地鐵基坑地下連續(xù)墻變形規(guī)律及滲漏治理分析

郭 鑫

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

0 引言

為疏解地上交通壓力,北京市加大軌道交通基礎(chǔ)設施建設力度,地連墻作為重要的基坑圍護結(jié)構(gòu)形式,在地鐵車站建造過程中極大節(jié)約了城市地面的占地空間。在城市核心區(qū)進行基坑開挖施工,對安全監(jiān)控提出了更高的要求。所以為了保證基坑及周邊環(huán)境安全,選擇合適的地連墻厚度及接頭形式,能夠在基坑開挖過程中取得良好的風險控制效果。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)型式

本文以北京軌道交通13號線擴能提升工程中某車站及2個區(qū)間明挖基坑為例,進行對比分析。

案例1基坑概況:車站總長378.9 m,標準段寬24.74 m～30.71 m、基坑深17.5 m～19.5 m,頂板覆土約3.3 m。基坑采用600 mm地連墻(嵌固深度8.6 mm～12.3 mm),3道鋼支撐(加深段4道)+中立柱、連系梁支護體系。

案例2基坑概況:明挖區(qū)間基坑呈喇叭形狀,基坑全長97.07 m,基坑寬度18.14 m～30.61 m,基坑開挖深度約19.92 m。地連墻厚600 mm(嵌固深度9.62 m),標準段設置四道鋼支撐;南北端頭部位支撐形式采用3道鋼支撐及1道倒撐。

案例3基坑概況:明挖區(qū)間基坑長度182.9 m,寬度16.25 m～28.10 m,開挖深度為18.53 m～20.95 m,基坑采用600 mm地連墻(嵌固深度10.41 m～12.185 m)+內(nèi)支撐,采用3道鋼管支撐,盾構(gòu)井基坑處增加1道倒撐+中立柱、連系梁支護體系。

三個基坑案例基本輪廓及尺寸見圖1。

1.2 水文地質(zhì)

三個案例基坑工程均位于永定河沖積扇中上部,開挖范圍內(nèi)主要地層為雜填土、粉細砂、細中砂、粉質(zhì)黏土及局部卵石圓礫。以案例一的水文地質(zhì)剖面圖舉例,該區(qū)域水文及土層分布見圖2。地下水水位較高,案例基坑涉及地下水主要為潛水(二)、承壓水(三)。本文列舉三個明挖基坑案例結(jié)構(gòu)底板以上水文地質(zhì)情況,統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 基坑開挖范圍涉及含水層

2 600 mm厚薄壁地連墻變形規(guī)律

案例一:車站基坑西端頭地連墻變形,根據(jù)埋設在墻體中測斜管ZQT-01-01的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,土方開挖階段,每天變形1 mm～2 mm。墊層澆筑前,累計變形35.03 mm。因側(cè)墻結(jié)構(gòu)施工,拆除第四道10根斜撐后,階段變化6 mm,拆撐后墻體24 h內(nèi)趨于穩(wěn)定,最終墻體累計變形44.37 mm。標準段拆第三道撐過程變形一般在5 mm～8 mm。東端頭變形最大達73 mm,變形至37 mm時,玻璃纖維筋區(qū)域出現(xiàn)橫向裂縫?；游鞫祟^開挖各階段監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線見圖3。根據(jù)基坑周邊地表沉降數(shù)據(jù)繪制基坑周邊地表變形云圖見圖4。根據(jù)地連墻墻體變形及周邊地表變形云圖分析可知,墻體變形與地表沉降是同步變形。

案例二:以基坑南端頭墻體變形為例,根據(jù)測斜管ZQT-07-01監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。土方開挖階段,土方開挖至第三道撐位置時,累計變形32.36 mm。此時南端頭玻璃纖維筋及普通鋼筋搭接處出現(xiàn)裂縫,召開專家會議后,采取增設支撐的處置措施(第二道與第三道斜撐之間增設斜撐),架撐后變形趨于穩(wěn)定。該案例基坑南端頭支撐間距:第一道—第二道支撐間距5.9 m,第二道—第三道支撐間距6 m,第三道至底板7.2 m。因支撐間距相對較大,在第一次增設支撐處置完成后,第三道撐以下也增設了一道支撐,因此南端頭共計五道支撐。基坑開挖各階段監(jiān)測數(shù)據(jù)時程曲線見圖5。

案例三:以基坑南端頭ZQT-10-01為例,土方開挖階段共發(fā)生兩次較大變形。

第一次,土方開挖至第三道撐預埋件,階段變化11.15 mm,第三道撐架設完成后,變形穩(wěn)定在35 mm左右。第二次,土方繼續(xù)開挖,開挖中心預留核心土后,階段變化5.18 mm,跟蹤監(jiān)測后,墻體變形穩(wěn)定在47 mm。

直至底板澆筑完成墻體變形趨于穩(wěn)定,累計變形穩(wěn)定在49.43 mm。其中變形至37 mm時,盾構(gòu)始發(fā)洞門部位玻璃纖維筋區(qū)域出現(xiàn)多條橫向裂縫。拆除第三道撐時,階段變形22 mm,主要因素為支撐間距較大,第一道—第二道支撐間距6.9 m,第二道—第三道支撐間距5.7 m,第三道支撐距底板5.2 m?；娱_挖各階段監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線見圖6。

3 地連墻接縫滲水機理與處置

3.1 地連墻接頭形式

地連墻接頭形式主要分為柔性接頭與剛性接頭兩大類。一般根據(jù)地質(zhì)條件、使用成本及控制變形要求來選用接頭形式。本工程案例主要運用柔性接頭中的鎖口管接頭形式。地連墻結(jié)構(gòu)形式分類如圖7所示[1-2]。

本文重點對比分析鎖口管與工字鋼兩種接頭形式,首先分析鎖口管施工工藝存在如下優(yōu)缺點:

1)缺點:a.成槽過程中接縫清理、刷壁不干凈,存在夾泥;b.抗剪、抗彎能力差,受力后墻體易沿圓弧面滑移變形;c.光滑圓弧面接頭形式滲透路徑短,易滲水;d.鎖口管起拔施工過程中,易產(chǎn)生“埋管”或“坍塌”,拔管時間難以控制。

2)優(yōu)點:a.構(gòu)造簡單,拼裝效率高;b.施工方便、工藝成熟;c.接頭模具可重復利用,造價低。

工字鋼接頭形式優(yōu)缺點如下:

1)缺點:a.仍屬柔性接頭,抗彎性能不理想;b.接頭用鋼板增加,造價較高。

2)優(yōu)點:a.明顯增長了接頭滲水途徑,且折點多,有效提高了防滲漏性能;b.墻段之間增設了一定深度的鋼筋混凝土凹凸榫,提高了剛度;c.預埋通長注漿管,提前封堵縫隙,止?jié){鐵皮防止?jié)补噙^程混凝土繞流,接頭質(zhì)量易保證。

地連墻鎖口管接頭形式滲流路徑示意圖見圖8,工字鋼接頭形式及滲流路徑示意圖見圖9,圖10。

3.2 地連墻接縫滲漏水原因

基坑開挖過程中,三個案例基坑地連墻接縫均出現(xiàn)不同程度的滲漏水情況。根據(jù)規(guī)律分析,總結(jié)出四個滲水因素:

1)施工工藝——地連墻無法一次澆筑成型,分幅澆筑必然存在接縫。2)接頭形式——柔性接頭與剛性接頭的滲流路徑不同。3)接縫處理——清理不干凈,存在夾泥。4)墻外存在水頭壓力——沖散泥皮形成滲水通道。

3.3 滲漏水處置措施

根據(jù)滲流量的大小,大致分為四級:微量、稍大、較大、突涌[3-10]。案例中,三個基坑在開挖過程中,針對不同的地連墻接縫滲水情況,分別采取了相應的處置措施。通過現(xiàn)場及時對滲水治理,堵漏效果較好,直至結(jié)構(gòu)施工完成,原滲漏點無二次滲漏。本文將不同級別滲流量所對應的處置措施統(tǒng)計見表2。

表2 滲漏情況分級處置措施統(tǒng)計

4 風險管控措施

4.1 薄壁地連墻存在問題及補救措施

根據(jù)現(xiàn)場基坑開挖過程暴露的問題,統(tǒng)計為以下幾類:

1)地連墻接縫滲漏水;2)土方開挖放坡不規(guī)范,大開槽開挖;3)墻體變形較大;4)基坑臨邊堆載、超載;5)盾構(gòu)始發(fā)區(qū)域墻體裂縫;6)拆撐時變形較大;7)局部剪刀撐架設滯后。

案例一中土方開挖前期和后期存在兩種方式,前期采用大開槽開挖方式,反壓土預留不規(guī)范,墻體階段變形較大;后期縮短開挖步距,隨挖隨撐,對控制變形效果顯著。開挖方式見圖11,圖12。

本文三個案例均出現(xiàn)盾構(gòu)端頭地連墻的玻璃纖維筋與普通鋼筋搭接處出現(xiàn)橫向裂縫,以案例一為例,其裂縫位置見圖13,圖14。案例一基坑在土方開挖過程地連墻墻體變形發(fā)展快且累計變形較大,同時基坑第三道撐以下約1 m處,左、右線兩處盾構(gòu)始發(fā)部位地連墻出現(xiàn)橫向裂縫,裂縫部位地連墻材料為玻璃纖維筋,裂縫長度2.6 m～3.1 m,寬度0.5 mm～0.8 mm,深度15 cm～20 cm。

案例二與案例三因場地限制采用龍門吊吊裝作業(yè),坑邊無重載。而案例一采用150 t履帶吊吊裝作業(yè),因此受坑邊重載影響較大。履帶吊經(jīng)常碾壓基坑南側(cè)地表,造成地表最大沉降-105.55 mm,平均沉降-45 mm?；颖眰?cè)無車輛通過,地表沉降相對較小,最大沉降在-18.93 mm?；优R邊荷載影響見圖15,圖16。

針對地連墻接縫滲漏水及變形問題,可以采取以下補救措施,從而提高風險管控能力,保證基坑安全施工。具體方式如下:

1)滲漏水問題控制措施。a.地連墻墻后注漿止水;b.地連墻接縫處打設旋噴樁;c.地連墻接縫處聚氨酯堵漏;d.接縫處選用工字鋼接縫。

2)地連墻裂縫及變形控制措施。a.增設支撐或減小支撐間距;b.規(guī)范土方開挖,隨挖隨撐,適當增加支撐預加軸力;c.拆撐階段采取先卸力,根據(jù)變形監(jiān)測情況再拆撐;d.盾構(gòu)始發(fā)區(qū)域地連墻外側(cè)改為普通鋼筋。

4.2 600 mm厚地連墻共性特點及控制難點

本文三個案例地連墻均為600 mm厚,采用鎖口管接頭形式,基坑開挖范圍均為細顆粒地層且地下水豐富,基坑盾構(gòu)端頭玻璃纖維筋與普通鋼筋搭接范圍易發(fā)生橫向裂縫,裂縫寬度一般約為0.7 mm～2.3 mm,深度約11 cm～15 cm。

地連墻滲漏水控制難點為:

1)地連墻接縫質(zhì)量較差;2)基坑采用地連墻止水,坑內(nèi)疏干工藝,基坑外側(cè)未采取降水,墻外水土壓力較大;3)鎖口管接頭工藝固有缺點,滲流路徑較短。

5 結(jié)語

本文通過對北京地區(qū)軌道交通工程薄壁地連墻基坑進行綜合研究發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律,總結(jié)如下:

1)結(jié)合基坑施工至目前階段的變形特點,地連墻厚度600 mm,抗變形能力弱是客觀外部條件。施工過程,加強開挖與反壓土、開挖與架設支撐之間的協(xié)調(diào)關(guān)系,可有效控制開挖階段地連墻變形,大開槽斷與規(guī)范開挖及架撐段相比,測斜變形平均增大16.8 mm,施工過程建議加強施工規(guī)范性管控。

2)150 t履帶吊吊裝鋼支撐作業(yè),長期對路面碾壓,造成基坑附近地面沉陷和墻體變形,造成多次鄰近墻體測斜監(jiān)測點及地表點階段變形較大。

3)基坑盾構(gòu)端頭玻璃纖維筋與普通鋼筋搭接范圍易發(fā)生裂縫。

4)地連墻接縫滲漏水易造成墻外水土流失,影響基坑圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;地連墻墻后注漿止水易造成墻體變形較大,短時間內(nèi)超過變形控制值。

5)基坑在拆撐過程中會有5 mm～8 mm變形,因此應控制好拆撐范圍,可以先將部分支撐卸力,根據(jù)變形情況再拆除。

建議:1)協(xié)調(diào)土方開挖與支撐架設之間關(guān)系,隨挖隨撐。2)使用龍門吊吊裝作業(yè),合理規(guī)劃場地范圍,避免重型機械長時間停留。3)減小支撐間距,適當增加預加軸力值。4)盾構(gòu)始發(fā)區(qū)域地連墻外側(cè)改為普通鋼筋。5)接縫處選用工字鋼接縫,控制注漿壓力,合理選擇注漿材料。