郭紅斌，李 蒙，范中原，王 超，張曉寶，方中義

(1.中鐵七局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710032；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，城市建設(shè)環(huán)境日趨復(fù)雜，這對(duì)保證城市深基坑施工安全、減少施工對(duì)周圍環(huán)境的影響提出了更大挑戰(zhàn)[1]。如今，城市地鐵施工項(xiàng)目越來(lái)越多，地鐵線路往往位于城市繁華地帶，周邊建筑物較多，沉降、變形控制成為地鐵基坑設(shè)計(jì)和施工中的重難點(diǎn)問(wèn)題。針對(duì)此類問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者從數(shù)值模擬、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析等方面做了一系列研究。張尚根等[2]通過(guò)對(duì)多個(gè)深基坑開挖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出了估算地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的函數(shù)模型，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。李兵等[3]、張波等[4]通過(guò)對(duì)深基坑開挖工程進(jìn)行數(shù)值模擬，并與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到了影響建筑物沉降的相關(guān)因素，論證了開挖方案的合理性，并提出相應(yīng)防范措施。龍林等[5]、奚家米等[6]對(duì)不同基坑開挖過(guò)程中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和討論，得到了地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)規(guī)律。李新剛[7]、董敏忠[8]介紹了深基坑開挖過(guò)程中不同類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工方案，可為其他類似基坑開挖提供借鑒。

城市復(fù)雜條件下的深基坑開挖工程，不僅對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向水平位移控制提出了要求，更需嚴(yán)格限制周邊建筑物沉降。本文以廣州地鐵13號(hào)線二期棠下—珠村段盾構(gòu)始發(fā)井開挖工程為依托，對(duì)施工方案進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 概述

本工程為廣州地鐵13號(hào)線二期工程棠下—珠村區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)井，施工豎井中心里程位于右線線路里程ZCK32+183，地處中山大道和車陂路交會(huì)口西南角某大型超市停車場(chǎng)。豎井開挖尺寸為 18.5m×14.5m，深37.2m，屬于深基坑開挖工程。采用1m厚地下連續(xù)墻+環(huán)框梁支護(hù)形式，地下連續(xù)墻深38.7m，墻體嵌固深度為1.5m。墻身四周設(shè)頂部冠梁和4道環(huán)框梁，冠梁與環(huán)框梁鋼筋網(wǎng)通過(guò)墻身預(yù)埋鋼筋連接。

豎井南側(cè)距某單層鋼結(jié)構(gòu)大型超市38.6m，西側(cè)距人行天橋49.7m，北側(cè)距中山大道15.3m，車流量大。施工范圍內(nèi)改遷污水管線1條，距豎井約5.6m需保護(hù)電力管線1條。施工過(guò)程中需對(duì)上述設(shè)施加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘探揭露，場(chǎng)地內(nèi)巖土層從上至下依次為①人工填土、②1粉質(zhì)黏土、②2中粗砂、③粉質(zhì)黏土、④強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑤中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、⑥微風(fēng)化粉砂巖。

1.3 水文地質(zhì)條件

該工程地下水系按其儲(chǔ)存方式可分為第四系孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水主要來(lái)源為地表徑流和大氣垂直降水，排泄方式主要為地表蒸發(fā)?；鶐r裂隙水埋藏深度大，具有承壓水特性，主要由第四系砂層越流補(bǔ)給。

2 施工重難點(diǎn)

1)盾構(gòu)井位于城市市區(qū)，周圍建筑物密集，路網(wǎng)管線較多，基坑開挖深度大，施工階段需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，確保周邊安全。

2)施工場(chǎng)地狹小，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行合理布置，有序安排施工機(jī)械進(jìn)場(chǎng)，提高空間使用效率。

3)該盾構(gòu)井基坑深度大，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形、地表沉降有較高要求。廣州地區(qū)地層含水量豐富，施工期間正值雨季，采取合適的降水措施，減少坑底泡水時(shí)間成為施工安全重點(diǎn)。

4)盾構(gòu)井基坑開挖范圍內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)種類較多，當(dāng)施工進(jìn)行到微風(fēng)化粉砂巖層時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)械施工效率低，無(wú)法滿足施工要求，選用恰當(dāng)?shù)氖┕し椒ú⒈M可能減少對(duì)周邊環(huán)境的影響也是本工程需解決的難點(diǎn)之一。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 總體施工部署

該盾構(gòu)井深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面及地層分布狀況如圖1所示。主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1m厚地下連續(xù)墻+5道內(nèi)支撐，連續(xù)墻采用工字鋼接頭。其中，地下連續(xù)墻為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，水下澆筑混凝土，抗?jié)B等級(jí)P6，地下連續(xù)墻導(dǎo)墻、墊層采用C20混凝土，其余部位均為C35混凝土。施工過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)15m范圍內(nèi)臨時(shí)堆載不得大于20kPa。

圖1 盾構(gòu)井剖面及對(duì)應(yīng)地層分布關(guān)系

本盾構(gòu)井開挖深度約37.2m，具體施工流程為：測(cè)量放樣→地下連續(xù)墻施工→基坑降水→表層土方開挖→冠梁施工→第2層土方開挖及環(huán)框梁施工→第3層土方開挖及環(huán)框梁施工→第4層土方開挖及環(huán)框梁施工→第5層土方開挖及環(huán)框梁施工→第6層土方開挖→底板施工。

3.2 地下連續(xù)墻施工

在地下連續(xù)墻主體結(jié)構(gòu)施工前首先利用工程槽段進(jìn)行一個(gè)單元槽段的成槽工藝試驗(yàn)。本工程選用旋挖鉆、雙輪銑進(jìn)行成槽。首先進(jìn)行導(dǎo)墻施工，接著在護(hù)壁泥漿的作用下，用旋挖鉆進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔施工后，利用雙輪銑將泥漿混合液引入泥漿分離裝置，分離出砂土和水，分離后的水繼續(xù)回流至槽內(nèi)。泥質(zhì)粉砂層施工時(shí)可適當(dāng)提高泥漿黏度與密度以防止槽內(nèi)壁坍塌，本工程砂層施工時(shí)泥漿相對(duì)密度為1.15。成槽深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，運(yùn)用沉淀法清除槽底泥渣，進(jìn)行鋼筋籠吊裝，吊裝完成后約1h再次進(jìn)行泥渣厚度檢測(cè)，當(dāng)槽底泥渣厚度小于100mm時(shí)，即可進(jìn)行水下混凝土澆筑。

由于地下連續(xù)墻深度較大，鋼筋籠采用分段吊裝，接頭處采用螺紋連接，鋼筋籠中鋼筋交叉點(diǎn)至少50%采用焊接。水下澆筑混凝土，其水灰比不應(yīng)大于0.5，坍落度宜為18～20cm，且需一次澆筑完成，不留施工縫。為保證墻體混凝土質(zhì)量，實(shí)際澆筑高度應(yīng)高于墻頂設(shè)計(jì)標(biāo)高500mm，避免泥漿雜質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

3.3 盾構(gòu)井降、排水

根據(jù)工程和水文地質(zhì)條件，本工程采用井點(diǎn)降水法進(jìn)行盾構(gòu)井降水，井內(nèi)側(cè)布置井點(diǎn)管，井外不降水。每次降至開挖面下1m后進(jìn)行盾構(gòu)井開挖作業(yè)，且在盾構(gòu)井外側(cè)設(shè)置回流槽，防止井外水位大幅度下降引起地表沉降。

為防止地表水和大氣降水流入盾構(gòu)井，使井底長(zhǎng)時(shí)間受水浸泡，在盾構(gòu)井地面周圍設(shè)置引流槽，并在井底采用集水坑排水法進(jìn)行排水。集水坑設(shè)計(jì)在井底西南角，低于開挖面0.5m，其邊緣距坑壁≥0.5m， 溝底寬度≥0.3m，縱向坡度≥0.5%。盾構(gòu)井內(nèi)積水用水泵排至市政雨(污)水管網(wǎng)中，以保證大雨過(guò)后迅速施工。

3.4 場(chǎng)地出渣

3.5 盾構(gòu)井開挖

3.5.1表層土方開挖及冠梁施工

該盾構(gòu)井地表層為人工填土，開挖前通過(guò)井內(nèi)井點(diǎn)降水將地下水降至開挖面下1m后，采用反鏟挖掘機(jī)加人工配合分層開挖，首層開挖深度2m，45°放坡開挖。開挖完成后對(duì)坡面采取φ8@200×200鋼筋網(wǎng)和80mm厚C20混凝土護(hù)面，首層機(jī)械開挖至冠梁底面上方20cm處，人工開挖至冠梁底。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙鑿除地下連續(xù)墻外保護(hù)層混凝土，取出預(yù)埋接駁鋼筋和吊筋，與冠梁鋼筋網(wǎng)進(jìn)行連接，冠梁截面尺寸為2 500mm×1 500mm，支護(hù)模板、澆筑混凝土完成冠梁施工。

3.5.2第2層土方開挖及第2道環(huán)框梁施工

待冠梁強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%及完成施工降水后，開始第2層土方開挖。第2層土方開挖及第2道環(huán)框梁施工與3.5.1節(jié)相同。

3.5.3第3，4層土方開挖及第3，4道環(huán)框梁施工

當(dāng)盾構(gòu)井開挖至第3層土方時(shí)，地質(zhì)條件發(fā)生改變，挖掘機(jī)單獨(dú)施工不適用于該層土方開挖要求，因此，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖采用破碎錘破除，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖采用液壓劈裂。采用“分層臺(tái)階開挖”施工，水平方向從兩邊向中間掘進(jìn)，每層開挖深度控制在2m以內(nèi)，遵循“先臨空面挖槽后向兩邊擴(kuò)展”的施工順序。采用挖掘機(jī)配合抓斗將土石方垂直運(yùn)輸至地表渣土池內(nèi)。當(dāng)開挖至距第3道環(huán)框梁底面20cm處時(shí)，采用人工配合風(fēng)鎬的方式，開挖至該環(huán)框梁底面標(biāo)高位置，后參照3.5.1節(jié)進(jìn)行第3道環(huán)框梁施工。后續(xù)進(jìn)行第4層土方開挖及第4道環(huán)框梁施工。

3.5.4第5，6層土方開挖及第5道環(huán)框梁施工

第5，6層地質(zhì)條件為微風(fēng)化粉砂巖，該巖層風(fēng)化程度低、硬度大、強(qiáng)度高。液壓劈裂法無(wú)法滿足施工需要，為了減少破巖過(guò)程對(duì)周邊環(huán)境的影響，提高開挖效率，采用高壓氣體膨脹法施工。

整個(gè)施工流程為引孔→埋設(shè)膨脹管→灌漿封孔→路線監(jiān)測(cè)→充入空氣→蓋鋼板→起爆。整個(gè)爆破過(guò)程振動(dòng)小、噪聲低、無(wú)粉塵污染，特別適用于城市地下巖層的破除施工。

本工程采用“縱向分區(qū)段、水平分層”的爆破方式，且整個(gè)爆破過(guò)程應(yīng)注意對(duì)地下連續(xù)墻的保護(hù)。首先在距地下連續(xù)墻四周1m范圍內(nèi)實(shí)施預(yù)爆破，使爆破區(qū)段與墻體間產(chǎn)生一條水平貫穿裂縫，后用鉆機(jī)進(jìn)行修邊，以減少巖層爆破過(guò)程對(duì)地下連續(xù)墻的沖擊。后用地質(zhì)鉆機(jī)在巖石面垂直方向進(jìn)行鉆孔作業(yè)，每層分3排布設(shè)引爆孔，孔深6m，排距、行距各為1m，呈梅花狀布置。鉆孔結(jié)束后將各節(jié)氣體膨脹管插入引爆孔內(nèi)，膨脹管直徑為50mm，插入節(jié)數(shù)根據(jù)臨空面高度H和引爆孔深度L確定。膨脹管安裝完成后用早強(qiáng)快硬微膨脹壓漿料進(jìn)行灌漿填實(shí)，約3h后壓漿料完全將引爆孔封堵嚴(yán)密，在膨脹管上端外接引氣管，并用導(dǎo)線將各管串聯(lián)，做好引線。

待準(zhǔn)備工作完成后，用小型空氣壓縮機(jī)通過(guò)引氣管向各膨脹管內(nèi)注入壓縮空氣，膨脹管氣體壓強(qiáng)控制在2.5MPa左右，充氣工作結(jié)束后立即擰緊進(jìn)氣閥門。

為了防止巖石飛濺，爆破前用鋼板將爆破面壓實(shí)，并將所有人員、機(jī)械疏散至150m外安全場(chǎng)地。

爆破完成，巖石面產(chǎn)生貫穿裂縫，巖石疏松，后用破碎錘、挖掘機(jī)配合抓斗輸送土石，后續(xù)環(huán)框梁施工方式與3.5.1節(jié)相同。

3.5.5底板施工

采用氣體膨脹法開挖至底板底標(biāo)高上方20cm時(shí)，人工進(jìn)行破除作業(yè)，避免超挖，不允許欠挖。在西南角距地下連續(xù)墻2m位置處留設(shè)邊長(zhǎng)1.5m的立方體集水坑。底板受力鋼筋均與地下連續(xù)墻預(yù)埋鋼筋相連，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，較環(huán)框梁有所降低，保護(hù)層厚30mm。待底板施工完成后，完成盾構(gòu)井主體結(jié)構(gòu)施工。

4 測(cè)點(diǎn)布置與數(shù)據(jù)分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為分析該盾構(gòu)井開挖方案的合理性，需對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、周邊地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)、鄰近人行天橋和既有大型超市現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本工程周邊建(構(gòu))筑物地基沉降曲線如圖3所示，由圖3可知，地基沉降隨盾構(gòu)井開挖深度的增加而增大，其中，人行天橋最大沉降值為4.34mm，既有大型超市最大沉降值為4.24mm，其相對(duì)應(yīng)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為B3，GJC5，均位于靠近盾構(gòu)井開挖面一側(cè)，且沉降量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的20mm。

圖3 盾構(gòu)井周邊建(構(gòu))筑物沉降曲線

不同開挖深度下，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化曲線如圖4所示，位移值為正表示向盾構(gòu)井內(nèi)部產(chǎn)生側(cè)移。由圖4可知，隨著開挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部位移逐漸增加，最終穩(wěn)定在6mm左右。圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移在豎直方向上呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，最大位移位于盾構(gòu)井開挖深度一半左右位置，并隨著開挖深度的增加，最大位移位置不斷加深，且最大位移量也不斷增加。至最終施工完成，該盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移出現(xiàn)在地面以下16m深處，位移值為13.01mm，遠(yuǎn)小于30mm的監(jiān)測(cè)控制值。盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向水平位移較小的原因可能是地下連續(xù)墻+多道環(huán)框梁組成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體性能好，抗側(cè)向剛度大，且該盾構(gòu)井大部分地層處于強(qiáng)、中、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中，地質(zhì)條件較好。

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)廣州地鐵13號(hào)線棠下—珠村段盾構(gòu)始發(fā)井開挖施工技術(shù)進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論。

1)復(fù)雜地質(zhì)條件下，地下連續(xù)墻+多道環(huán)框梁的結(jié)構(gòu)形式整體性較好，抗側(cè)向剛度大，能有效降低周邊土體沉降量和盾構(gòu)井側(cè)向水平位移。

2)施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)井周邊建筑沉降、路網(wǎng)管線、側(cè)向水平位移等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，對(duì)單日變化量過(guò)大或報(bào)警區(qū)段及時(shí)采取措施，防止事故發(fā)生。

3)開挖至硬質(zhì)巖層時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)械工作效率低，采用氣體膨脹爆破法施工，可顯著提高開挖效率、減少對(duì)城市周邊環(huán)境的影響。