鄰近地鐵深基坑鋼管斜撐支護(hù)與土方開挖技術(shù)*

賈 飛

(陜西建工基礎(chǔ)建設(shè)集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710016)

0 引言

隨著城市地下空間的大規(guī)模開發(fā)與利用,越來越多的基坑工程緊鄰甚至緊貼運(yùn)營(yíng)地鐵,基坑開挖必然會(huì)打破鄰近地鐵線路的原有地應(yīng)力平衡,從而引起地鐵車站產(chǎn)生相應(yīng)的變形。地鐵車站結(jié)構(gòu)對(duì)變形的要求極其嚴(yán)格,為保證地鐵車站的安全和正常使用,基坑在施工過程中須采取嚴(yán)格的工程措施。因此,地鐵周邊深基坑的支護(hù)與開挖已成為城市建設(shè)過程中亟需面對(duì)的問題,解決城市建設(shè)發(fā)展與已有地鐵保護(hù)雙重需要的矛盾具有重要意義。

本文以西安咸陽國(guó)際機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程GTC及軌道預(yù)留項(xiàng)目基坑支護(hù)工程為例,針對(duì)鄰近在運(yùn)營(yíng)地鐵線路兩側(cè)基坑,討論實(shí)際施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為西安咸陽國(guó)際機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程GTC及軌道預(yù)留項(xiàng)目,包括GTC換乘中心、GTC南北停車樓及地鐵車站等。基坑分為東、西2個(gè)區(qū),在運(yùn)營(yíng)地鐵線路從項(xiàng)目中間穿過。

基坑?xùn)|西長(zhǎng)約390m,南北長(zhǎng)約460m,面積約138 000m2,開挖深度為6.3～21.5m。項(xiàng)目包括南北過夜用房(H1,H2區(qū))、換乘中心(G2,G4區(qū))、南北停車樓(P1-1,P2-1),在運(yùn)營(yíng)的機(jī)場(chǎng)14號(hào)線由南向北下穿通過GTC,項(xiàng)目分區(qū)如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目分區(qū)Fig.1 Project sub-region

1.2 基坑與地鐵位置關(guān)系

換乘中心段基坑與地鐵14號(hào)線車站主體結(jié)構(gòu)最小水平凈距為3.2m,地鐵預(yù)留工程基坑與地鐵14號(hào)線車站主體結(jié)構(gòu)最小水平凈距為3.8m;南過夜用房基坑與地鐵14號(hào)線主體結(jié)構(gòu)最小水平凈距為7.1m。位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 基坑與地鐵車站關(guān)系Fig.2 Relationship between foundation excavation and subway station

北過夜用房基坑與地鐵14號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間正線隧道最小水平凈距為6.25m,地鐵預(yù)留工程基坑與地鐵14號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間正線隧道最小水平凈距為6.70m。位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 基坑與地鐵隧道關(guān)系Fig.3 Relationship between foundation excavation and subway tunnel

1.3 工程地質(zhì)條件

該項(xiàng)目場(chǎng)地地貌單元屬黃土塬,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,場(chǎng)地濕陷性等級(jí)為Ⅱ級(jí),濕陷性黃土受浸水作用后結(jié)構(gòu)弱化,其強(qiáng)度會(huì)大幅度降低,產(chǎn)生增濕剪切破壞現(xiàn)象。

2 工程重難點(diǎn)

2.1 緊鄰運(yùn)營(yíng)地鐵,變形控制要求高

項(xiàng)目基坑緊鄰地鐵線路,相關(guān)附屬結(jié)構(gòu)包括機(jī)房、電梯預(yù)留井口、泵房、出風(fēng)口等,均位于地鐵結(jié)構(gòu)上方,結(jié)構(gòu)周邊有擋土墻、擋水墻,上部有排水溝,北過夜樓北側(cè)有消防水池。車站內(nèi)部局部已存在裂縫、滲漏等情況。因此,對(duì)變形控制的要求極高。

基坑開挖導(dǎo)致既有地鐵線路變形的因素有很多,如基坑開挖的時(shí)空效應(yīng)、基坑與地鐵隧道的相對(duì)距離等,其中基坑與地鐵隧道的相對(duì)距離對(duì)既有地鐵線路變形影響最大[1]。

2.2 基坑規(guī)模大,工程難度大

基坑為最大深度達(dá)21.5m的超深基坑,在運(yùn)營(yíng)地鐵從場(chǎng)地中間穿過,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間有限,同時(shí)作業(yè)單位多,且基坑位于在運(yùn)營(yíng)地鐵線路東西兩側(cè),導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)管理、平面協(xié)調(diào)與交通組織難度較大。

3 基坑支護(hù)形式

車站為地下1層六柱五跨箱形結(jié)構(gòu)。車站總長(zhǎng)約432.8m,標(biāo)準(zhǔn)段寬60m,底板埋深約17.65m。車站兩端均設(shè)置暗挖區(qū)間。

各區(qū)域基坑支護(hù)形式如圖4所示。

圖4 各區(qū)域支護(hù)形式Fig.4 Support form in each area

換乘中心(G2區(qū))支護(hù)深度為10.33m,采用護(hù)坡樁+鋼管斜支撐。北旅客過夜用房(H1區(qū))支護(hù)深度9.47m,采用護(hù)坡樁+鋼管斜支撐?；颖倍诉M(jìn)入車站端頭及區(qū)間影響區(qū)范圍,圍護(hù)樁直徑為1.2m,水平間距1.5m,設(shè)3道水平斜撐和1道換撐,第1道為800mm×800mm混凝土支撐,其余3道均為φ800×20鋼支撐。南旅客過夜用房(H2區(qū))支護(hù)深度9.47m,采用護(hù)坡樁+鋼管斜支撐?；幽隙诉M(jìn)入車站區(qū)間影響區(qū)范圍,采用護(hù)坡樁+鋼支撐。

換乘中心(G4區(qū))支護(hù)深度12.1m,采用護(hù)坡樁+鋼管斜支撐、倒撐。北停車樓(P2-1區(qū))支護(hù)深度12.1m,采用護(hù)坡樁+鋼管斜支撐、倒撐?；颖倍诉M(jìn)入車站端頭及區(qū)間影響區(qū)范圍,圍護(hù)樁直徑為1.2m,水平間距1.5m,設(shè)3道水平斜撐和1道換撐,第1道為800mm×800mm混凝土支撐,其余3道均為φ800×20鋼支撐。南停車樓(P1-1區(qū))支護(hù)深度12.1m,采用護(hù)坡樁+鋼管斜支撐、倒撐。

4 工程影響分析

基坑開挖過程即基坑卸荷的過程,由于卸荷而引起坑底土體產(chǎn)生向上隆起、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形及坑周地層的移動(dòng),從而導(dǎo)致地面沉降及坑外地鐵隧道的變形,如圖5所示。

圖5 基坑開挖卸荷后的變形Fig.5 Deformation of foundation excavation after excavation unloading

在基坑開挖過程中,隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和坑底土層的隆起,緊鄰深基坑的在運(yùn)營(yíng)地鐵隧道會(huì)產(chǎn)生水平和豎向位移。隧道變形呈不均勻性,從而產(chǎn)生一定的彎曲變形。當(dāng)隧道變形超過一定值時(shí),易對(duì)其正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響。利用有限元軟件對(duì)該工程的開挖進(jìn)行模擬,分析不同工況對(duì)地鐵線路及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 有限元計(jì)算模型Fig.6 Finite element calculation model

4.1 基坑開挖對(duì)地鐵線路影響分析

4種不同開挖工況下的地鐵車站側(cè)墻變形如圖7所示。由圖7可知,開挖過程中是否預(yù)留反壓土對(duì)地鐵車站的水平變形影響相對(duì)較大,當(dāng)開挖過程中預(yù)留反壓土?xí)r,地鐵車站的水平變形最小。相較于非對(duì)稱開挖,地鐵車站兩側(cè)對(duì)稱開挖也能有效減小車站結(jié)構(gòu)的水平變形。當(dāng)采用對(duì)稱開挖時(shí),地鐵車站結(jié)構(gòu)呈兩側(cè)對(duì)稱式的水平變形;當(dāng)采用非對(duì)稱開挖方式時(shí),地鐵車站有整體向開挖側(cè)變形的趨勢(shì)。

圖7 地鐵車站側(cè)墻變形Fig.7 Deformation of side wall of subway station

不同開挖工況下地鐵車站兩側(cè)的差異沉降量如圖8所示。由圖8可知,非對(duì)稱開挖且無預(yù)留反壓土的情況下,地鐵車站的差異沉降量較大,而有預(yù)留反壓土的情況下,地鐵車站的差異沉降量較小。

圖8 地鐵車站兩側(cè)差異沉降Fig.8 Settlement difference on both sides of subway station

4.2 基坑開挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響分析

不同開挖工況下支護(hù)樁樁身水平變形如圖9所示。由圖9可知,開挖時(shí)預(yù)留反壓土,能較好地限制樁身水平變形,其原因是反壓土提供的被動(dòng)土壓力能限制支護(hù)結(jié)構(gòu)后主動(dòng)土壓力區(qū)的發(fā)展,從而減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形。此外,采用對(duì)稱式開挖也能在一定程度上減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形,因?qū)ΨQ式開挖在支護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)產(chǎn)生主動(dòng)土壓力區(qū),減小了作用在對(duì)側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)上的附加應(yīng)力。

圖9 樁身水平變形Fig.9 horizontal deformation of pile

5 工程關(guān)鍵技術(shù)

基坑開挖是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,開挖方式及順序的選擇對(duì)周圍環(huán)境影響較大[2],既有地鐵結(jié)構(gòu)距基坑越近,或兩側(cè)基坑開挖面高差越大,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移也越大[3]。因此,需針對(duì)工程實(shí)際條件制定完善的開挖及支護(hù)對(duì)策。隧道兩側(cè)深基坑開挖常采用分區(qū)開挖、緊鄰地鐵隧道區(qū)域地下室減層設(shè)計(jì)、坑內(nèi)土體加固[4]等施工措施。

5.1 土方開挖

5.1.1分區(qū)分段開挖

地鐵線路結(jié)構(gòu)的變形主要由深大基坑坑底隆起和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形所引起,且與基坑卸荷量大小及卸荷時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。因此,將大面積卸荷區(qū)域劃分為若干個(gè)獨(dú)立的卸荷區(qū)域,分階段、分時(shí)段進(jìn)行開挖卸荷可減小對(duì)地鐵線路的影響。施工區(qū)域分塊如圖10所示。

圖10 施工區(qū)域分塊Fig.10 Construction area block

地鐵影響區(qū)土方開挖及支護(hù)階段,既有線兩側(cè)共分為18個(gè)板塊(西側(cè)9個(gè)板塊,東側(cè)9個(gè)板塊),開挖高差≤2m,由遠(yuǎn)離地鐵方向向靠近地鐵方向分層施工。地鐵影響區(qū)主體施工階段,既有線兩側(cè)按設(shè)計(jì)后澆帶共分為22個(gè)板塊(西側(cè)10個(gè),東側(cè)12個(gè))。北旅客過夜用房和北停車樓(P2-1)由北向南施工;換乘中心(G2/G4)由兩側(cè)向中間施工;南旅客過夜用房和南停車樓(P1-1)由南向北施工。

5.1.2對(duì)稱同步開挖

緊貼地鐵隧道單側(cè)基坑開挖引起車站結(jié)構(gòu)上抬,并產(chǎn)生不對(duì)稱變形[5],基于時(shí)空效應(yīng)理論,通過優(yōu)化土方開挖步序,依據(jù)不同基坑深度,合理分層分塊,針對(duì)深基坑土方工程對(duì)地鐵變形的影響,采取限量、限時(shí)、平衡、對(duì)稱等開挖原則,確保土方施工時(shí)的地鐵及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形可控[6]。因此,本工程地鐵線附近土方開挖時(shí)應(yīng)注意對(duì)正在運(yùn)行地鐵線的保護(hù),地鐵兩側(cè)土方開挖區(qū)域分為8倉(cāng),分倉(cāng)、分段、兩側(cè)對(duì)稱同步開挖,開挖過程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率。相較于非對(duì)稱式開挖,基坑對(duì)稱式開挖對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)的變形影響較小,主要是因?yàn)閷?duì)稱開挖是同時(shí)卸荷,地鐵車站部分側(cè)向位移會(huì)相互抵消[7]。

5.2 基坑支護(hù)

5.2.1對(duì)稱施工

基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及施工過程中需特別注意對(duì)地鐵隧道的保護(hù),為保證既有地鐵線路的正常運(yùn)營(yíng),本工程采用鋼管斜撐支護(hù),鋼管斜撐應(yīng)就近在平坦場(chǎng)地分節(jié)拼接,以確保拼接質(zhì)量,拼接完成后轉(zhuǎn)運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。地鐵兩側(cè)對(duì)稱開挖后,鋼管斜撐應(yīng)在東西兩側(cè)對(duì)稱施工,兩側(cè)同時(shí)施加預(yù)應(yīng)力,防止因受力不對(duì)稱引起既有地鐵線路變形。

5.2.2預(yù)留土體

為優(yōu)化支護(hù)效果,應(yīng)盡可能減小地鐵結(jié)構(gòu)的變形,施工斜撐前,需保留一部分反壓土,減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩,從而減小其變形。同時(shí),預(yù)留土體可減小對(duì)地基承載力的影響,減小地鐵結(jié)構(gòu)的沉降,也可減小因基坑開挖卸荷引起的基坑附近土體隆起,減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地鐵原有支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向變形,加強(qiáng)圍護(hù)效果,原有地鐵基坑和現(xiàn)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用,形成了較大的支護(hù)剛度,能較好地控制開挖變形的發(fā)展[1]。

5.2.3拆撐換撐

斜撐會(huì)占用一部分主體結(jié)構(gòu)的建筑空間,因此當(dāng)主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻及筏板混凝土支座強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后,應(yīng)進(jìn)行換撐,以保證控制變形的同時(shí)給主體結(jié)構(gòu)留有足夠的施工空間。

支護(hù)結(jié)構(gòu)施工步驟如圖11所示。

圖11 支護(hù)結(jié)構(gòu)施工步驟Fig.11 Construction steps of supporting structure

1)第1步 主體圍護(hù)樁施工完成后,兩側(cè)基坑分層、分段、對(duì)稱開挖,開挖過程中保留反壓土(見圖11a)。

2)第2步 開挖至底板后,施作地基處理樁基、褥墊層,澆筑墊層、底板及抗剪蹬(見圖11b)。

3)第3步 架設(shè)斜向鋼支撐,并對(duì)稱施加預(yù)應(yīng)力(見圖11c)。

4)第4步 開挖反壓土,施工剩余底板及側(cè)墻抗剪蹬,并架設(shè)鋼換撐(見圖11d)。

5)第5步 拆除斜向鋼支撐,施工剩余側(cè)墻及頂板,待施工結(jié)束后拆除鋼換撐(見圖11e)。

5.3 施工協(xié)調(diào)

支護(hù)樁、土釘墻、噴錨支護(hù)的施工應(yīng)穿插進(jìn)土方開挖過程中,土方開挖與支護(hù)工程施工交替進(jìn)行,每層開挖至錨索或鋼支撐位置下50cm時(shí),立即施工錨索或鋼支撐,減少土體暴露時(shí)間。待錨索或鋼支撐達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再進(jìn)行下層土方開挖。鋼支撐在夏季高溫季節(jié)會(huì)產(chǎn)生脹縮現(xiàn)象,故在施工過程中應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)測(cè)其軸力、應(yīng)力及變形,當(dāng)監(jiān)測(cè)值接近預(yù)警值時(shí),應(yīng)采取草墊遮蓋、灑水等降溫措施,以保證鋼支撐軸力在安全范圍內(nèi)。

6 監(jiān)測(cè)情況

為準(zhǔn)確判斷基坑在土方開挖及結(jié)構(gòu)施工過程中的穩(wěn)定性,本工程委托第三方專業(yè)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)施工全過程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè),并及時(shí)整理觀測(cè)數(shù)據(jù),以便指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括:護(hù)坡樁頂部水平及豎向位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)深部水平位移、周邊道路沉降、坑邊地面沉降等。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地鐵隧道變形控制穩(wěn)定,該實(shí)施方案效果較好。

7 結(jié)語

本文以西安咸陽國(guó)際機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程GTC及軌道預(yù)留項(xiàng)目為例,針對(duì)鄰近地鐵鋼管斜撐支護(hù)及土方開挖施工,詳細(xì)分析了工程重難點(diǎn)及工程影響,探討了支護(hù)形式、開挖方式、施工整體部署及關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。通過靈活調(diào)整土方開挖及基坑支護(hù)施工部署,實(shí)現(xiàn)多階段施工同步開展,提高施工效率。針對(duì)鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵的深基坑,采用鋼管斜撐的支護(hù)形式并在開挖過程中預(yù)留反壓土的支護(hù)效果較好,可減小基坑施工對(duì)鄰近地鐵線路的影響,具有較好的安全性和實(shí)用性,可為今后城市建設(shè)中的相關(guān)工程提供借鑒和參考。