shè)的不斷發(fā)展、城市地下空間開發(fā)和高層建筑的大量建設(shè),基坑工程日益增多,基坑三維尺寸和規(guī)模在不斷增大。南水北調(diào)穿黃工程盾構(gòu)豎井基坑深度超過70 m[1],上海地鐵4號線董家渡修復(fù)基坑深度達到41.2 m[2],上海鐵路樞紐南站北廣場基坑面積達到40 000 m2[3],某城際鐵路工程地下車站基坑尺寸達到943 m(長)×52.4 m(寬)×20.2 m(深)[4],隨著基坑尺寸和規(guī)模的增大,施工難度和風(fēng)險也越來越高。已建大體量基坑雖然較多,但縱穿城市中心區(qū)、全長近鄰鐵路營業(yè)主干線的超大規(guī)模深基坑在國內(nèi)還沒有先例,相應(yīng)條件下施工技術(shù)方案、風(fēng)險控制措施還沒有儲備,施工經(jīng)驗較少。京石客專石家莊六線隧道是第一條鐵路穿城入地工程,隧道的施工使石家莊市被運營鐵路一分為二、東西阻塞的格局成為歷史。隧道長4 980 m,隧道進出口相連的明挖路塹基坑共長1 020 m,除下穿石太聯(lián)絡(luò)線鐵路暗挖段80 m、下穿和平路等3個市政路口蓋挖段208 m共4個斷點外,其他均為明挖法施工,而蓋挖段頂板封頂及暗挖段貫通后基坑也全部實現(xiàn)連通,基坑總長度達到6 000 m;如以暗挖段分界,兩側(cè)基坑長度也分別達到5 120 m和800 m,均屬于超長基坑(槽)。隧道標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度40.5 m,基坑深度最深達到22 m,基坑總體量達到374萬m3,隧道全長近距離側(cè)穿正在運行的京廣線,既有鐵路運營線側(cè)穿如此超大體量深基坑國內(nèi)外還沒有先例,在保證工程施工自身安全的基礎(chǔ)上,不能因施工對營業(yè)線運營安全產(chǎn)生任何不良影響,施工風(fēng)險和難度很大。本文研究和介紹了該工程圍護結(jié)構(gòu)及基坑施工關(guān)鍵技術(shù),以期為類似近接鐵路超大規(guī)模深基坑工程設(shè)計和施工提供參考。
石家莊六線隧道為京石客運專線重點控制工程。隧道地處石家莊市二環(huán)內(nèi),穿越市中心地帶,北起石紡路,南至槐安東路,與既有京廣鐵路基本并行,是國內(nèi)第一條鐵路穿城入地多線隧道。沿線2處下穿鐵路營業(yè)線分別為石太直通線和石德正線,3次下穿市政主干道分別為和平路、中山路和裕華路,周邊企事業(yè)單位眾多,建筑物構(gòu)成復(fù)雜。隧道地理位置如圖1所示。
圖1 六線隧道地理位置圖Fig.1 Location of Shijiazhuang 6-track tunnel
在隧道施工期間西側(cè)既有京廣線、既有石德正線、既有石德聯(lián)絡(luò)線等需繼續(xù)運營。隧道基坑邊緣離京廣線路肩最小距離5.1 m,與營業(yè)線距離小于20 m區(qū)段占到全線長度的58%。圖2為基坑與營業(yè)線位置關(guān)系。
圖2 六線隧道與營業(yè)線位置關(guān)系Fig.2 Relationship between Shijiazhuang 6-track tunnel and operating railway
六線并行,線路從左至右(面向北京)依次為改建京廣線、新建京石客專和石青客專,均為雙線隧道,隧道斷面如圖3所示,京石客專速度目標(biāo)值350 km/h,石太聯(lián)絡(luò)線引入部分局部形成七線。隧道全長4 980 m,兩端路塹挖方路基1 020 m。
下穿既有石太直通線段80 m采用暗挖法施工,除下穿3個市政主干道段共208 m采用蓋挖法外,其余段落均采用明挖法施工。結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計以3跨圓拱直墻為主,局部采用4~6跨圓拱直墻,淺覆土段采用平頂框架結(jié)構(gòu),基坑開挖寬度30~52 m,深度8.5~27 m。
圖3 六線隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位:cm)Fig.3 Standard cross-section of Shijiazhuang 6-track tunnel(cm)
沿線表覆第四系地層,包括全新統(tǒng)人工填土層(Qml)、全新統(tǒng)沖洪積層()及上更新統(tǒng)沖洪積層()。從上至下依次為雜填土、新黃土、砂類土和卵石類土等。地下水水位埋深45~50 m,均位于結(jié)構(gòu)底板以下。
明挖段根據(jù)基坑與營業(yè)線距離劃分為一級基坑和二級基坑。其中,隧道結(jié)構(gòu)外輪廓線與既有線路基邊緣凈距≤0.75 H(H為基坑開挖深度)為一級基坑,采用φ1.2 m@1.8 m鉆孔灌注樁作為圍護樁,基坑上部設(shè)1~2排鋼筋混凝土橫向支撐,下部采用3~5排預(yù)應(yīng)力錨索支護體系;其余明挖段為二級基坑,采用φ1 m@1.5 m鉆孔灌注樁加3~6排預(yù)應(yīng)力錨索,基坑上部3 m采取土釘墻放坡,一級、二級基坑型式如圖4所示。
工程實踐證明,分塊施工是解決超大基坑施工進度問題的有效途徑[5]。由于基坑規(guī)模過大,總體施工方案采取化整為零、分段組織施工,根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件、道路交通情況及施工方法等約束條件,六線隧道施工組織共劃分為21個施工區(qū)段,最長段長450 m,隧道段落劃分如圖5所示。
2.1.1 基坑圍護結(jié)構(gòu)
2.1.1.1 鉆孔樁
本工程鉆孔樁總數(shù)達7 456根,營業(yè)線一側(cè)鉆孔樁約3 500根,鉆孔樁長度最大為34.2 m,長度為25~30 m。靠近營業(yè)線一側(cè)任何一根鉆孔樁施工過程如果在鋼筋籠吊裝、鉆機走行或成孔作業(yè)時發(fā)生鋼筋籠脫滑失控、鉆機傾覆都將造成營業(yè)線事故,輕則侵限停車,嚴(yán)重時可能刮碰、砸傷運營車輛,造成人員和國家財產(chǎn)損失以及嚴(yán)重社會影響。
為確保鉆孔樁施工過程安全,首先對成孔設(shè)備進行了比選。二級基坑優(yōu)先選擇行走能力強、底盤配置量大的旋挖鉆機成孔,為避免地表軟弱土體承載能力低造成鉆機傾覆,采取回填石碴硬化措施;一級基坑由于距離營業(yè)線過近,旋挖鉆機機架高大,對營業(yè)線威脅大,不宜使用。經(jīng)比選使用正循環(huán)鉆機成孔,循環(huán)鉆機應(yīng)用范圍廣,適應(yīng)能力強[6],鉆機高度6~7 m,即使傾覆也不至于進入營業(yè)線范圍。對少量距離營業(yè)線距離不足12 m的鉆孔樁,優(yōu)化為限制使用挖孔樁施工。
圖5 隧道施工段落劃分示意圖Fig.5 Construction sections
鋼筋籠在遠離營業(yè)線一側(cè)采取整節(jié)吊裝,靠近營業(yè)線一側(cè)根據(jù)距離營業(yè)線位置關(guān)系采取2~3節(jié)分節(jié)吊裝、機械連接接頭、孔口連接的措施,降低鋼筋籠吊裝作業(yè)風(fēng)險。
2.1.1.2 錨索
六線隧道地質(zhì)以砂性土為主,在錨索成孔過程中易發(fā)生塌孔,鉆機出土量大于鉆頭切削數(shù)量,造成地層土體流失,如流失量不加以控制,將逐漸向上松馳塌落最終反映到地表,造成鐵路路基沉降,影響行車安全。
錨索施工前分別核對各區(qū)段地質(zhì)詳勘報告和鉆孔樁成孔記錄,分析地層特點,并在實際成孔中校驗調(diào)整,對易塌孔地段采取跟管鉆機全跟管鉆進,控制水土流失量。成孔后第一時間下錨索和注漿,防止長時間停置造成孔壁失穩(wěn)。注漿采用二次注漿工藝,在一次注漿填充滿錨索孔的前提下,二次注漿采取高壓注漿,既要補償一次注漿體的收縮,同時實現(xiàn)對周圍土體形成一定的擴散,達到劈裂注漿的效果,注漿壓力為2~5 MPa。
2.1.1.3 土釘墻和樁間網(wǎng)噴混凝土
二級基坑上部3 m為土釘墻,土釘采用φ 22鋼筋,長度5 m,采用螺旋鉆或洛陽鏟成孔。鉆孔樁樁間設(shè)網(wǎng)噴混凝土支護,樁間支護隨土方隨挖隨支,每次支護高度2~2.5 m,為錨索施工提供條件。兩者使用的設(shè)備功率和尺寸均較小,對營業(yè)線影響較小。過程控制以及時支護為主,開挖后盡快施作土釘墻和網(wǎng)噴混凝土,減少土體暴露時間。
2.1.1.4 內(nèi)支撐
為控制一級基坑變形量,減少營業(yè)線位移和沉降,基坑需采用抗變形能力好的內(nèi)支撐體系,經(jīng)設(shè)計計算,采用鋼支撐方案能夠滿足安全性要求[7]。然而,根據(jù)實際情況,距營業(yè)線過近架設(shè)鋼支撐困難,只能在基坑遠離營業(yè)線側(cè)置重型吊車起吊拼裝,但易發(fā)生傾覆、側(cè)翻或操作失控,存在侵限風(fēng)險;結(jié)合現(xiàn)有鋼支撐尺寸偏差、拼裝精度、倒用或轉(zhuǎn)場碰撞變形以及圍護樁平整度等因素,即使施作中間格構(gòu)柱,也容易發(fā)生鋼支撐失穩(wěn)崩落,進而危及營業(yè)線安全。同時,3.8萬t鋼支撐即使倒用也需要2萬t,在國內(nèi)基坑工程數(shù)量快速增長的情況下,多數(shù)需要加工,鋼支撐方案經(jīng)濟性上優(yōu)勢也不明顯。根據(jù)風(fēng)險管理控制設(shè)計階段高于施工階段的原則[8],在開工前設(shè)計優(yōu)化為混凝土支撐方案,降低了工程風(fēng)險。
2.1.2 基坑開挖
基坑開挖階段重點防范基坑圍護結(jié)構(gòu)失穩(wěn),并避免出現(xiàn)較大的周邊環(huán)境沉降,施工中遵循“分層、分步、對稱、平衡、限時”要點,按照“縱向分段、豎向分層、從上至下、平衡開挖”的原則組織施工?;娱_挖方向根據(jù)現(xiàn)場拆遷及模板臺車行走方向確定,縱向形成臺階放坡開挖,每臺階布置2臺挖掘機倒退式開挖;豎向按照錨索及混凝土支撐的位置從上至下分層進行;橫向開挖兩側(cè)土體后施作錨索支護,基坑中間留馬道,供土方車輛出入基坑。各層開挖至相應(yīng)排錨索以下0.5~1 m(或是混凝土支撐下表面墊層高度)時停止開挖,進行錨索(或混凝土撐)施工。土方開挖形式如圖6所示。
圖6 基坑土方開挖Fig.6 Soil cutting of foundation pit
土方開挖施工過程應(yīng)加強監(jiān)控量測,并根據(jù)反饋的監(jiān)測信息合理調(diào)整施工進度。
由于基坑西側(cè)均為京廣線,不具備起吊作業(yè)條件,因此,材料等吊運作業(yè)主要依靠基坑?xùn)|側(cè)場地。結(jié)合基坑線性特點,基坑材料吊運以走行式大跨門吊為主,個別地點如斷面寬度變化大的部位安裝塔吊,零星材料使用吊車配合?;哟罂玳T吊如圖7所示。門吊跨度為基坑跨度+1 m。
圖7 上跨基坑門吊Fig.7 Gantry crane crossing foundation pit
由于受太行山麓影響,石家莊市有夏季雨量分布不均的特點,易出現(xiàn)集中降雨情況,短時間降水量過大,石家莊市政排水設(shè)施不足以快速疏排,地面出現(xiàn)大范圍積水,常見多個框構(gòu)橋積水?dāng)嘟?。六線隧道穿過的市政路口均為地道口,是地面水匯集點,基坑土體以砂性土為主,遇水浸泡沖刷易發(fā)生坍塌,進而影響營業(yè)線安全。防止雨季水淹基坑造成基坑事故是六線隧道防汛工作的重點。
雨季防汛的原則是:外攔截,內(nèi)引排,應(yīng)急有準(zhǔn)備;早封閉,緩坡度,重點防流失。防汛組織上遵循分區(qū)域管理的原則,各段統(tǒng)一安排,分別組織,各成獨立系統(tǒng)。
1)外水不內(nèi)流。要通過采取有效措施確保各封閉區(qū)域以外的地表水不流入施工區(qū)域,鎖定收水面積,避免場地外水流入增大各段防汛壓力,措施有砌筑截水墻、排水溝,基坑邊設(shè)擋水埝,基坑?xùn)|西兩側(cè)15 m范圍內(nèi)的場地進行平整并采用20 cm厚C25混凝土硬化,并完善排水設(shè)施,確保雨季排水順暢和基坑安全。營業(yè)線側(cè)排水防汛措施如圖8所示。
圖8 臨近營業(yè)線側(cè)排水設(shè)施詳圖Fig.8 Detail of drainage facilities of foundation pit on the side adjacent to the operating railway
2)坑內(nèi)少流失。堅持重堵輕排的原則,由于基坑開挖深度范圍內(nèi)以砂類土為主,需防止抽排水引起基坑內(nèi)邊坡或樁側(cè)水土流失嚴(yán)重,造成大的沖溝、坍塌或基底擾動,引發(fā)基坑事故。對開挖形成的縱坡,要求坡度1∶1,大雨前對坡面采用防水篷布覆蓋,防止雨水?dāng)y帶走泥砂,造成沖溝或滑坡,并利于雨后迅速恢復(fù)施工。
3)樁壁無裸露。減少一次開挖樁側(cè)側(cè)壁裸露面積,大雨前基坑兩側(cè)側(cè)壁及時網(wǎng)噴混凝土封閉,以防樁間土體坍塌,波及圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)土體,基坑開挖到底后及時封閉。
4)應(yīng)急有準(zhǔn)備。做好應(yīng)急預(yù)案、演練和應(yīng)急物資的準(zhǔn)備,以應(yīng)對極端惡劣的天氣情況。
六線隧道開展標(biāo)準(zhǔn)化施工,投入專項資金建立信息化管理系統(tǒng)(如圖9所示),規(guī)范4個工廠化作業(yè)點面,延伸管理手段,全面掌控各生產(chǎn)要素,實現(xiàn)了安全生產(chǎn),被鐵道部確定為全路四個標(biāo)準(zhǔn)化樣板管理項目之一。
圖9 監(jiān)控系統(tǒng)Fig.9 Monitoring system
1)開發(fā)安全風(fēng)險信息管理系統(tǒng)。目前各地結(jié)合地質(zhì)和環(huán)境特點,分別建立了監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),如寧波[9]。結(jié)合各地經(jīng)驗,六線隧道通過建立變形控制標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)警管理程序,動態(tài)與靜態(tài)采集監(jiān)測數(shù)據(jù),超過預(yù)警值和報警值的監(jiān)測點分別用橙色和紅色顯示在電子地圖上,對超限數(shù)據(jù)報警,實現(xiàn)建設(shè)、監(jiān)理、設(shè)計等各方聯(lián)動監(jiān)控。暗挖和一級基坑段采用分布式光纖等監(jiān)測手段,實現(xiàn)對地層及圍護結(jié)構(gòu)的高密度高頻度自動監(jiān)測,沿光纖長度監(jiān)測點最小間距5 cm,數(shù)據(jù)自動采集最小時間間隔20 min。系統(tǒng)增加了參建各方遠程、實時對工程風(fēng)險分段評估功能,系統(tǒng)結(jié)合各方定性評價和監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合評估,并按低度、中度、高度和極高4個等級分段判定工程風(fēng)險,對風(fēng)險等級為高度及以上的風(fēng)險提示相應(yīng)的管理措施。評估結(jié)果顯示實時評估出的風(fēng)險概率、等級、主要風(fēng)險點、風(fēng)險時間曲線和建議性管理措施。結(jié)合安全風(fēng)險信息管理預(yù)警系統(tǒng),現(xiàn)場制定了配套的預(yù)警反應(yīng)機制。
2)建立紅外防侵入系統(tǒng),確保既有線安全。沿京廣線一側(cè)設(shè)安全警戒線,在警戒線位置分段編號安裝紅外監(jiān)控裝置,在施工現(xiàn)場和集成監(jiān)控室分別設(shè)置報警器,一旦人員或設(shè)備“侵限”,2處同時發(fā)出安全警報,有效預(yù)防安全事故的發(fā)生。
3)建立視頻和門禁系統(tǒng),實現(xiàn)施工秩序可控。廣泛吸收市政工程管理經(jīng)驗,在圍檔和門衛(wèi)看守的基礎(chǔ)上,嚴(yán)格分開生產(chǎn)區(qū)和生活區(qū),施工區(qū)全部安裝刷卡通行的門禁系統(tǒng),將所有管理人員和施工人員的個人資料作成磁卡,通過刷卡通道自動打開,并在集成監(jiān)控室的顯示屏上顯示通行情況和個人資料。為了確?,F(xiàn)場每一個段落和角落都在監(jiān)控范圍之內(nèi),在施工區(qū)段的基坑兩側(cè)間隔150~200 m安裝一套攝像機,圖像全部在集成監(jiān)控室顯示,而且可以自動存儲數(shù)據(jù)信息半個月,既確保了施工場地的安全有序,也可以監(jiān)控現(xiàn)場資源配置及施工情況。
項目最早進場段開工時間為2009年5月8日,全線于2010年初開始大規(guī)模施工,為滿足京石全線開通時間要求,于2011年3月底六線隧道主體完成。
隧道整個施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示,隧道施工過程基坑安全,最大位移和變形均控制在設(shè)計允許范圍內(nèi)。
表1 隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Statistics of monitoring data
石家莊六線隧道已順利完成主體結(jié)構(gòu)的施工,本工程的順利實施為臨近既有線條件下的深基坑設(shè)計與施工積累了以下幾點經(jīng)驗。
1)通過嚴(yán)格的施工管理,營業(yè)線側(cè)實施大體量或大規(guī)模基坑施工是可行的,通過全過程全方位風(fēng)險管理,營業(yè)線位移和沉降可以控制在允許范圍內(nèi)。
2)大體量深基坑圍護結(jié)構(gòu)及支撐體系設(shè)計和施工方案對工程安全及營業(yè)線安全影響至關(guān)重要,必須結(jié)合工程特點和地質(zhì)條件比選安全可靠的圍護結(jié)構(gòu)方案,并在施工過程中對設(shè)備、工藝等環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制,動態(tài)優(yōu)化。
3)對大體量長大深基坑而言,化整為零、適當(dāng)劃分作業(yè)區(qū)域或段落是合理的施工組織方式,在整體把握的基礎(chǔ)上,各區(qū)域或各段分別組織,逐個攻克。
4)在石家莊區(qū)域地質(zhì)條件下,采取鉆孔樁、混凝土支撐加錨索的支護體系,既能確保基坑體系安全,又能為基坑開挖提供足夠作業(yè)空間,造價和投資上也比較經(jīng)濟,可以在類似工程中推廣應(yīng)用。
本文側(cè)重于緊鄰既有鐵路運營線深基坑施工技術(shù)和工藝方面內(nèi)容,營業(yè)線安全離不開高質(zhì)量的現(xiàn)場施工組織管理[10],優(yōu)秀、合理的方案需要嚴(yán)格認(rèn)真的落實,因此,營業(yè)線施工管理措施還需要繼續(xù)總結(jié)、完善和改進。
[1] 高軍凱,賀會萍.穿黃工程盾構(gòu)始發(fā)井內(nèi)襯混凝土逆作法施工技術(shù)[J].隧道建設(shè),2009,29(5):569 -573,581.(GAO Junkai,HE Huiping.Technology of top-down construction of concrete lining of shield launching shaft of yellow river crossing tunnel project[J].Tunnel Construction,2009,29(5):569 -573,581.(in Chinese))
[2] 王秀志,梁偉,曹文宏.特殊環(huán)境條件下的上海軌道交通4號線修復(fù)工程設(shè)計綜述:世界地鐵隧道修復(fù)設(shè)計史上的一次重大突破[J].地下工程與隧道,2007(4):1-14,56.(WANG Xiuzhi,LIANG Wei,CAO Wenhong.Restored engineering design of shanghai rail transit line 4 under special environment:An breakthrough in world metro tunnel restoring design history[J].Underground Engineering and Tunnels,2007(4):1 -14,56.(in Chinese))
[3] 王美華,季方.超大面積深基坑逆作法施工技術(shù)的探討[J].地下空間,2005(4):599 -602,650.(WANG Meihua,JI Fang.Discussion on the construction techniques of over-
[3] sized excavation pit constructed by top-down method[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2005(4):599 -602,650.(in Chinese))
[4] 劉楠,李振.鐵路明挖車站寬大深基坑開挖對相鄰建筑物影響的評估[J].隧道建設(shè),2012,32(3):328 -331.(LIU Nan,LI Zhen.Evaluation on influence on adjacent buildings induced by excavation of large and deep foundation pits[J].Tunnel Construction,2012,32(3):328 - 331.(in Chinese))
[5] 曹培峰,王巍,周維良.上海世博會中國館鄰地鐵側(cè)的超大基坑、多坑施工技術(shù)[J].建筑施工,2009(8):617-620.(CAO Peifeng,WANG Wei,ZHOU Weiliang.Construction technology for super large and multiple foundation pits of china pavilion of shanghai world expo adjacent to Metro side[J].Building Construction,2009(8):617 - 620.(in Chinese))
[6] 趙錫山,郭東升,鐘明.鉆孔灌注樁常用鉆機比選及技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)分析[J].西部探礦工程,2011(6):129-132,135.
[7] 劉毅,楊毅秋.石家莊六線隧道基坑圍護結(jié)構(gòu)形式的比較[J].山西建筑,2010,36(7):294 -296.(LIU Yi,YANG Yiqiu.Comparison of the supporting types of foundation pit in the 6th line tunnel works of Shijiazhuang[J].Shanxi Architecture,2010,36(7):294 -296.(in Chinese))
[8] 郭陜云.對隧道及地下工程建設(shè)風(fēng)險管理的認(rèn)識[J].隧道建設(shè),2011,31(6):648 - 651.(GUO Shanyun.Comments on risk management in construction of tunnels and underground works[J].Tunnel Construction,2011,31(6):648-651.(in Chinese))
[9] 葉俊能,劉干彬.寧波地區(qū)深基坑工程施工預(yù)警指標(biāo)及風(fēng)險評估研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2011(S1):141-147.(YE Junneng,LIU Ganbin.Forewarning index for deep foundation pit construction and risk assessment in Ningbo area[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2011(S1):141 -147.(in Chinese))
[10] 李秋梅.淺談既有線施工的安全措施[J].山西建筑,2007,33(16):290 - 291.(LI Qiumei.On safety precaution of existing line construction[J].Shanxi Architecture,2007,33(16):290 -291.(in Chinese))