易萬(wàn)元, 吳禮生, 田 野

((湖北省城市地質(zhì)工程院,湖北 武漢 430072)

武漢Ⅲ級(jí)階地上緊臨地鐵站的深基坑工程設(shè)計(jì)與施工

易萬(wàn)元, 吳禮生, 田 野

((湖北省城市地質(zhì)工程院,湖北 武漢 430072)

重點(diǎn)介紹樁撐基坑支護(hù)在緊臨地鐵特殊環(huán)境下的應(yīng)用,探索周邊存在地鐵施工環(huán)境的深基坑支護(hù)技術(shù)及降排水的設(shè)計(jì)方法,并分析總結(jié)樁撐支護(hù)在緊臨地鐵這一特定條件下運(yùn)用的合理性,闡述地下水控制和位移速率控制對(duì)臨近地鐵基坑設(shè)計(jì)施工的重要性,可為類(lèi)似工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)參考。

深基坑;樁撐;工程設(shè)計(jì)

深基坑工程施工不可避免地影響周邊地質(zhì)環(huán)境,造成周邊建(構(gòu))筑物地基沉降及地面沉降,嚴(yán)重時(shí)將對(duì)周邊建(構(gòu))筑物造成危害,危及人民生命財(cái)產(chǎn)的安全,風(fēng)險(xiǎn)性極高。地鐵運(yùn)行對(duì)軌道基礎(chǔ)的沉降極其敏感,按相關(guān)技術(shù)要求不得超過(guò)2 mm,否則,將有可能引發(fā)嚴(yán)重的地鐵運(yùn)行事故。本深基坑工程緊臨地鐵站,與地鐵站深基坑開(kāi)挖工程同期開(kāi)工,但地鐵站將先于本深基坑工程完成并投入運(yùn)營(yíng)。地鐵運(yùn)營(yíng)半年后本深基坑工程才開(kāi)挖至基坑底。因設(shè)計(jì)合理,處置措施得當(dāng),本深基坑開(kāi)挖施工未對(duì)地鐵站深基坑工程開(kāi)挖及運(yùn)營(yíng)中的地鐵線造成任何影響。本深基坑開(kāi)挖成功的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)值得今后同類(lèi)工程借鑒。

1 工程概況

本深基坑開(kāi)挖工程位于武昌火車(chē)站附近,擬建建筑物由高85.2 m的19層塔樓及高25.5 m的4層的裙房組成。設(shè)置二層整體地下室,其底板頂面建筑相對(duì)標(biāo)高-10.80 m;地面整平高程26.00 m(亦為建筑物的正負(fù)零標(biāo)高)。擬建工程場(chǎng)地東側(cè)為生活區(qū)道路;南側(cè)為大型購(gòu)物超市;西側(cè)為國(guó)家電網(wǎng)變電區(qū),過(guò)變電區(qū)為城市主干道首義南路;北側(cè)緊鄰城市主干道張之洞路,張之洞路下為4號(hào)地鐵線的首義路站?；娱_(kāi)挖面積約為4 000 m2,總體呈近似邊長(zhǎng)為65 m正方形,基坑普挖深度約為11.6～12.6 m,基坑內(nèi)電梯井挖深15.20 m,自然地面高程25.5～26.0 m?；又苓叚h(huán)境圖見(jiàn)圖1。

2 場(chǎng)地巖土工程條件

2.1 地層巖性

2.2 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地內(nèi)的地下水有上部滯水和孔隙承壓水兩種類(lèi)型,上部滯水主要賦存于人工填土層中,大氣降水及生活用水滲透是其主要補(bǔ)給來(lái)源,勘察期間測(cè)得水位埋深為0.60～2.40 m,相當(dāng)于標(biāo)高23.23～24.83 m。承壓水賦存于粉質(zhì)粘土夾粉砂(地層代號(hào)④1)、含粘性土粉砂(地層代號(hào)④2)及含粘性土卵礫石(地層代號(hào)⑤)層中,具有一定承壓性,水位受季節(jié)水量較大,勘察期間(2013年8月5日)觀測(cè)得其承壓水位埋深為11.80 m,相當(dāng)于標(biāo)高16.73 m。

2.3 周邊環(huán)境條件

場(chǎng)地東南側(cè)距基坑邊約3.0 m處有一地下箱涵(已棄用),箱涵的埋深約2～3 m。東側(cè)緊鄰生活區(qū)道路。南面離大型購(gòu)物超市中百倉(cāng)儲(chǔ)11.4～14 m(4層框架,基礎(chǔ)形式為置于老土層淺基礎(chǔ))。西面4.5 m為國(guó)家電網(wǎng)變電區(qū)。北側(cè)局部緊鄰張之洞路約9～14.6 m,4號(hào)地鐵線的首義路站設(shè)在張之洞路此處下面。首義路地鐵站出站口圍護(hù)結(jié)構(gòu)距本深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最近距離僅3.90 m,地鐵站深基坑的普挖深度為14.00 m,地鐵的軌道中心線距本基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的邊線最近距離約為27.80 m。因軌道交通施工,北面軌道交通基坑支護(hù)借用本項(xiàng)目紅線用地,地鐵交通支護(hù)樁外邊離地下室范圍線約8 m,軌道交通支護(hù)樁頂標(biāo)高為25.7 m,基底標(biāo)高為11.7 m,支護(hù)型式為排樁+內(nèi)支撐。結(jié)合上述周邊環(huán)境調(diào)查情況,周邊環(huán)境復(fù)雜,場(chǎng)地相對(duì)較狹小且不開(kāi)闊,不利于施工。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面示意圖Fig.1 Plane graph of foundation pit supporting structures

表1 場(chǎng)區(qū)巖層分布及巖層特征表

Table 1 Strata distribution and characteristics in the area

時(shí)代成因地層代號(hào)巖土名稱(chēng)狀態(tài)及密度層厚/m層頂埋深/m巖層特征Qml①1雜填土松散1．40～3．900．00～0．00雜色，主要由碎石、磚塊、混凝土塊等建筑垃圾、生活垃圾混少量粘性土填成。主要分布于場(chǎng)地表層，為新近拆除原有建筑物殘留下的建筑垃圾①2素填土松散0．40～3．701．40～3．90黃褐—褐灰色，主要由粘性土混少量磚渣、碎石等硬質(zhì)雜物填成，呈稍濕、松散狀態(tài)Qal4②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土流塑0．70～5．003．20～4．30褐灰—灰黑色，含有機(jī)質(zhì)、腐殖物，搖振輕微，干強(qiáng)度低，韌性低。呈飽和、流塑狀態(tài)②2粉質(zhì)粘土可塑1．10～5．403．30～8．20黃褐色，含鐵質(zhì)氧化物，局部夾灰色土條，無(wú)搖振反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等。呈飽和、可塑狀態(tài)Qal3③1粉質(zhì)粘土可塑0．50～0．507．00～13．00黃褐—褐黃色，含灰白色高嶺土條紋及少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，無(wú)搖振反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，呈飽和、可塑狀態(tài)③2粉質(zhì)粘土硬塑1．70～12．003．00～13．50黃褐—褐黃色，含灰白色高嶺土條紋及少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，無(wú)搖振反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度高，韌性高，呈飽和、硬塑狀態(tài)Qal+pl2④1粉質(zhì)粘土夾粉砂可塑5．80～9．4013．70～16．00黃—淺黃色，以粉質(zhì)粘土為主，含少量粉土、粉砂，呈飽和、可塑狀態(tài)④2含粘性土粉砂中密14．10～18．0020．20～24．30黃—淺黃色，以粉砂為主，含10%～15%粘性土，含少量中砂、粗砂，呈稍濕、中密狀態(tài)⑤含粘性土卵礫石中密16．30～16．3038．20～38．80雜色，粗顆粒含量約50%，粒徑一般為5～80mm，大者超過(guò)100mm，呈亞圓形，部分為扁圓形，磨圓度較好，卵石主要成分為石英巖、石英砂巖、燧石碎塊等，局部為含少量粘性土及中砂，呈飽和、中密狀態(tài)P2d⑥1泥巖強(qiáng)風(fēng)化54．60淺黃—褐灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，巖芯破碎，徒手可掰成碎塊狀，屬極軟巖

2.4 設(shè)計(jì)主要參數(shù)

基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 工程難點(diǎn)

工程場(chǎng)地存在較大限制,北面為地鐵4號(hào)線首義路站,且施工與本工程同步或先行,首先交叉施工存在較大安全隱患,其次是相鄰的支護(hù)結(jié)構(gòu)相互影響,第三是地鐵工程先于本深基坑開(kāi)挖工程完成并投入運(yùn)營(yíng),本深基坑工程開(kāi)挖將對(duì)地鐵運(yùn)行造成難以確定的影響。

基坑西面為國(guó)家電網(wǎng)變電區(qū),是本片區(qū)供電的重要設(shè)施,如果深基坑開(kāi)挖造成變電區(qū)設(shè)施的破壞,將嚴(yán)重影響該片區(qū)的生產(chǎn)和生活用電供給,社會(huì)影響面大。

基坑南面為四層樓的大型綜合購(gòu)物商場(chǎng),人流量大,商場(chǎng)建筑物基礎(chǔ)為淺埋天然地基基礎(chǔ),其基礎(chǔ)對(duì)地基的不均勻沉降非常敏感,一旦本深基坑工程開(kāi)挖引起過(guò)大的地基沉降,將對(duì)此大型綜合購(gòu)物商場(chǎng)造成嚴(yán)重危害,影響其正常營(yíng)業(yè),經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

3.2 基坑支護(hù)方案

本深基坑開(kāi)挖工程地質(zhì)條件較好,大部分區(qū)域在埋深4 m左右以下為Q3、Q2的老粘性土,強(qiáng)度高,隔水性好,有利于深基坑工程開(kāi)挖。但基坑開(kāi)挖較深,深度達(dá)11.6～15.20 m,周邊環(huán)境復(fù)雜,無(wú)放坡條件,經(jīng)慎重比選,選擇排樁+一道內(nèi)支撐支護(hù)方案,技術(shù)可行,經(jīng)濟(jì)合理?；颖眰?cè)因與首義路地鐵站深基坑工程臨近,且同步施工,兩側(cè)的支護(hù)墻相距極近,最近僅3.90 m,無(wú)放坡條件,必須將圍護(hù)樁頂置于地表。東側(cè)場(chǎng)區(qū)將作為本工程的材料堆場(chǎng)、加工區(qū)及辦公區(qū),不能放坡占用場(chǎng)地,也須將圍護(hù)樁頂置于地表。南側(cè)和西側(cè)有一定的放坡條件,進(jìn)行適當(dāng)放坡,放坡后樁頂置于地表以下2.00 m,放坡坡面掛網(wǎng)噴射混凝土護(hù)面。西側(cè)放坡寬度較小,為了確保變電區(qū)設(shè)施的安全,在放坡坡頂插入長(zhǎng)3 m、間距1.0 m的18號(hào)槽鋼進(jìn)行加固處理。為了保持內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)在同一水平面上,內(nèi)支撐在南、西側(cè)支撐在排樁的冠梁上,在排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的北、東側(cè)除在樁頂設(shè)置冠梁外,另在支護(hù)樁內(nèi)側(cè)地面以下1.50 m處設(shè)置腰梁,此兩側(cè)的內(nèi)支撐設(shè)置于腰梁上。為了便于換撐和拆撐,水平內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)置于地下室負(fù)二層頂板以上,支撐梁底與地下室負(fù)二層頂板面的凈間距為2.30 m。換撐及拆撐在地下室負(fù)二層頂板澆筑完成之后進(jìn)行,換撐梁設(shè)置在地下室負(fù)二層頂板與圍護(hù)樁之間,按每樁一梁設(shè)置。坑內(nèi)兩個(gè)電梯井的坑中坑,采用雙排攪拌樁+放坡支護(hù)結(jié)構(gòu)。深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。

基坑側(cè)壁隔滲采用樁間掛網(wǎng)噴射混凝土止水方案,主要防止上層滯水沿樁間間隙滲入坑內(nèi)?？拥赘羲惩翆虞^厚,經(jīng)驗(yàn)算,可以不設(shè)降水井。坑頂四周設(shè)置截水溝攔截地表水。

3.3 設(shè)計(jì)計(jì)算

本深基坑工程設(shè)計(jì)引用標(biāo)準(zhǔn)為湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程技術(shù)規(guī)程(DB42/T159—2012)》[1]及相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范。采用的設(shè)計(jì)軟件為“天漢V2005”。

各支護(hù)段一般地面荷載按20 kPa考慮,建筑荷載按每層建筑結(jié)構(gòu)20 kPa考慮,南面考慮到可能為出土方向,荷載按30 kPa考慮,西面為變電站區(qū),因其構(gòu)造物比地面高出約1.5 m,其荷載按45 kPa考慮。

根據(jù)基坑開(kāi)挖深度、地質(zhì)條件、周邊荷載分布等因素,將本基坑圍護(hù)工程分成AB、BC、CD、DE、EA等五個(gè)區(qū)段進(jìn)行設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖1),排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3,典型設(shè)計(jì)計(jì)算剖面見(jiàn)圖2。

內(nèi)支撐主支撐梁斷面為800 mm×800 mm(寬×高),次支撐梁斷面為600 mm×800 mm(寬×高),腰梁斷面為1 000 mm×800 mm(寬×高)。主支撐梁最大軸力設(shè)計(jì)值為6 200 kN,最大跨度14.58 m;次支撐梁最大軸力設(shè)計(jì)值為2 000 kN;腰梁最大軸力設(shè)計(jì)值為9 183.78 kN,最大彎矩設(shè)計(jì)值1 245.06 kN·m。支撐梁的配筋見(jiàn)圖3。按撐桿計(jì)算的支護(hù)樁的位移量最大值為9 mm。

表3 排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果表

注:主筋采用HRB400鋼筋,樁底4 m范圍內(nèi)主筋可減半。

圖2 典型地段剖面圖Fig.2 Section of typical area

圖3 支撐梁配筋圖Fig.3 Supporting beam reinforcement drawing

立柱為井字形立柱鋼架平面420 mm×420 mm,主支采用L125×12角鋼。綴板厚10 mm,寬200 mm。立柱埋入樁內(nèi)3 m,立柱計(jì)算長(zhǎng)度按10.5 m考慮。支撐樁徑取800 mm,按凈樁長(zhǎng)12 m考慮。經(jīng)計(jì)算,立柱豎向荷載設(shè)計(jì)值1 271.7 kN,立柱樁承載力設(shè)計(jì)值為1 331.36 kN,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。鋼構(gòu)立柱采用理正工具箱進(jìn)行驗(yàn)算,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 基坑開(kāi)挖施工及施工監(jiān)測(cè)

本深基坑工程自2014年10月開(kāi)始進(jìn)行圍護(hù)樁施工,至2015年5月完成了內(nèi)支撐施工,2015年7月底完成了基坑底挖土施工,2015年10月中旬完成了深基坑換撐及拆撐施工,至此,深基坑開(kāi)挖得以順利完工。在整個(gè)深基坑開(kāi)挖過(guò)程中,未對(duì)周邊環(huán)境造成任何影響,也未對(duì)地鐵站的施工和地鐵運(yùn)營(yíng)造成任何影響。

在電梯井的施工過(guò)程中,因坑中坑周邊土質(zhì)強(qiáng)度較高,致使設(shè)計(jì)的深層攪拌樁無(wú)法施工,后修改設(shè)計(jì),改用直接放坡及坡面掛網(wǎng)噴射混凝土護(hù)坡處理,施工順利。另外,因在豐水期開(kāi)挖,其中一個(gè)電梯井還是發(fā)生了少量的涌水涌砂,后用快干混凝土作墊層處理,問(wèn)題迅速得到了解決。

基坑開(kāi)挖后的效果如照片1所示,基坑西側(cè)放坡及插槽鋼加固效果如照片2所示,換撐如照片3所示。

照片2 基坑西側(cè)插槽鋼加固效果圖Photo 2 Effect diagram of reinforcement by channel steelsat the west side of foundation pit

照片3 換撐布置圖Photo 3 Layout of changing supporting

本基坑工程開(kāi)展了監(jiān)測(cè)工作,基坑周邊共布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)53個(gè),冠梁及邊坡沉降位移點(diǎn)30個(gè),軸力計(jì)11個(gè),測(cè)斜孔13個(gè),測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

經(jīng)對(duì)53個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)和30個(gè)冠梁及邊坡沉降位移點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì),基坑周邊沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量最大的是位于中百倉(cāng)儲(chǔ)的C19號(hào)點(diǎn),總沉降為8.9 mm。向坑內(nèi)位移最大的是變電區(qū)W26號(hào)點(diǎn),總水平位移11.7 mm,其他點(diǎn)的位移大多沒(méi)有超過(guò)10 mm,與撐桿軟件計(jì)算的位移基本接近?？梢?jiàn),本基坑開(kāi)挖工程基本上沒(méi)有對(duì)周邊地面建筑物造成影響。

圖4 深部位移監(jiān)測(cè)圖Fig.4 Deep displacement monitoring chart

經(jīng)對(duì)13個(gè)深部位移監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì),深部水平位移最大的發(fā)生在變電區(qū)的CX-12號(hào)孔,最大水平位移發(fā)生在地表以下7 m處,總位移量為16.05 mm(見(jiàn)圖4)。位于地鐵旁的X-1、X-2號(hào)點(diǎn),最大位移僅7 mm,且發(fā)生在基坑底面以上,埋深10 m以下的水平位移基本為零,說(shuō)明本基坑開(kāi)挖工程對(duì)臨近的地鐵基本上沒(méi)有影響。

立柱的位移監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出,立柱都是抬升的,說(shuō)明水平支撐的力起抬升作用。

表4 立柱沉降監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)表

注:立柱沉降預(yù)警值為30 mm,正值表示上升,負(fù)值表示下沉。

監(jiān)測(cè)單位提供的水平支撐受力監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5,監(jiān)測(cè)的結(jié)果值可能是支撐桿件上的一根鋼筋的受荷值。

表5 水平支撐受力監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)表

注:支撐軸力預(yù)警值為軸力設(shè)計(jì)值的70%,正值表示拉力,負(fù)值表示壓力。

5 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)本深基坑工程的設(shè)計(jì)和施工,取得經(jīng)驗(yàn)如下:

(1) 在為Q3、Q2的老粘性土中開(kāi)挖深基坑,如采用排樁作支護(hù)墻,樁間距可適當(dāng)加大。本工程樁間凈間距為0.5 m。

(2) 在同類(lèi)地層條件下,樁間側(cè)壁止水可采用掛網(wǎng)噴射混凝土形式,并與挖土施工同步分層分段施工。

(3) 通過(guò)排樁和撐桿軟件計(jì)算結(jié)果、施工監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,撐桿體系應(yīng)該還有進(jìn)一步優(yōu)化的必要。換撐可利用樓層的縱橫梁,不必每樁一撐。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著大中城市正在大規(guī)模地開(kāi)展地鐵建設(shè),在地鐵線旁開(kāi)挖大型深基坑工程,避免不了影響地鐵的運(yùn)行安全,重點(diǎn)是要減小或避免深基坑開(kāi)挖工程對(duì)其地基沉降造成的影響。為此,首先是要盡量減少基底隆起量,深插支護(hù)墻是一種比較有效的辦法。本基坑坑底為老粘土,周邊有圍護(hù)樁,基底主要發(fā)生回彈隆起,不會(huì)發(fā)生因圓弧滑動(dòng)隆起而對(duì)地鐵線基礎(chǔ)產(chǎn)生影響。其次是盡量減少或避免基坑降水,基坑降水是引起周邊地基沉降的重要原因,本工程因基底土質(zhì)條件較好,未進(jìn)行基坑降水,因而也就排除了引起地鐵基礎(chǔ)沉降的這一重要誘因。

致謝:基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均由華太巖土工程有限公司提供,在此表示感謝。

[1] 湖北省城鄉(xiāng)和住房建設(shè)廳.湖北省基坑工程技術(shù)規(guī)程:DB42/T159—2012[S].武漢:湖北省建設(shè)工程標(biāo)準(zhǔn)定額管理總站，2012.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Engineering Design and Construction Case of Deep Foundation Nearthe Subway Station at Wuhan Third Yangtze River’s Terrace

YI Wanyuan， WU Lisheng， TIAN Ye

(HubeiInsitituteofUrbanGeologicalEngineering，Wuhan，Hubei430072)

The authors introduce the application of pile-strut bracing support structure in the area where near the subway line. It explores the design methods of deep foundation pit support technology and dewatering near the subway construction site，and analyzes the rationality of using pile-strut bracing support structure in this specific conditions that is in the area close to subway line. It also elaborates the importance to design pits and construction near the subway line through controlling the groundwater and displacement rate.The case has an important practical significance and implication on how to improve the support technology in similar projects.

deep foundation pit； pile support structure；engineering design

2015-12-02;改回日期:2016-04-29

易萬(wàn)元(1972-),男,高級(jí)工程師,探礦工程專(zhuān)業(yè),從事地基與基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)與施工管理。E-mail:53961888@qq.com

TU473

B

1671-1211(2016)05-0742-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.017

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160811.0933.026.html 數(shù)字出版日期:2016-08-11 09:33