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        復(fù)雜環(huán)境下深基坑的變形控制

        2016-11-16 05:40:07周艷
        城市道橋與防洪 2016年4期
        關(guān)鍵詞:旺角清障土釘

        周艷

        (1上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市200092)

        復(fù)雜環(huán)境下深基坑的變形控制

        周艷

        (1上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市200092)

        復(fù)雜環(huán)境下的基坑以控制基坑變形為設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵。以杭州市彩虹大道市心路地道基坑工程為例,緊臨已建地鐵和高層住宅,而且有相鄰基坑的土釘侵入其基坑范圍內(nèi)形成地下障礙物,建設(shè)環(huán)境較為復(fù)雜。針對(duì)土釘障礙物,先通過槽壁加固將土釘有效地固定住,成槽施工時(shí)利用抓斗的抓力直接切斷土釘。實(shí)踐表明上述清障方案效果很好。為控制基坑變形、減小基坑開挖對(duì)地鐵和高層住宅的影響,采用了劃分小基坑、坑內(nèi)土體加固、對(duì)稱開挖、設(shè)置隔離樁、設(shè)置應(yīng)急降水井等多項(xiàng)保護(hù)措施。數(shù)值模擬分析與施工監(jiān)測均表明,上述措施有效地控制了基坑變形,保護(hù)了周邊環(huán)境的安全。其經(jīng)驗(yàn)總結(jié)對(duì)類似深基坑工程具有參考價(jià)值。

        深基坑;變形控制;清障;槽壁加固;基坑監(jiān)測;數(shù)值模擬

        0 引言

        隨著城市對(duì)于地下空間利用的快速發(fā)展,高樓林立的市區(qū)里深基坑工程越來越多,這些基坑經(jīng)常面臨建筑物、地鐵、市政管線、地下障礙物等復(fù)雜的環(huán)境。在杭州等地下水位較高的軟土地區(qū),由于深基坑工程開挖易造成土體變形,如果處理不當(dāng)會(huì)引起建筑物、地鐵、市政管線的破壞[1]。地下障礙物對(duì)地下工程施工同樣關(guān)系重大,輕則影響工程樁及圍護(hù)樁的施工進(jìn)度與質(zhì)量,重則造成重大事故。因此地下障礙物的清理是圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工順利與否的前提保障[2]。

        楊石飛[3]等介紹了目前常用的清障技術(shù)和典型案例,對(duì)深部清障技術(shù)的發(fā)展趨勢作了簡單概括。周建昆[4]等采用有限元分析方法對(duì)隧道在基坑施工過程中所產(chǎn)生的變形影響進(jìn)行了分析。張治國等[5]研究了基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法,指出了計(jì)算基坑開挖所引起的隧道位置處的土體附加應(yīng)力。

        本文以杭州市彩虹大道市心路地道基坑工程為例,探討了復(fù)雜環(huán)境下的基坑支護(hù)型式,以及環(huán)境保護(hù)措施,數(shù)值模擬分析與監(jiān)測結(jié)果均表明達(dá)到了保護(hù)環(huán)境的預(yù)期目標(biāo)。其經(jīng)驗(yàn)總結(jié)對(duì)類似復(fù)雜環(huán)境下的深基坑工程具有一定參考價(jià)值。

        1 工程概況

        彩虹大道位于杭州市,呈東西走向,是杭州市“三縱五橫”快速路系統(tǒng)的組成之一。彩虹大道采用地道形式相繼下穿高層住宅小區(qū)旺角城和市心路。地道暗埋段采用鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu),單箱雙室,結(jié)構(gòu)總寬為29.7 m。

        2 周邊環(huán)境概況

        彩虹大道市心路地道處在高層住宅旺角城一期與旺角城二期之間,旺角城二期地下室圍護(hù)樁外邊線與地道圍護(hù)邊線最近距離為1.29 m;旺角城一期地下室外墻與地道圍護(hù)邊線最小距離4.80 m。兩者平面關(guān)系見圖1所示。

        圖1 彩虹大道市心路地道與旺角城關(guān)系圖

        彩虹大道在市心路路口與杭州市地鐵二號(hào)線相交,地鐵二號(hào)線杭發(fā)廠站在其地下一層內(nèi)預(yù)留空間,彩虹大道從預(yù)留空間內(nèi)穿過。兩者平面關(guān)系見圖2所示。基坑一側(cè)緊鄰地鐵2號(hào)線人民路站~杭發(fā)廠站區(qū)間。35#暗埋段地下連續(xù)墻距離地鐵隧道左線管片最近距離約2.15 m,37#暗埋段鉆孔樁距離地鐵隧道右線管片最近距離約1.43 m。

        圖2 彩虹大道市心路地道與地鐵關(guān)系圖

        3 工程地質(zhì)與地下水

        擬建場地地貌類型為沖海積平原,場地地勢較平坦。潛水賦存于淺部土層中,其補(bǔ)給來源主要為大氣降水與地表逕流和河流補(bǔ)給??辈炱陂g測得地下水靜止水位埋深在0.5~1.60 m之間。

        該基坑土層從上到下依次為:淺部為灰色、灰黃色黏質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、砂質(zhì)粉土;中部為淺海相灰、深灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土;向下逐漸過度為中部為灰色、下部巖性為淺灰、灰色、灰黃色粉砂、圓礫,分選性較好。土層設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所列。

        表1 土層分布及設(shè)計(jì)參數(shù)表

        4 工程重點(diǎn)難點(diǎn)

        (1)該工程緊臨已建的地鐵二號(hào)線,基坑開挖期間可能引起區(qū)間隧道側(cè)向變形,影響軌道交通運(yùn)營。

        (2)該工程緊臨高層住宅旺角城一期與二期。北側(cè)旺角城二期地下室圍護(hù)樁外邊線與地道圍護(hù)邊線最近距離為1.29 m;南側(cè)旺角城一期地下室外墻與地道圍護(hù)邊線最小距離為4.80 m。

        (3)擬建場地內(nèi)存在地下障礙物。緊臨的旺角城一期原圍護(hù)結(jié)構(gòu)為土釘墻,土釘墻長度為9 m~15 m,多數(shù)土釘已侵入到彩虹大道基坑范圍內(nèi),成為圍護(hù)樁施工時(shí)的地下障礙物。圍護(hù)樁選型需考慮清障及圍護(hù)成樁的實(shí)施可行性。

        5 清障方案的比選

        由于土釘?shù)鹊叵抡系K物的存在,地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁等圍護(hù)型式無法直接施工,必須清理地下障礙物??疾祛愃乒こ虒?shí)踐經(jīng)驗(yàn),清障有以下三種方案可以選擇:

        (1)采用硬切割咬合樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。清障原理如下:咬合樁成孔套管采用高強(qiáng)合金齒的鋼管,用大扭矩鉆管機(jī)(CD機(jī))帶鋼管鉆入地下,可直接切斷障礙物,以旋挖機(jī)械將管中障礙物和土石等取出。

        (2)采用帶槽壁加固的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。清障原理如下:先進(jìn)行槽壁加固,槽壁加固一方面將土釘有效地固定住以確保抓斗能切斷土釘,另一方面可防止帶出土釘時(shí)引起槽壁坍塌。成槽施工時(shí)利用抓斗的抓力可直接切斷土釘,且斷掉的土釘將隨土一道被取出。這種清障法主要適用于土釘?shù)那逭稀?/p>

        (3)先采用三軸攪拌樁清除土釘障礙物后再進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工:先采用三軸攪拌樁進(jìn)行土釘清除;再利用三軸攪拌樁轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)將土釘纏繞并帶出;然后再進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工。

        為選擇切實(shí)有效的清障方案,施工前在現(xiàn)場進(jìn)行了清障試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明地下連續(xù)墻清障效果好,而且施工經(jīng)驗(yàn)成熟。綜合考慮清障及圍護(hù)成樁的實(shí)施可行性,該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用帶槽壁加固的地下連續(xù)墻。

        6 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案

        基坑圍護(hù)方案的選定不僅要滿足地道結(jié)構(gòu)土建施工的要求,而且要確保周圍環(huán)境安全可靠,盡量達(dá)到既經(jīng)濟(jì)合理又方便施工的標(biāo)準(zhǔn)。圖3為基坑圍護(hù)剖面圖。

        圖3 基坑圍護(hù)剖面圖

        6.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型

        綜合考慮清障及圍護(hù)成樁的實(shí)施可行性,該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻墻厚800 mm,插入比約1:1.6,墻深約31 m。

        地下連續(xù)墻槽壁加固常用的方法有高壓旋噴樁,雙軸水泥土攪拌樁和三軸水泥土攪拌樁三種形式。其中,高壓旋噴樁施工時(shí)對(duì)土體擾動(dòng)較大,雙軸水泥土攪拌樁的止水效果可靠性不高,因此該工程采用土體擾動(dòng)較小、止水效果更好的三軸水泥土攪拌樁作為槽壁加固體。

        6.2支撐系統(tǒng)選型

        基坑常用的支撐有鋼筋混凝土支撐和鋼支撐兩種形式。一般來說,鋼筋混凝土支撐穩(wěn)定性可靠性較好;鋼支撐施工速度較快,利用時(shí)空效應(yīng)原理減少基坑變形。

        根據(jù)杭州地區(qū)基坑經(jīng)驗(yàn),如果全部采用鋼支撐可能發(fā)生失穩(wěn),因此,該工程采用鋼筋混凝土支撐與鋼支撐結(jié)合的方式。首道支撐采用穩(wěn)定性較好的鋼筋混凝土支撐,二、三道支撐采用鋼支撐系統(tǒng)。

        靠近地鐵的基坑采用自動(dòng)軸力補(bǔ)償鋼支撐系統(tǒng)。鋼支撐預(yù)應(yīng)力伺服系統(tǒng)采用局部獨(dú)立式鋼支撐軸力補(bǔ)償液壓系統(tǒng),即每3~4根需軸力補(bǔ)償?shù)匿撝闻渲靡惶紫鄬?duì)的小泵站液壓系統(tǒng),能大大提高軸力補(bǔ)償所需要的系統(tǒng)響應(yīng)精度,保證施工質(zhì)量。盡可能降低對(duì)地鐵的影響。

        6.3坑內(nèi)土體加固

        為控制基坑的位移,有效地保護(hù)地鐵區(qū)間隧道,對(duì)坑底土體進(jìn)行抽條加固處理。土體加固常用的有高壓旋噴樁,雙軸水泥土攪拌樁和三軸水泥土攪拌樁三種形式。其中,高壓旋噴樁施工時(shí)對(duì)土體擾動(dòng)較大,雙軸水泥土攪拌樁的止水效果可靠性不高。因此該工程采用土體擾動(dòng)較小、止水效果更好的三軸水泥土攪拌樁作為坑內(nèi)加固體。

        6.4分區(qū)分塊開挖,及時(shí)支撐

        為控制基坑的位移,將臨近建筑物、地鐵的基坑劃分成較小基坑。土方開挖分層分段分塊進(jìn)行,并及時(shí)支撐。同時(shí),對(duì)地鐵東西兩側(cè)基坑采取同步、對(duì)稱開挖施工方式,以避免兩側(cè)土壓力差過大。

        6.5設(shè)置隔離樁

        為減小基坑開挖對(duì)地鐵的影響,在地鐵車站雙側(cè)均設(shè)置一段隔離樁。由于地道與車站接口位置極易開裂而漏水,在接頭東西兩側(cè)均設(shè)置一段隔離樁,靠近隧道側(cè)延伸9 m。

        6.6設(shè)置應(yīng)急降水井

        于臨近地鐵基坑外設(shè)置備用應(yīng)急降水井,用以檢驗(yàn)止水帷幕的止水效果,在確保止水帷幕達(dá)到預(yù)期效果后,方可進(jìn)行土體開挖。

        7 基坑開挖對(duì)旺角城一期影響的數(shù)值分析

        7.1PLAXIS數(shù)值分析模型

        該項(xiàng)目采用有限元程序PLAXIS就基坑開挖對(duì)南側(cè)旺角城一期建筑物的影響進(jìn)行了數(shù)值分析。

        PLAXIS建模簡述如下:土體采用Mohr-Coulomb模型。土體參數(shù)根據(jù)巖土勘察報(bào)告提供。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Plate單元模擬,支撐系統(tǒng)采用Anchor單元模擬。該項(xiàng)模擬的計(jì)算范圍深度為45 m,水平向60 m。同時(shí)對(duì)模型邊界左右兩側(cè)進(jìn)行X向(水平向)約束,下側(cè)進(jìn)行Y向(豎直向)約束。采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行模擬土體。模擬嚴(yán)格按照實(shí)際施工步驟分步進(jìn)行。

        7.2PLAXIS數(shù)值分析結(jié)果

        根據(jù)PLAXIS模擬分析結(jié)果,基坑施工期間相鄰建筑物的位移,如圖4、圖5所示。PLAXIS計(jì)算結(jié)果匯總于表3。

        圖4 相鄰建筑物土體水平位移云圖(單位:mm)

        圖5 相鄰建筑物土體豎向位移云圖(單位:mm)

        表3 PLAXIS計(jì)算結(jié)果匯總表 mm

        根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn),表3理論計(jì)算結(jié)果能滿足對(duì)建筑物的保護(hù)要求。

        8 基坑開挖對(duì)地道影響的數(shù)值分析

        8.1PLAXIS數(shù)值分析模型

        該項(xiàng)目采用有限元程序PLAXIS就基坑開挖對(duì)地鐵二號(hào)線區(qū)間隧道的影響進(jìn)行了數(shù)值分析。PLAXIS建模如7.1節(jié)所述。

        8.2PLAXIS數(shù)值數(shù)值分析結(jié)果

        根據(jù)PLAXIS模擬分析結(jié)果,基坑施工期間區(qū)間隧道的土體位移,如圖6、圖7所示。PLAXIS計(jì)算結(jié)果匯總于表4。

        圖6 區(qū)間隧道土體水平位移云圖(單位:mm)

        圖7 區(qū)間隧道土體豎向位移云圖(單位:mm)

        表4 PLAXIS計(jì)算結(jié)果匯總表mm

        根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn),表4理論計(jì)算結(jié)果能滿足對(duì)區(qū)間隧道和地鐵車站的保護(hù)要求。

        9 施工監(jiān)測

        在該工程基坑施工的全過程中,對(duì)基坑圍護(hù)、周邊土體、周邊建筑物、區(qū)間隧道和地鐵車站都進(jìn)行了同步監(jiān)測。

        9.1基坑圍護(hù)監(jiān)測結(jié)果

        該工程基坑施工期間,土體累計(jì)最大深層水平位移為如圖8所示,基坑圍護(hù)墻頂累計(jì)沉降量如圖9所示。

        圖8 深層土體水平位移曲線圖(單位:mm)

        圖9 基坑圍護(hù)墻頂沉降曲線圖

        土體累計(jì)最大深層水平位移與支護(hù)結(jié)構(gòu)墻體累計(jì)最大深層水平位移,均未超出設(shè)計(jì)報(bào)警值。基坑主體圍護(hù)及周邊建筑物沉降數(shù)據(jù)顯示基坑在開挖施工期間沉降均勻,基坑地下水位保持相對(duì)穩(wěn)定,支撐軸力變化正常。從監(jiān)測結(jié)果及現(xiàn)場的實(shí)際情況看,數(shù)據(jù)整體較穩(wěn)定,施工期間基坑安全。

        9.2建筑物監(jiān)測結(jié)果

        基坑周邊的臨近建筑主要是兩棟旺角城居民樓,距離該工程基坑最近距離約4.8 m,基坑施工期間,對(duì)其進(jìn)行了同步監(jiān)測。設(shè)置如下監(jiān)測內(nèi)容:建筑物人工沉降監(jiān)測;建筑物人工傾斜監(jiān)測;建筑物自動(dòng)沉降監(jiān)測;建筑物自動(dòng)傾斜監(jiān)測。自動(dòng)沉降監(jiān)測采用靜力水準(zhǔn)全自動(dòng)監(jiān)測方法,自動(dòng)傾斜監(jiān)測采用自動(dòng)傾斜儀全天侯自動(dòng)監(jiān)測房屋傾斜的方法,并采用DAMS-4型智能分布式數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測結(jié)果如圖10所示和表5所列,均未超出報(bào)警值,在安全可控范圍內(nèi)。

        圖10 旺角城居民樓沉降曲線圖(單位:mm)

        表5 旺角城居民樓傾斜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

        9.3地鐵監(jiān)測結(jié)果

        基坑施工期間,對(duì)地鐵區(qū)間隧道進(jìn)行了同步監(jiān)測,監(jiān)測方法與建筑物類似,監(jiān)測結(jié)果如圖11所示。隧道內(nèi)部沉降未超出報(bào)警值,在安全可控范圍內(nèi)。

        圖11 區(qū)間隧道沉降曲線圖(單位:mm)

        10 結(jié) 語

        本文以杭州市彩虹大道市心路地道基坑工程為例,由于原相鄰建筑物基坑的土釘侵入該基坑范圍內(nèi)形成地下障礙物,綜合考慮清障及圍護(hù)成樁的實(shí)施可行性,采用帶槽壁加固的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),并輔以劃分小基坑、坑內(nèi)土體加固、對(duì)稱開挖、設(shè)置隔離樁和備用應(yīng)急降水井等各項(xiàng)保護(hù)措施,結(jié)合數(shù)值模擬與各類監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知,上述措施對(duì)于控制基坑變形,保護(hù)基坑、地鐵及周邊的房屋安全是切實(shí)有效的。該工程的經(jīng)驗(yàn)可以為類似的基坑工程提供參考和指導(dǎo)。

        [1]劉建航,侯學(xué)淵,等.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997:35-36.

        [2]王良崗,王良飛,地下清障施工技術(shù)[J].浙江建筑,2002,(3):32-33.

        [3]楊石飛,顧國榮,王福林.深層清障技術(shù)縱論[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2008,4(2):387-400.

        [4]周建昆,李志宏.鄰近地鐵隧道基坑工程對(duì)隧道變形影響的數(shù)值分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2010,6(增1):1398-403.

        [5]張治國,張孟喜,王衛(wèi)東. 基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法[J].巖土力學(xué),2011,32(7):2085-2092.

        TU46+3

        B

        1009-7716(2016)04-0098-05

        10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.031

        2016-01-07

        周艷(1970-),女,上海人,碩士,工程師,一級(jí)注冊結(jié)構(gòu)工程師,從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)和研究工作。

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