中心島支護(hù)體系在風(fēng)化巖條件下臨地鐵深基坑工程中的應(yīng)用

劉雙橋，程 康，宋 志，周 豪，彭 威

（中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064）

0 引言

隨著城市地下空間的不斷發(fā)展，由于建設(shè)項(xiàng)目工程規(guī)模、區(qū)域位置、施工工況等日益復(fù)雜，導(dǎo)致深基坑工程設(shè)計(jì)和施工難度不斷增加［1］。本文基于武漢夢時(shí)代廣場項(xiàng)目，介紹了中心島支護(hù)體系在城市中心緊鄰地鐵風(fēng)化巖地質(zhì)條件下深基坑工程的應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 工程總體概況

武漢夢時(shí)代廣場項(xiàng)目位于武漢市武昌區(qū)，北側(cè)緊鄰地鐵寶通寺站，地下 4 層、地上 9 層，總建筑面積約為79.58 萬 m2，地下面積 33.85 萬 m2，為集商業(yè)、餐飲、室內(nèi)樂園、冰雪樂園為一體的特大型商業(yè)綜合體。武漢夢時(shí)代廣場項(xiàng)目效果圖如圖 1 所示。

圖1 武漢夢時(shí)代廣場項(xiàng)目效果圖

1.2 臨地鐵側(cè)深基坑工程概況

基坑北側(cè)緊鄰武漢市最繁忙的地鐵二號(hào)線區(qū)間及寶通寺站，如圖 2 所示。基坑開挖深度約 17.8 m，基坑邊距離地鐵二號(hào)線寶通寺站站房結(jié)構(gòu)最近為 3.9 m。根據(jù) GB 50911－2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，要求車站結(jié)構(gòu)及區(qū)域區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)絕對(duì)沉降量≤10 mm、絕對(duì)水平位移及上浮量≤5 mm。

圖2 臨地鐵側(cè)基坑支護(hù)平面圖

1.3 工程地質(zhì)條件

本工程位于鍋頂山-王家店褶皺的倒轉(zhuǎn)背斜的核部。基坑開挖范圍內(nèi)大面為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，局部存在微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，地下水主要為上層滯水（見表 1）。

表1 地基土分層工程特征指標(biāo)

2 設(shè)計(jì)選型［2］

2.1 選型分析

本工程基坑主要存在以下三方面特點(diǎn)。

1）基坑平面面積達(dá) 9.53 萬 m2，北側(cè)開挖深度達(dá)17.8 m。

2）基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，變形控制要求高。

3）開挖深度范圍內(nèi)多為風(fēng)化巖，強(qiáng)度大，土石方開挖困難。

臨地鐵側(cè)變形控制嚴(yán)格，而由于開挖面積極大，無法大面設(shè)置鋼筋混凝土支撐，基坑支護(hù)選型初期，可供選擇的主要支護(hù)類型有逆作法、中心島法、樁錨法三種。

對(duì)于逆作法，施工安全性有保障，但地下巖層埋深淺埋層厚，土石方開挖難度較大，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，且地下室施工質(zhì)量難以保證。

對(duì)于中心島法，即完成支護(hù)樁施工后，由上至下逐層開挖土石方并預(yù)留反壓土，優(yōu)先進(jìn)行反壓土體外地下室結(jié)構(gòu)（即中心島）施工，施工中心島與支護(hù)樁間對(duì)撐后，由上至下開挖反壓土石方，最后順做反壓土體區(qū)剩余地下室結(jié)構(gòu)并逐層換撐直至地下室結(jié)構(gòu)封頂。該方式兼顧進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本［3］。

對(duì)于樁錨法，即支護(hù)樁+錨索的支護(hù)方式，在完成支護(hù)樁施工后，由上至下逐層開挖土石方并插入施工錨索，完成土石方開挖后由下至上順做地下室結(jié)構(gòu)。此支護(hù)方式在施工進(jìn)度、地下室施工質(zhì)量、基坑支護(hù)安全、支護(hù)結(jié)構(gòu)造價(jià)等方面均存在優(yōu)勢，但受限于北側(cè)緊鄰地鐵區(qū)間及站房，錨索將侵入地鐵保護(hù)區(qū)，故未采用（見表 2）。

表2 支護(hù)體系選型對(duì)比

在綜合考慮施工對(duì)周邊影響、位移控制、坑內(nèi)施工空間、施工工期、地下室施工質(zhì)量、施工成本、各方態(tài)度等因素的基礎(chǔ)上，最終采用中心島支護(hù)體系。

2.2 中心島支護(hù)體系設(shè)計(jì)

1）單排樁設(shè)計(jì)。本基坑工程豎向支護(hù)體系采用單排樁支護(hù)體系，樁長 24 m，樁徑 1 200 mm，樁心間距1 400 mm，冠梁尺寸 1 400 mm×1 000 mm，如圖 3 所示。樁立面采用掛網(wǎng)噴錨進(jìn)行防水抗?jié)B。

圖3 單排樁布設(shè)形式（單位：mm）

2）預(yù)留反壓土體設(shè)計(jì)。基坑北側(cè)臨地鐵區(qū)域采用中心島開挖形式，并在基坑周邊預(yù)留反壓土體，為單排樁提供水平支撐反力。預(yù)留反壓土體為三級(jí)放坡形式，放坡坡比為 1∶0.5，邊坡平臺(tái)寬度為 3 m，臨空面采用土釘掛網(wǎng)噴錨支護(hù)對(duì)土體進(jìn)行防護(hù)。如圖 4 所示。

圖4 預(yù)留反壓土體剖面圖（單位：mm）

3）利用地下室結(jié)構(gòu)設(shè)置水平對(duì)撐設(shè)計(jì)。完成中心島地下室結(jié)構(gòu)施工后，需要為單排樁支護(hù)體系提供水平向支撐，起換撐作用，以開挖反壓土體。本設(shè)計(jì)采用兩層 600 mm×800 mm 鋼筋混凝土對(duì)撐梁結(jié)合地下室主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件作為水平內(nèi)支撐體系，標(biāo)高分別為 -5.1 m、 -11.7 m。對(duì)撐梁一端位于中心島地下室結(jié)構(gòu)側(cè)，另一端位于支護(hù)樁側(cè)。由于風(fēng)化巖層土體強(qiáng)度大，小型設(shè)備無法開挖，為保證大型設(shè)備土方開挖凈空需求，設(shè)計(jì)抬高了對(duì)撐高度，在中心島地下室結(jié)構(gòu)側(cè)設(shè)置反力墩，以保土石方開挖需求。整體設(shè)計(jì)如圖 5 所示。

圖5 中心島支護(hù)體系剖面圖（單位：mm）

3 施工工況及有限元模擬分析

3.1 施工工況分析［4］

中心島支護(hù)體系其施工原則應(yīng)首先施工留土區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)，并通過支護(hù)結(jié)構(gòu)和留土反壓作用形成整體受力體系；再開挖中部區(qū)域土方，提供中部區(qū)域結(jié)構(gòu)施工工作面；之后施工中部區(qū)域結(jié)構(gòu)和作用在永久結(jié)構(gòu)上的內(nèi)支撐體系，形成受力轉(zhuǎn)換后開挖留土區(qū)土方，施工留土區(qū)結(jié)構(gòu)［5］。

1）工況 1。先施工支護(hù)樁、立柱樁及鋼格構(gòu)柱，再進(jìn)行土方開挖至冠梁底標(biāo)高，施工冠梁。如圖 6 所示。

圖6 工況 1 示意圖

2）工況 2。邊跨采用留土放坡，隨開挖進(jìn)度對(duì)留土區(qū)域進(jìn)行噴錨支護(hù)，中心區(qū)域土方全部挖除，如圖 7 所示。

圖7 工況 2 示意圖

3）工況 3。施工中心區(qū)域地下室結(jié)構(gòu)，待中心區(qū)域地下室結(jié)構(gòu)全部施工完成后施工第一道內(nèi)支撐、腰梁和反力墩，如圖 8 所示。

圖8 工況 3 示意圖

4）工況 4。將邊跨留土（開槽）開挖至第二道腰梁底，施工第二道腰梁、第二道內(nèi)支撐和反力墩，如圖 9 所示。

圖9 工況 4 示意圖

5）工況 5。將邊跨留土全部挖除，開挖至基坑底標(biāo)高，如圖 10 所示。

圖10 工況 5 示意圖

6）工況 6。將邊跨結(jié)構(gòu)施工至 -3 層樓板，對(duì)底板肥槽進(jìn)行同等級(jí)素混凝土回填，施工 -3 層換撐板，拆除第二道支撐、腰梁及反力墩，如圖 11 所示。

圖11 工況 6 示意圖

7）工況 7。將邊跨結(jié)構(gòu)施工至 -1 層樓板，施工 -2、-3 層換撐板，拆除第一道支撐、腰梁、反力墩及鋼立柱，如圖 12 所示。

圖12 工況 7 示意圖

8）工況 8。地下室結(jié)構(gòu)施工完成，土方回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高，如圖 13 所示。

圖13 工況 8 示意圖

3.2 有限元模擬分析［6］

1）建模過程。本文使用 MIDAS GTS 軟件計(jì)算，采用一維梁單元模擬圍護(hù)樁、混凝土支撐、鋼斜拋撐、樓板、柱等結(jié)構(gòu)，單元截面形狀及大小尺寸按實(shí)際施工圖的尺寸確定。通過設(shè)置梁單元的間距以實(shí)現(xiàn)圍護(hù)樁、混凝土支撐等構(gòu)件力學(xué)行為的平面模擬。

選取地鐵寶通寺站Ⅰ號(hào)出入口典型剖面進(jìn)行分析，建立基坑開挖有限元模型如圖 14 所示。

圖14 計(jì)算模型示意圖

為準(zhǔn)確模擬基坑施工對(duì)地鐵寶通寺站Ⅰ號(hào)出入口的影響，具體分析步設(shè)置如下：①地應(yīng)力平衡（在考慮重力荷載及地面超載等先期荷載的作用下，完成內(nèi)力計(jì)算，軟件自動(dòng)平衡地層變形，要求在本分析步完成后，地層變形量小于 10-5m）；②寶通寺站出入口及主體結(jié)構(gòu)施工（移除出入口及車站主體結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的土體單元，轉(zhuǎn)換出入口及車站主體結(jié)構(gòu)單元屬性，激活車站主體結(jié)構(gòu)中柱單元，位移清零）；③圍護(hù)樁施工（激活圍護(hù)樁單元）；④先期留反壓土施工（移除除反壓土外的土體，激活中間跨部位的樓板、柱等結(jié)構(gòu)單元）；⑤后期架設(shè)第一道混凝土支撐（激活第一道混凝土支撐單元）；⑥后期開挖反壓土及架設(shè)混凝土支撐（依次移除反壓土單元，在第二道混凝土支撐附近激活混凝土支撐單元后，繼續(xù)移除反壓土單元，直到開挖至基底）；⑦后期施工邊跨結(jié)構(gòu)（依次激活邊跨板、柱單元，移除支撐單元，直至頂板，施加上部結(jié)構(gòu)荷載）。

2）分析結(jié)論。由圖 15 可以得知，地層最大水平位移出現(xiàn)于圍護(hù)樁底部，最大位移約為 7.5 mm，地層最大豎向位移出現(xiàn)于基坑底部，最大位移約為 36 mm。

圖15 開挖到基坑底工況地層變形云圖

由圖 16 可知，基坑反壓土開挖完成后，地鐵車站及出入口的最大水平位移約 2.4 mm，最大豎向位移約4.07 mm。基坑開挖導(dǎo)致地鐵車站主體和出入口結(jié)構(gòu)的水平、豎向位移均較小。

圖16 開挖到基坑底地鐵結(jié)構(gòu)變形云圖

4 測量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測

4.1 監(jiān)測方案

4.1.1 監(jiān)測內(nèi)容及測點(diǎn)布設(shè)

按照地鐵公司意見，結(jié)合本工程特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求及類似工程經(jīng)驗(yàn)，地鐵監(jiān)測范圍為地下室基坑工程直接影響區(qū)域的地鐵二號(hào)線平行區(qū)段雙線車站隧道。自動(dòng)化監(jiān)測區(qū)域右線約 500 m 范圍，隧道里程為 DK 20+749～DK 21+139 范圍，沿隧道兩端各延伸 30 m 布設(shè)穩(wěn)定不動(dòng)參考基準(zhǔn)點(diǎn)，擬采用四臺(tái)高精度測量機(jī)器人（TM 30），對(duì)應(yīng)用來監(jiān)測車站隧道結(jié)構(gòu)的水平位移和沉降的三維形變，隧道測點(diǎn)斷面布置間距約 20 m。共計(jì) 11 個(gè)監(jiān)測斷面（見圖 17），每個(gè)監(jiān)測斷面 3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（其中在第 6 個(gè)監(jiān)測斷面架設(shè)測量機(jī)器人，該測量斷面僅布設(shè) 2 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)），包含如下監(jiān)測項(xiàng)目：道床沉隆及水平位移監(jiān)測；結(jié)構(gòu)側(cè)壁沉隆及水平位移監(jiān)測；現(xiàn)場安全巡視。

圖17 監(jiān)測布點(diǎn)示意圖

4.1.2 監(jiān)測頻率

①地鐵車站隧道結(jié)構(gòu)水平位移、隆降（測量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測）采取 24 h 不間斷監(jiān)測，基坑開挖施工期間每天觀測 3 次，基坑主體結(jié)構(gòu)施工期間每天觀測 1 次；②當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常后，應(yīng)加密監(jiān)測頻率，并及時(shí)通知相關(guān)各方做好應(yīng)急措施；③地鐵結(jié)構(gòu)安全現(xiàn)場巡視，頻率每 3～4 周 1 次，監(jiān)測結(jié)果異常時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況增加頻率，現(xiàn)場安全巡視工作，以目測為主，查看地鐵結(jié)構(gòu)是否有異常等情況，必要時(shí)配合拍照等技術(shù)。

4.2 監(jiān)測結(jié)果

選取中心區(qū)域地下室結(jié)構(gòu)施工時(shí)典型監(jiān)測結(jié)果分析，如圖 18 所示。

圖18 監(jiān)測結(jié)果曲線圖

由監(jiān)測結(jié)果顯示，道床沉降最大值為 1.4 mm，水平位移最大值為 1.4 mm，各項(xiàng)監(jiān)測項(xiàng)目數(shù)據(jù)均在監(jiān)測報(bào)警值范圍之內(nèi)，滿足工程設(shè)計(jì)和地鐵管理部門的要求。

5 結(jié)語

武漢夢時(shí)代廣場項(xiàng)目北側(cè)臨近地鐵二號(hào)線區(qū)間及站房，采用中心島支護(hù)體系，有效結(jié)合留土反壓和結(jié)構(gòu)支撐，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)踐，中心島支護(hù)體系在風(fēng)化巖地質(zhì)條件下相對(duì)逆作法更有優(yōu)勢，一方面風(fēng)化巖強(qiáng)度高，采用中心島支護(hù)體系結(jié)合留土反壓變形可控，另一方面便于大型設(shè)備開挖，大大提高了土石方開挖的效率。采用自動(dòng)化測量機(jī)器人對(duì)地鐵變形實(shí)施不間斷監(jiān)測，其監(jiān)測結(jié)果可供施工方動(dòng)態(tài)調(diào)整，表明中心島支護(hù)體系在風(fēng)化巖地質(zhì)條件下臨地鐵深基坑工程中是一個(gè)新的設(shè)計(jì)思路［7］。Q