臨近地鐵深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐分析

錢(qián)嘉，芮凱軍

(1.無(wú)錫市惠山區(qū)安信檢測(cè)服務(wù)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000；2.無(wú)錫市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

0 前言

地鐵作為城市交通生命線，在城市的日常運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)揮著重要的作用，地鐵工程的安全問(wèn)題社會(huì)影響面廣，關(guān)系重大。近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)日新月異，臨近地鐵線路開(kāi)挖深基坑的案例越來(lái)越多。多年來(lái)的研究以及工程實(shí)踐表明臨坑地鐵的變形主要由周邊基坑的坑底隆起以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移引起，同時(shí)也與地下水位的變化緊密聯(lián)系。因此臨近地鐵深基坑支護(hù)的重點(diǎn)在于對(duì)基坑坑底隆起、支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移以及地下水位的有效控制。

在臨近地鐵側(cè)開(kāi)挖深基坑，由于地鐵保護(hù)線的約束，錨索的使用受到嚴(yán)格的限制，樁撐體系幾乎成了唯一可選的支護(hù)形式。樁撐支護(hù)體系從安全性角度來(lái)看具有足夠的可靠度，是如今最為常見(jiàn)的支護(hù)體系之一。但從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，樁撐體系造價(jià)偏高；從施工便捷性角度來(lái)看，因?yàn)橹误w系位于基坑內(nèi)部，會(huì)影響到土方開(kāi)挖及地庫(kù)結(jié)構(gòu)的施工，如基坑內(nèi)部存在多道支撐則在基坑開(kāi)挖過(guò)程中需考慮支撐的施工、拆換撐等工況，嚴(yán)重影響項(xiàng)目的施工進(jìn)度。因此，對(duì)臨近地鐵的深基坑支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證地鐵安全性的前提下，盡可能減少支撐體系對(duì)施工造成的不便，節(jié)約支護(hù)造價(jià)，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益值得探討。

本文以無(wú)錫某臨近地鐵的深基坑支護(hù)成功實(shí)踐為例，探討了兩層地下室，采用樁+一道混凝土支撐支護(hù)，通過(guò)加大樁徑、地鐵側(cè)分區(qū)開(kāi)挖施工等一系列措施彌補(bǔ)支撐到基坑底的凈支護(hù)高度較大問(wèn)題的可行性。與常規(guī)樁+兩道支撐方案相比不僅節(jié)省了成本也大幅加快了項(xiàng)目施工進(jìn)度，可為以后類(lèi)似情況下基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工提供有益參考。

1 項(xiàng)目概況

無(wú)錫某新建地下停車(chē)場(chǎng)位于中心城區(qū)，擬建二層地下停車(chē)庫(kù)及地面附屬設(shè)施，建成后可提供321 個(gè)停車(chē)位緩解周邊停車(chē)壓力。該基坑南北長(zhǎng)約78m，東西寬約71m，基坑面積約6100m2，開(kāi)挖深度約8.85～9.85m。

本基坑?xùn)|北側(cè)為無(wú)錫地鐵三號(hào)線太湖花園站～黃山路站區(qū)間，該區(qū)間為雙線盾構(gòu)區(qū)間，地鐵軌面標(biāo)高在-19.4～-20.3m(自南向北)，隧道頂部埋深在14.5～15.4m。盾構(gòu)隧道外徑6.2m，管片厚度0.35m，C50 混凝土，盾構(gòu)管片環(huán)向共為6 塊，每環(huán)縱向?qū)挾葹?.2m，環(huán)向分塊及縱向之間通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接。地鐵隧道與基坑基本平行分布，圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離地鐵區(qū)間隧道外輪廓最小凈距為12.2m。

圖1 基坑工程與地鐵隧道關(guān)系圖

2 工程地質(zhì)與地下水概況

基坑場(chǎng)地位于無(wú)錫市中心城區(qū)，擬建場(chǎng)地地貌形態(tài)屬長(zhǎng)江中下游沖湖積平原。在勘探深度內(nèi)為第四紀(jì)沖積層，屬長(zhǎng)江中下游沖積層，基坑地層自上而下分布為①雜填土、②1 粉質(zhì)黏土、③2 粉質(zhì)黏土夾粉土、④1 粉土～粉砂、⑤2 粉質(zhì)黏土、⑥1 粉質(zhì)黏土～黏土、⑦2 粉質(zhì)黏土、⑧1粉質(zhì)黏土、⑨2粉土～粉砂、⑩3粉質(zhì)黏土。為無(wú)錫地區(qū)典型土層，基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的主要土層物理力學(xué)參數(shù)表如表1 所示，典型地質(zhì)剖面如圖2 所示。

表1 主要土層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 擬建場(chǎng)地典型工程地質(zhì)剖面圖

本場(chǎng)地地下水對(duì)基坑開(kāi)挖存在影響的主要是＜1＞雜填土層中的潛水，＜2-2＞層粉質(zhì)黏土夾粉土層及＜3-1＞粉土～粉砂層中的微承壓水。

①上部＜1＞雜填土層中的潛水，主要接受大氣降水及地表滲漏補(bǔ)給，其水位隨季節(jié)、氣候變化而上下浮動(dòng)，正常年變幅在0.50m 左右。水面標(biāo)高在2.75～3.00m 左右。近3～5 年該上層滯水～潛水最高地下水位在3.10m左右。

②中部＜2-2＞層粉質(zhì)黏土夾粉土層及＜3-1＞粉土～粉砂層中的微承壓水，補(bǔ)給來(lái)源主要為橫向補(bǔ)給及上部少量越流補(bǔ)給。水位標(biāo)高在0.00～-0.23m。

3 基坑支護(hù)方案分析

3.1 基坑支護(hù)重難點(diǎn)分析

本基坑支護(hù)具有如下難點(diǎn)。

①基坑沿地鐵一側(cè)長(zhǎng)度近80m，開(kāi)挖深度9.85m，開(kāi)挖后空間效應(yīng)明顯。

②基坑沿地鐵一側(cè)距離地鐵隧道較近，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵區(qū)間隧道外輪廓最小凈距僅12.2m。

③基坑側(cè)壁中下部為粉土粉砂層，含水量非常豐富，易發(fā)生流砂，對(duì)基坑及地鐵安全不利。

④基坑周邊場(chǎng)地較為緊張，缺乏施工場(chǎng)地，出土及材料運(yùn)輸困難。

⑤本項(xiàng)目工期安排較緊，支護(hù)體系需盡可能減少對(duì)出土及地庫(kù)施工的影響，滿(mǎn)足進(jìn)度計(jì)劃。

3.2 基坑支護(hù)體系選擇

臨近地鐵基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于支護(hù)樁的側(cè)向位移以及坑底的隆起，因?yàn)楣こ虒?shí)踐表明這兩點(diǎn)是引起地鐵隧道及其附屬設(shè)施產(chǎn)生變形的主要原因。同時(shí)，基坑外部地下水位的變化也與地鐵的變形有著密切聯(lián)系。

結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)情況及本項(xiàng)目自身特點(diǎn)，基坑采用鉆孔灌注樁+混凝土支撐支護(hù)，根據(jù)無(wú)錫地區(qū)類(lèi)似土層情況及深基坑支護(hù)工程經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)做法為如下支護(hù)組合，一是樁頂卸土放坡+一道混凝土支撐支護(hù)，二是樁頂直接做到地面+兩道混凝土支撐支護(hù)。考慮本項(xiàng)目自身場(chǎng)地情況，不存在樁頂卸土放坡條件，樁頂需做到自然地面。但采用兩道混凝土支撐支護(hù)無(wú)疑將增加支護(hù)成本，同時(shí)基坑施工過(guò)程中需增加二道撐施工及拆除工況，拖慢項(xiàng)目施工進(jìn)度，難以滿(mǎn)足本項(xiàng)目施工進(jìn)度計(jì)劃。而采用支護(hù)樁到頂+一道支撐支護(hù)，支撐的位置有兩個(gè)選擇，一是支撐位于樁頂位置，這樣有利于約束樁頂位移，但支撐到基坑底的支護(hù)高度增加，凈距達(dá)到8.45m，這樣容易造成支護(hù)樁彎矩增大，產(chǎn)生鼓肚效應(yīng)；二是支撐做到圍護(hù)樁腰部位置，這樣可以有效降低支護(hù)高度，但對(duì)于樁頂位移約束不利。為了選擇合適支護(hù)樁與支撐的組合，對(duì)上述幾種情況分別進(jìn)行試算，分析各種工況下基坑圍護(hù)樁的側(cè)向變形情況，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 圍護(hù)樁與支撐工況組合試算結(jié)果

從表2 可以看出常規(guī)的圍護(hù)樁+兩道支撐能夠有效控制圍護(hù)樁側(cè)向變形，達(dá)到地鐵關(guān)于圍護(hù)樁側(cè)向變形的控制要求。圍護(hù)樁+一道支撐方案，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，支撐設(shè)置于腰部位置對(duì)變形控制效果明顯要好于支撐設(shè)置于樁頂部位，主要是由于支撐設(shè)置于樁頂部位，支護(hù)高度增加，支撐底面至基坑底凈距達(dá)到8.45m，圍護(hù)樁側(cè)壁產(chǎn)生鼓肚效應(yīng)。圍護(hù)樁+一道支撐方案雖然側(cè)向變形較圍護(hù)樁+兩道支撐大，但通過(guò)加大圍護(hù)樁樁徑的手段也能達(dá)到控制側(cè)向變形的目的，同時(shí)隨著支護(hù)樁樁徑的加大，支撐設(shè)置于頂部與腰部的變形差異也明顯減小。

考慮本項(xiàng)目場(chǎng)地較為緊張，將支撐設(shè)置于樁頂，在起到支護(hù)作用的同時(shí)也可以設(shè)置施工棧橋解決施工場(chǎng)地緊張的問(wèn)題。雖然支撐設(shè)置于頂部存在明顯的圍護(hù)樁鼓肚效應(yīng)，可通過(guò)加大樁間距來(lái)減弱這種不利影響，從整體來(lái)看對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的順利實(shí)施是利大于弊的。

3.3 地下水處理

地下水問(wèn)題的處理是基坑支護(hù)成功與否的關(guān)鍵，同時(shí)地下水的變化也與地鐵的變形有著密切聯(lián)系。本項(xiàng)目基坑側(cè)壁中下部進(jìn)入了＜3-1＞粉土～粉砂層，根據(jù)無(wú)錫地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，該層土含水量非常豐富，易發(fā)生流砂，處理不當(dāng)將嚴(yán)重威脅基坑以及地鐵安全。本項(xiàng)目綜合分析考慮項(xiàng)目土層情況以及無(wú)錫地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，四周采用三軸攪拌樁封閉止水，坑內(nèi)采用管井疏干降水，同時(shí)為確保地鐵側(cè)安全，于樁間增加一道高壓旋噴樁止水。實(shí)際開(kāi)挖結(jié)果顯示，基坑開(kāi)挖及施工階段雖處于無(wú)錫地區(qū)雨季，但未發(fā)生流沙等險(xiǎn)情，止水措施取得了較好的效果。

4 基坑變形控制措施

研究表明基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，本項(xiàng)目基坑沿地鐵一側(cè)長(zhǎng)度近80m，為了盡可能減少地鐵側(cè)基坑開(kāi)挖施工持續(xù)時(shí)間，從有利于地鐵保護(hù)的角度出發(fā)要求基坑土方開(kāi)挖及地庫(kù)施工分區(qū)進(jìn)行，共劃分三個(gè)區(qū)域，地鐵側(cè)80m 范圍基坑劃分為平行的一區(qū)、二區(qū)，遠(yuǎn)離地鐵側(cè)劃分為三區(qū)，如圖3 所示。基坑開(kāi)挖及施工順序如下：

圖3 基坑工程施工分區(qū)圖

①開(kāi)挖至地下室負(fù)一層；

②一區(qū)二區(qū)負(fù)二層土方保留，三區(qū)土方開(kāi)挖至負(fù)二層；

③回筑三區(qū)地下室；

④開(kāi)挖一區(qū)土方并回筑一區(qū)地下室；

⑤開(kāi)挖二區(qū)土方并回筑二區(qū)地下室。

5 基坑開(kāi)挖實(shí)測(cè)分析

本基坑從3 月中旬土方開(kāi)挖到7 月中旬大部分地庫(kù)結(jié)構(gòu)封頂，歷時(shí)4 個(gè)月。橫跨了無(wú)錫地區(qū)雨水最多的梅雨季節(jié)，但整個(gè)過(guò)程總體順利，未發(fā)生重大險(xiǎn)情也未發(fā)現(xiàn)基坑側(cè)壁明顯滲漏情況，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，基坑安全可控，西側(cè)開(kāi)挖到底現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 基坑施工實(shí)況

支護(hù)樁施工時(shí)同步埋設(shè)樁身測(cè)斜孔，基坑開(kāi)挖到底實(shí)測(cè)深層位移曲線如圖5所示。

圖5 樁身水平位移實(shí)測(cè)曲線

由圖5 可以看出，開(kāi)挖到底支護(hù)樁最大水平位移為13.21mm，小于0.15%的變形控制要求，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。另外從三區(qū)開(kāi)挖到底與一區(qū)開(kāi)挖到底圍護(hù)樁深層位移曲線可知，分塊施工地鐵側(cè)留土對(duì)圍護(hù)樁側(cè)向位移有著較好的約束作用，留土的存在使得最大側(cè)向水平位移減小了61%，與整體開(kāi)挖施工相比使得側(cè)向水平位移達(dá)到最大值推遲了1 個(gè)月，盡可能地減輕了基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵線路的影響。

同時(shí)為了監(jiān)控基坑開(kāi)挖期間基坑坑底隆起情況，在坑內(nèi)設(shè)置兩排6 個(gè)坑底隆起觀測(cè)點(diǎn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 坑底隆起實(shí)測(cè)曲線

由圖6 可以看出，基坑底最大隆起為6.42mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求。另外坑底隆起位移曲線在初期存在沉降現(xiàn)象，推測(cè)原因?yàn)榭拥孜挥诜弁练凵皩樱咏邓畬?dǎo)致坑底短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生沉降。

6 結(jié)論

①本項(xiàng)目采用樁+一道支撐支護(hù)，與常規(guī)樁+兩道支撐的方案相比大大節(jié)省了支護(hù)成本，同時(shí)也加快了項(xiàng)目施工進(jìn)度，將支撐設(shè)于樁頂位置并設(shè)置T 型施工棧橋，解決了施工場(chǎng)地不足的問(wèn)題，在安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工便捷性三個(gè)方面取得了平衡。

②由于采用樁+一道支撐支護(hù)，對(duì)項(xiàng)目的分析也發(fā)現(xiàn)當(dāng)支撐到基坑底的凈支護(hù)高度較大時(shí)易發(fā)生鼓肚情況，對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移控制不利，此時(shí)應(yīng)通過(guò)增大樁徑等措施來(lái)控制變形。

③基坑結(jié)構(gòu)具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，基坑分塊施工有助于控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，對(duì)于地鐵的保護(hù)有利。