劉拴錠 王永康
中交一公局杭州地鐵10#線土建三工區(qū)
城鎮(zhèn)化規(guī)模日益擴(kuò)大,大量人口涌入城市,常規(guī)公交出行已然不能滿足人們生活出行需求。考慮到城市大規(guī)模人口流動(dòng)需求,一些大型城市開始建設(shè)地鐵項(xiàng)目,但是地鐵施工建設(shè)難度非常大,并且沿線建筑結(jié)構(gòu)均會受到一定程度影響作用,特別是臨近深坑工程施工保護(hù)問題。
學(xué)者在研究鄰近地鐵隧道施工研究過程中,詳細(xì)討論了基坑工程的“時(shí)空效應(yīng)”,并分析其影響作用。通過研究得出了軟土地區(qū)建設(shè)地鐵隧道位移變化趨勢,基于此趨勢推導(dǎo)出隧道位移量化計(jì)算公式。值得一提的是該計(jì)算方法將開挖寬度和時(shí)間均納入計(jì)算指標(biāo)中,衡量其影響效果,對今后此類情況研究提供了重要的指導(dǎo)意義。同時(shí),一些研究還考察了地下隧道和連續(xù)墻形變情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn),通過“先支再挖”的施工方案可以明顯改善基坑變形問題。然后通過實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù),回歸分析構(gòu)建了開挖隧道回彈分析半經(jīng)驗(yàn)半理論計(jì)算公式。
基于此,本文對深基坑與地鐵區(qū)間隧道緊鄰的附屬建筑進(jìn)行技術(shù)分析,同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場施工實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù),對整體工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析。
吳家路站是杭州地鐵10號線一期第11個(gè)車站,起止里程為DK13+312.285 ~DK13+546.185,車站站中心里程設(shè)置在DK13+401.615,其具體位置在吳家路與杭行路交叉口處,目前杭行路已經(jīng)建設(shè)完成,道路寬40m,按照雙向6 車道,但當(dāng)前車流量較小。該地鐵站主體工程所需基坑長度接近235.5m,其中車站中心頂層土層高3.0m。為了安全,標(biāo)準(zhǔn)段地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均為雙柱三跨鋼混結(jié)構(gòu),該段基坑深度和寬度分別為17.03m~18.01m、21.70m;除標(biāo)準(zhǔn)段外,兩端基坑深度和寬度分別為18.70m~19.18m、25.80m。整體工程預(yù)留盾構(gòu)始發(fā)條件,并且始發(fā)端設(shè)置在該地鐵站大小里程端。
圖1 基坑與地鐵隧道位置示意圖
場地潛水主要存在于較淺地質(zhì)層,包含黏性土、填土層、含砂黏土層為主。該土壤層的透水性和富水性存在差異性,并且還受到沉積層作用,整體來看透水性在水平方向作用要強(qiáng)于垂直方向。根據(jù)工程現(xiàn)場情況看,該地帶地下水深度在0.20m~3.70m,相應(yīng)標(biāo)高為0.76m~9.34m??紫稘撍ǔ搅骶徛鋪碓匆缘乇硭w下滲補(bǔ)充和地表降水滲透補(bǔ)給為主。經(jīng)過蒸發(fā)作用和排泄,孔隙潛水水位隨季節(jié)變化明顯。地下水主要處于深層,其水位變化以及埋深受季節(jié)和降水的影響作用較大,因而是動(dòng)態(tài)變化大,且變化幅度高達(dá)1.0m~2.0m。本文將重點(diǎn)討論建成地鐵管線和結(jié)構(gòu)安全保護(hù)問題,這是鄰近地鐵施工的設(shè)計(jì)和施工難點(diǎn),特別是基坑支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),要充分考慮地質(zhì)層特性,支撐結(jié)構(gòu)要具有擋土防水作用。下圖2是詳細(xì)監(jiān)測得出的吳家路區(qū)間地質(zhì)剖面圖。
圖2 吳家路區(qū)間地質(zhì)剖面圖
結(jié)合吳家路區(qū)間地質(zhì)情況,本文將此次研究地下室基坑設(shè)計(jì)安全等級定為一級,根據(jù)現(xiàn)有參考數(shù)據(jù),取基坑側(cè)壁安全系數(shù)1.1。在本文研究中,設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)為開挖土方的順序、支撐結(jié)構(gòu)質(zhì)量、水帷幕的質(zhì)量以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁,基坑設(shè)計(jì)支撐體系選型和結(jié)構(gòu)是此次設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題。
車站小里程端頭井主體基坑寬度為25.80m,深度18.71m,地下連續(xù)墻部分插入基坑中,其插入比為1:0.99,插入后墻趾標(biāo)高-32.97m,長度約為37m,厚0.8m,同時(shí)在垂直深度上增加5道支撐結(jié)構(gòu)。其中,第一道采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),第三道采用圓鋼支撐,其尺寸為厚度16mm,外徑800mm。其余三道支撐均為采用外徑609mm,厚度16mm的圓鋼支撐。
車站大里程端頭井主體基坑寬度為25.80m,深度19.18m,地下連續(xù)墻部分插入基坑中,其插入比為1:1.06,插入后墻趾標(biāo)高-35.47m,長度約為39.5m,同時(shí)在垂直深度上增加5道支撐結(jié)構(gòu)。其中,5道支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置與車站小里程端做法一樣。
車站標(biāo)準(zhǔn)段主體基坑寬度為21.70m,深度17.04m~18.01m,均采用800mm厚地下連續(xù)墻,標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻長35m,按照1:1.11 插入基坑,插入后墻趾標(biāo)高-30.970m。同樣在基坑垂直深度上設(shè)置5道支撐結(jié)構(gòu),做法與車站大小里程端一樣。
車站電纜夾層段主體基坑寬度為21.7m,地下連續(xù)墻部分插入基坑中,其插入比為1:0.99、1:1.19,插入后墻趾標(biāo)高-32.97m、-33.97,長度約為37m、38m,厚0.8m,同時(shí)在垂直深度上增加5道支撐結(jié)構(gòu)。其中,5道支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置與車站大小里程端做法一樣。
圖3 主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)第一道混凝土支撐布置圖
圖4 主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐布置圖
(1)關(guān)鍵技術(shù)施工。要保證基坑鄰近地鐵區(qū)間隧道避免粉砂土層出現(xiàn)漏沙和漏水問題,同時(shí)防止過大沉降現(xiàn)象,在施工過程中要重點(diǎn)關(guān)注鉆孔灌注樁垂直度以及強(qiáng)度、三軸水泥土攪拌樁與樁體之間的咬合情況。具體操作為:在樁孔外側(cè)使用雙排三軸攪拌樁,并且向樁坑里注入20%水泥用來加固,避免樁下部出現(xiàn)變形,然后在樁坑成型部位注入8%水泥作為防護(hù)層,避免鉆樁坍塌。同時(shí)在施工中要根據(jù)實(shí)際情況增加高壓旋噴樁,確保施工過程中基坑不會出現(xiàn)滲水和開裂等安全風(fēng)險(xiǎn)。
(2)基坑支撐體系。通常基坑支撐體系為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),關(guān)鍵是混凝土的剛度和強(qiáng)度要滿足要求,同時(shí)還要保證施工質(zhì)量。不規(guī)范施工會導(dǎo)致鋼混結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭曲,出現(xiàn)拉伸和斷裂風(fēng)險(xiǎn),特別是垂直立柱以及支撐結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。主體結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)成型后,拆除過程中,必須采取換撐的手段,這是保證結(jié)構(gòu)在支撐解除后補(bǔ)發(fā)生變形破壞的關(guān)鍵點(diǎn)。
(3)降承壓水方案。本次研究的施工區(qū)域基坑周圍是飽和粉砂層,當(dāng)周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題或止水帷幕失效,則會導(dǎo)致基坑積水,基坑水壓則較大,施工前需要排水施工或者降低承壓水,但這會導(dǎo)致鄰近地鐵隧道出現(xiàn)沉降變形,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)開裂滲水,最終引起附近建筑結(jié)構(gòu)破壞,因此,降水方案必須在圍護(hù)結(jié)構(gòu)試降水成功之后再開展。
(4)土石方施工?;油练绞┕ひ裱跋葥魏笸凇痹瓌t,避免由于開挖導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞,從而出現(xiàn)基坑局部塌方后者結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。特別是基坑處于飽和粉砂土層,地質(zhì)本身強(qiáng)度不高,容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。所以在基坑施工中,要充分考慮時(shí)空效應(yīng),對于分區(qū)、分層等問題要分開施工。保證在軟土層基坑施工中,制定合適的開挖土方和開挖尺寸,降低無支撐基坑擋墻裸露的時(shí)間。
為了對基坑工程進(jìn)行模擬計(jì)算,文本運(yùn)用FLAC3D 技術(shù)建立對應(yīng)結(jié)構(gòu)模型,依據(jù)彈塑性力學(xué)圣·維南原理可知,以基坑為中心,周邊3m范圍均為深挖基坑的影響范圍。并且計(jì)算模型平面尺寸設(shè)定為400m×300m,模型高度以地面為基準(zhǔn),下延100m,如圖5所示。
圖5 整體計(jì)算模型網(wǎng)格
如圖6所示,規(guī)定空間坐標(biāo)軸,建立三維立體計(jì)算模型,該模型包含了地鐵隧道、基坑土方、圍護(hù)以及樁基和鉆孔等結(jié)構(gòu),底部約束,側(cè)向約束方向?yàn)榉ㄏ颉T撍淼阑炷翉?qiáng)度為C50,盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑為5.5m,外徑6.2m、寬度為1200m,厚度350mm,設(shè)置埋深12m,本次計(jì)算長度為118m。地下室模型結(jié)構(gòu)如下圖4所示,基本結(jié)構(gòu)柱尺寸為600600mm×600mm,四周邊墻厚度為0.4m,樓板和地板厚度分別為0.3m、1.5m。
圖6 地下室模型
結(jié)合上述研究分析,一旦基坑開挖建設(shè),鄰近地鐵設(shè)施均會受到不同程度影響,其地鐵隧道管片位移量為6.5mm,并且當(dāng)?shù)叵率医Y(jié)構(gòu)完成后,地鐵隧道位移量為4.8mm。根據(jù)國內(nèi)地鐵保護(hù)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,本次模型計(jì)算的結(jié)果符合地鐵保護(hù)要求。為了詳盡了解基坑施工對鄰近地鐵管線和隧道影響效果,本文進(jìn)一步分析施工監(jiān)控結(jié)果與上述模擬計(jì)算數(shù)值進(jìn)行對比分析。在合理位置選擇3個(gè)地鐵隧道監(jiān)控截面,安置24個(gè)監(jiān)控點(diǎn),對地鐵輔助管線(雨水、天然氣、污水、通信)進(jìn)行監(jiān)控,安置13個(gè)監(jiān)控點(diǎn);支撐內(nèi)力安置3個(gè)監(jiān)控點(diǎn);鉆孔灌注樁頂安置3個(gè)監(jiān)控點(diǎn),監(jiān)控位移量;立柱安置3個(gè)監(jiān)控點(diǎn),監(jiān)控豎向位移。然后監(jiān)控記錄第1次、第2次開挖后地鐵隧道、底板全部澆筑、開挖到裙房底板底面高程等結(jié)構(gòu)完成后各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的X 向位移量,考慮去土層回彈影響作用,綜合考察三維方向的位移情況。監(jiān)控發(fā)現(xiàn),由于地板自身重量極大,使得其位移量和應(yīng)力變化均較小,增加不明顯。這說明底板澆筑可以保證鄰近隧道給以及基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,通過換撐來拆除支撐結(jié)構(gòu)是可行的。
根據(jù)上述研究分析,在軟土地區(qū)鄰近地鐵基坑施工存在重大風(fēng)險(xiǎn)問題,因而其基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)對整個(gè)地鐵及周邊建筑有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文在對吳家路站鄰近基坑研究中,采用多種關(guān)鍵技術(shù)對軟土層基坑進(jìn)行處理,從開挖到成型,每一步都進(jìn)行詳細(xì)論證和分析,并且根據(jù)方案構(gòu)建“地鐵隧道-基坑-圍護(hù)結(jié)構(gòu)”研究模型,并通過專業(yè)軟件進(jìn)行分析,討論其開挖影響作用,并為實(shí)際施工提供數(shù)據(jù)支持。研究指出,對于軟土層基坑施工,要充分考慮土層結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境,結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際制定科學(xué)設(shè)計(jì)方案,施工要嚴(yán)格遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),確保施工范圍各結(jié)構(gòu)安全,避免出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)損失。