緊鄰地鐵車站超深基坑變形控制及實例分析

蘇子將，陳俊馳，劉 波

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122; 2.中電建重慶勘測設計研究院有限公司,重慶 401329)

1 研究背景

隨著經濟的快速發(fā)展和城市化進程的加速,我國正處于以城市軌道交通建設為主體的地下空間大規(guī)模開發(fā)時期,大規(guī)模建設必然造成線路交叉甚至多條線交叉;而臨近既有線或與既有線交叉時不可避免地面臨保護軌道交通線路正常運營的困難[1-4],對深基坑支護也提出了更高的要求[5-6]。

本文以臨近既有車站的某軌道交通車站超深基坑為依托,對基坑開挖引起既有地鐵車站的變形特性進行分析研究。該超深基坑與既有車站近距離、全車站平行,施工難度和風險極大,通過開挖方案設計、支撐系統(tǒng)加強、降水止水結合和綜合利用各種既有線沉降控制措施,成功實現(xiàn)了基坑開挖期間既有線的安全運營,同時為國內與既有線平行布置的超深軌道交通車站基坑提供了工程實例的支撐,可供借鑒和參考。

2 工程概況及開挖方案

2.1 工程概況

某新建軌道交通18號線騾馬市站為地下6層、雙柱三跨島式換乘車站,南北向布置;新建10號線車站為地下5層,東西向布置;既有1號線為地下2層雙柱島式車站,南北向布置,既有4號線東西向布置。

新建18號線車站明挖基坑長182.6 m,寬28.4 m,深約45.0 m,圍護結構采用鉆孔樁+內支撐方案,降排水采用坑外管井降水結合坑內明排方案;新建10號線車站主體基坑長165.8 m,寬35.2 m,深約35.0 m。18號線車站與既有1號線車站平行布置,且車站基坑距離既有1號線車站側墻距離僅5.3 m。車站平面及立面關系詳見圖1,圖2。

場地地層自上而下依次為:填土、粉質黏土、粉細砂、稍密—密實卵石,強—中風化泥巖;其中基坑底位于中風化泥巖層中,既有車站結構底板位于卵石層及粉細砂層,地下水位主要為卵石層中潛水,水位埋深為地面下2 m～5 m。

2.2 工程重難點及應對措施

既有1號線車站底板埋深約16.5 m,側壁土層為填土、粉質黏土、稍密—中密卵石層,且底板下部分區(qū)域存在約2.0 m粉細砂層,超深超近距離基坑的開挖對既有線沉降影響非常敏感;新建車站基坑深度約45.0 m,深于既有車站底板約28.5 m,且既有線基坑底約13 m范圍內的泥巖具有遇水軟化、崩解,強度急劇降低,屬軟質巖、弱膨脹巖。因1號線車站已投入運營,如果施工不當,就可能引起既有車站的結構破壞、過大沉降或不均勻沉降,甚至影響既有線的安全運營。

為保證既有線結構安全及變形滿足要求,施工時采取多項措施:基坑開挖前對既有1號線車站兩側對稱、階梯式管井降水,且根據地質情況尤其是粉細砂層進行一井一設計,基坑與既有車站之間的土層采取預注漿;基坑開挖按照要求分部開挖,及時施作支護措施,對既有車站底板下粉細砂層采取跟蹤注漿;由于風化巖層遇水軟化、具有膨脹性,且地層中存在基巖裂隙水,因此各工序需緊湊施工;同時對既有車站及區(qū)間采用自動化24 h監(jiān)測,監(jiān)測布點以3倍基坑深度范圍作為重點監(jiān)測區(qū)域,并對監(jiān)測數(shù)據及時統(tǒng)計分析。

2.3 支護方案

根據新建車站與既有線車站的相對關系以及計算結果,支護方案采用樁+支撐圍護結構形式;為加強支撐體系的水平向剛度,有效減小既有線基底標高位置、土巖交界面位置的側向變形,第一、三、五道支撐采用混凝土支撐,其余四道支撐采用鋼支撐結構,并在中部設置鋼格構立柱。

2.4 開挖方案

土方開挖遵循水平分段、豎向分層,臺階式、快速開挖、快速支撐、隨挖隨撐、嚴禁超挖的原則,充分利用“時空效應”,減小變形量(見圖3)。

新建基坑開挖采用縱向分段、豎向分層+垂直開挖方案,分流水段進行作業(yè)。具體開挖方案為:18號線由北向南分層逐步開挖施工并及時施作鋼支撐與混凝土支撐;當不能利用馬道出土后,18號線土方采用電抓斗進行垂直土方開挖,形成臺階開挖,由南北向中部開挖,基坑開挖至基坑墊層以上300 mm時,進行基礎驗收并人工開挖至設計標高。

3 既有線變形控制

3.1 既有線結構調查

施工前對既有線的現(xiàn)狀進行檢測評估,既有線結構頂、底板及側墻未出現(xiàn)裂縫,結構混凝土強度及澆筑質量均正常。

3.2 數(shù)值模擬計算分析

3.2.1 計算模型

為預測18號線開挖對既有1號線車站結構的變形,運用midas GTS軟件,建立三維地層-結構整體模型計算基坑開挖工況,計算模型如圖4所示。

3.2.2 基坑開挖數(shù)值分析結果

基坑開挖施工時既有線結構沉降云圖如圖5所示,結構沉降最大值約為4.0 mm。

3.2.3 降水工況數(shù)值分析結果

運用GeoStudio軟件計算降水工況下滲流場變化造成的土體變形。降水施工對既有車站結構影響以沉降變形為主,既有線結構沉降云圖如圖6所示,既有線結構沉降約2.8 mm。

綜合考慮基坑開挖,降水施工對既有線結構沉降分析,既有線結構沉降為6.8 mm。

3.3 變形控制指標

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》及《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》,本工程施工期間既有線控制指標如表1所示。

表1 城市軌道交通既有線監(jiān)測技術指標

4 既有線沉降變形控制關鍵技術

既有線的變形控制技術為一個動態(tài)控制過程,從前期的既有線監(jiān)測到最終的使用完成均包含在既有線的沉降控制范圍之內。

4.1 降水方案設計

本工程既有車站基坑距離新建車站的基坑約為5.3 m,降水對既有結構影響主要為地層中水位下降引起有效應力增加,從而引起的地層沉降,以及降水施工時由于卵石層中填充砂及粉細砂層流失導致的沉降,另外因既有線兩側不平衡的水壓引起的水平位移等。

根據卵石層的密實程度、粉細砂層埋深及厚度等地質情況,結合現(xiàn)場抽水試驗確定各層土層滲透系數(shù)、單井結構、含砂率試驗結果,通過理論計算和實際模擬,考慮1號線、4號線車站施工過程中降水情況及周邊建構筑物降水歷史情況計算預估水位下降引起的地層沉降。

4.2 降水與局部止水結合

由于本工程基坑工程與既有車站相對關系的特殊性,方案設計時綜合對比了咬合樁止水帷幕方案及坑外降水加局部止水方案。依據地勘報告,按照泥巖埋深30 m驗算,止水方案的圍護結構承擔的水平力,比坑外降水局部止水方案的荷載約大60%,土建投資增加近千萬元。同時止水方案存在圍護結構荷載明顯增大,同時高水頭自始至終都影響圍護結構和深基坑的安全穩(wěn)定。

通過現(xiàn)場抽水試驗及理論分析,優(yōu)化降水井方案,細化巖土交界面止、排水措施,可保證既有線結構變形在可控范圍內,同時考慮經濟因素,最終確定采用坑外降水加局部止水方案。

本工程地下水主要為卵石層中潛水,巖層中存在基巖裂隙水。由于新建車站基坑深度最深為45 m,泥巖層埋深約30 m,根據地區(qū)以往經驗,采用管井降水時卵石層與巖層交界面存在降水盲區(qū),且?guī)r層中存在裂隙水,因此在基底至巖層交界面以上2 m高度的范圍設置樁間模筑混凝土,即上部卵石層中潛水以管井降水,下部交界面位置及基巖裂隙水采用止水的組合方案,既可以節(jié)約投資,又有效減少了交界面土體流失引起的沉降。

4.3 基坑支撐布置

新建18號線車站基坑與既有1號線平行,圍護結構采用樁+支撐結構,根據地層分布及既有線與基坑位置關系,豎向采用七道支撐,其中第一道支撐、第三道支撐(既有結構底板位置標高),第五道支撐(卵石與巖層交界面)采用混凝土支撐,其余采用鋼支撐,同時為加強支撐剛度,基坑中間采用格構柱及縱向連系梁減小支撐跨度。采用中間格構柱后可提高支撐軸向承載力。

根據施工過程中收集的支撐監(jiān)測數(shù)據,鋼支撐最大軸力實測值一般小于計算支撐軸力標準值,而混凝土支撐最大實測值受溫度及測量方式影響變化較大。

4.4 既有車站側部土體加固注漿

新建車站與既有結構間土體寬度最近約為5.3 m,主要為粉質黏土、稍密、中密卵石層以及粉細砂層,采用旋挖鉆孔施工時對中間夾土有一定的卸載、擾動。為減少松散土體的不利影響,同時提高土體物理常數(shù),對中間夾土采取預注漿加固措施,結合現(xiàn)場情況采用地面注漿方式加固既有車站側部土體,注漿孔沿車站縱向布置1排,縱向間距3 m,采用φ48 mm袖閥管分2次鉆進注漿,注漿材料采用水灰質量比為0.8∶1的水泥漿,注漿壓力0.2 MPa～0.4 MPa。

4.5 既有車站底板注漿

既有車站結構底板下部分區(qū)域存在約2.0 m厚粉細砂層,新建基坑開挖以及降水時,對既有線沉降影響較大,因此基坑開挖接近既有結構底板標高時,對既有結構底板下砂層進行填充式水泥漿注漿,注漿管采用φ108 mm鋼花管,注漿材料采用水灰質量比為1∶1的水泥漿,正式注漿前進行試驗確定注漿參數(shù)。注漿鉆孔施工時需嚴格按照要求控制鉆孔角度,鉆孔與既有結構底板距離不小于1.0 m,注漿時采用間歇式注漿且加強監(jiān)測,避免注漿施工導致既有結構上浮。

文化自信是主體對自身文化價值的充分肯定和積極踐行。鄉(xiāng)土文化自信是指鄉(xiāng)村社會主體對鄉(xiāng)村文化的一種信心、信念，是鄉(xiāng)民對傳統(tǒng)文化價值和自身理想信念的認可，是對所屬群體文化生命力及其發(fā)展前景的肯定，是一種發(fā)自內心的文化自信心和自豪感[3]。鄉(xiāng)土文化自信不是盲目的自信，而是源于對優(yōu)秀鄉(xiāng)土文化的自覺和自醒，根基在于對鄉(xiāng)土文化價值的認同。

4.6 施工監(jiān)測信息化

基坑工程施工時,加強對圍護結構、地下水、周邊建構筑的監(jiān)測,尤其是對降水含砂量的檢測,含砂率應小于1/100 000,其中兩車站間降水井的含砂率要求小于1/200 000,一旦發(fā)現(xiàn)異常及時采取措施,盡量減少地層損失引起的地面沉降。

利用數(shù)值模擬分析評估基坑降水、開挖全過程的施工風險,利用實時監(jiān)測數(shù)據驗證和反分析,確保車站基坑的變形在安全控制標準范圍內。利用全自動監(jiān)測與人工復核實現(xiàn)新建基坑與已運營地鐵狀態(tài)的實時監(jiān)控與變形預警。

5 監(jiān)控量測

針對既有線的變形制定監(jiān)控量測方案,對既有線結構的整體沉降進行嚴格的監(jiān)控量測,用以指導現(xiàn)場施工。為不影響列車運營,新建基坑實施時對既有線的影響范圍內布置了自動化監(jiān)測,截止2022年12月,新建基坑已開挖完成并完成地下4層—6層主體結構施工。除個別管井內因水泵多次更換造成局部沉降達到7.5 mm外,其余監(jiān)測點既有線結構底板最大沉降約為6.7 mm,如圖7所示[6]。

6 結論

本文以某軌道交通18號線四線換乘站為工程背景,研究分析了緊鄰既有車站的超深基坑變形控制關鍵技術。通過工程類比、數(shù)值分析及現(xiàn)場施工總結,得出如下主要結論:

1)利用樁+支撐的支護形式,通過加強支撐剛度,在混凝土支撐與鋼支撐及豎向格構柱的保護下進行施工的開挖方案,是超深基坑開挖既有線變形控制的基礎。

2)采用優(yōu)化的降水設計,降水與止水排水結合方式保持開挖工作面干燥的同時,大大減少了卵石間填充細顆粒尤其是既有結構下的粉細砂地層損失而引起的沉降,同時采用既有結構兩側對稱降水是確保既有線變形安全可控的主要保障。

3)對基坑與既有結構間的夾土、既有結構底板下粉細砂層進行填充注漿加固,是減少基坑開挖時的既有結構沉降控制的重要手段。

4)嚴格按照先支撐、再開挖、同步監(jiān)測的信息化施工,是既有結構沉降控制的重要保障。

5)針對L型新建車站基坑陽角部分采用蓋挖法施工,是確保既有結構沉降控制的輔助手段。

通過綜合采取各種既有線沉降控制技術,使得本工程既有線的相關沉降控制指標均在控制指標之內,保障了既有線的安全運營,從而保證了整個工程項目得以順利完成。施工中支撐軸力與計算值有一定的差異,支撐材料及支撐剛度的不同對基坑變形影響較大,不同地層的止水與降水方案、大型超深基坑在陽角位置的變形等需進一步研究。本工程緊鄰既有線超深基坑的成功實施可為類似工程提供技術參考和借鑒。