龔玲峰
(中土集團福州勘察設計研究院有限公司 福建福州 350000)
車站位于十字路口處,東南方向為廠房,西南方向為空地,三角地處為臨街兩層商業(yè)板房,東北方向為多層民房及臨時工棚,西北方向為防水材料公司,片區(qū)現(xiàn)狀以民房及廠房為主,如圖1所示。
圖1 車站場址
車站所在場地的特殊性巖土主要有:填土、軟土及風化巖。場地分布的軟土層有〈2-4-1〉淤泥、〈2-4-2〉淤泥質(zhì)土、〈3-5-1〉淤泥夾砂層,厚度平均達10 m。軟土具有含水量高,孔隙比大,壓縮性高,抗剪強度低,靈敏度高的特點。地鐵施工時,如過度降水或?qū)浲恋募庸烫幚聿划?、地面超載、地鐵運行震動等容易產(chǎn)生變形固結(jié),極易引起地面不均勻沉降。
場地地下水類型分為上層滯水和承壓水兩種,根據(jù)場地鉆孔資料,孔隙承壓水主要在〈3-2〉(泥質(zhì))粉砂和(含泥)中砂中,該承壓水層對工程建設的影響較大,特別是對基坑開挖有較大影響。
現(xiàn)今地鐵設計中,最常用的支護形式[1]有地連墻+內(nèi)支撐、排樁+內(nèi)支撐體系、SMW工法樁+內(nèi)支撐體系等。
地連墻支護一般由地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐(混凝土支撐、鋼支撐)組成,這種支護體系靈活,可順筑、可逆筑、也可半逆筑,施工過程中對周邊環(huán)境擾動小,且防滲性能好,適用于各種地層及周邊環(huán)境復雜的深基坑中,適用的基坑深度大。
排樁支護通常由排樁、支撐及止水帷幕組成,多用于7~15 m深的基坑工程中。當開挖深度范圍內(nèi)水位較高時,需要采取隔水措施及降水措施,排樁施工過程中樁間容易產(chǎn)生滲水等問題。
SMW工法樁支護是由工法樁與內(nèi)支撐組成,該方式同地連墻支護一樣,對環(huán)境擾動小,抗?jié)B性好,剛度大,但是目前就工法樁的一些設計參數(shù)沒有統(tǒng)一標準,施工的質(zhì)量有時難以保證。
本基坑地處淤泥地層,施工難,基坑變形也不易控制,其基坑圍護結(jié)構(gòu)體系的選取是一項設計難點。
本車站位置處于道路路口,其基坑開挖范圍內(nèi)淤泥層厚度達10 m左右,呈深灰色,流塑,飽和,以黏粒為主。深厚的軟土層的開挖容易造成支護結(jié)構(gòu)失效[2]、基坑失穩(wěn)、滲透變形、地面沉降、坑底隆起和突涌等。在設計時,其開挖方式的選取也是一項難點。
對基底內(nèi)側(cè)土體的加固可以提高被動土壓力區(qū)土體的整體強度和側(cè)向抗力,還能控制圍護結(jié)構(gòu)的位移情況,降低周邊既有建筑物及地下管線的沉降風險,防止坑底土體隆起破壞及滲流破壞,一定程度上還能彌補圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度不足等問題。
軟土地層中常用的基底加固方式有:裙邊加固、抽條加固、滿堂加固、格柵加固等,施工方式有采用三軸攪拌樁或高壓旋噴樁進行加固。本基坑地處淤泥地層,采取哪種基底加固方式也是一項設計重點。
基坑開挖過程中需要對周邊環(huán)境采取加固措施,如果不采取加固措施,周邊既有建構(gòu)筑物及管線等變形會超出變形允許范圍,這嚴重影響到既有建構(gòu)筑物等的使用安全和壽命,從而有可能會導致工程索賠,因此,采取加固保護措施是十分必要的。
本工程主要臨近淺基礎民房及廠房,且周邊管線復雜,除了市政排水排污等管網(wǎng)以外,還有110 kV電力架高線和電桿等。需要考慮加固措施對高壓電桿和房屋的擾動影響,因此,設計時,對距離基坑多少米范圍內(nèi)的建構(gòu)筑物采取何種加固方式也是一項設計難點。
3.1.1 基坑圍護結(jié)構(gòu)體系方案
綜合上述情況,設計時考慮在成槽前對地下連續(xù)墻壁進行槽壁加固,加固深度至淤泥層底以下1 m,以此防止地連墻在深厚軟土層施工時造成塌槽。主體圍護結(jié)構(gòu)采用地下三軸攪拌樁+連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系。
車站所在范圍及周邊地下管網(wǎng)繁雜,類型眾多,管徑及埋深不一,主要有110 kV電力架高線、D400污水管等。因110 kV高壓線遷改困難、所耗資金龐大且工期長,因此不采用高壓線遷改的方式,此種情況下設計時需要考慮施工過程中高壓線的限高要求。非高壓線及電桿影響范圍內(nèi)地連墻墻幅寬6 m,成槽前采用三軸攪拌樁進行槽壁加固,高壓線及電桿影響范圍內(nèi)地連墻墻幅調(diào)為3 m,槽壁加固采用三重管高壓旋噴樁。
盾構(gòu)段和標準段圍護均采用800 mm厚地連墻+四道內(nèi)支撐+一道換撐,如圖2~圖3所示,蓋挖段圍護采用800 mm厚地連墻+三道內(nèi)支撐+一道換撐。第一道支撐為800 mm×800 mm砼支撐,間距4.5 m 或9 m;第二、三、四道采用φ800,t=16 mm鋼支撐,間距2.5 m或3 m;換撐為φ609,t=16 mm鋼支撐,間距3 m;蓋挖段支撐均為φ609,t=16 mm鋼支撐,間距3 m;中設臨時立柱支撐體系,臨時立柱采用φ600鋼立柱。
圖2 標準段基坑剖面圖
圖3 支撐平面布置
3.1.2 基坑圍護結(jié)構(gòu)體系變形分析
3.1.2.1 車站標準段模型建立
以標準段為例,假定土體滿足材料的連續(xù)性和均勻性,且為彈塑性體,應力應變滿足摩爾庫倫理論,支撐體系為理想彈性體[3]。
建模時取基坑深度17.6 m,嵌固深度13.5 m,冠梁位置下壓1 m。該斷面基坑為淤泥層,采用坑內(nèi)加固土,加固土寬度取19.3 m,加固3 m厚,粘聚力取30 kPa,內(nèi)摩擦角取20°。地面超載取20 kPa(盾構(gòu)井基坑開挖階段按30 kPa考慮),基坑內(nèi)側(cè)水位取坑底以下0.5 m,基坑外側(cè)水位取地面以下0.5 m,鋼支撐預加力取1 000 kN。
工況共分18步,分別為:工況1開挖至1.8 m;工況2加第1道混凝土支撐;工況3開挖至7.8 m;工況4加第2道鋼支撐;工況5開挖至11.3 m;工況6加第3道鋼支撐;工況7開挖至14.3 m;工況8加第4道鋼支撐;工況9開挖至17.6 m;工況10加底板剛性鉸;工況11拆第4道鋼支撐;工況12加換撐;工況13拆第3道鋼支撐;工況14加中板剛性鉸;工況15拆第2道鋼支撐;工況16加頂板剛性鉸;工況17拆第1道混凝土支撐;工況18拆換撐。
3.1.2.2 變形分析[4]
圖4給出了基坑水平位移隨開挖深度的關系曲線,可以看出:
圖4 基坑水平位移隨施工工況變化的關系曲線
(1)基坑位移隨整個施工過程而增大,最大位移發(fā)生在最后一個工況下;開挖至第2道支撐面以下0.5 m位置(工況3)的過程中位移增加曲率最大,基坑變形速度最快;而從工況3至工況9的開挖過程中位移有所回落,此過程發(fā)生的位移變化不大;從工況11至工況18的整個拆撐過程中位移有所增加,但增加曲率平緩。
從設計角度出發(fā),控制基坑總體水平位移,可以考慮從控制工況3的水平位移出發(fā)。因為工況3的位移變化最大,而后續(xù)過程位移變化緩慢,因此降低工況3的基坑位移可以控制整個施工過程中最大位移值。而工況3的開挖深度是由工況4第2道支撐的架設位置決定的,因此,控制基坑的水平位移應該綜合考慮第2道支撐與第1道支撐的豎向間距。
(2)車站大里程段、小里程段及標準段3個斷面的位移變化曲線基本一致,主要是因為整個地鐵車站的地層分布相對均勻,整個開挖區(qū)域幾乎處于淤泥層中,而基坑周邊荷載分布又相對對稱。
深厚軟土地層具有高靈敏度、低強度及高壓縮性等特性,對圍護結(jié)構(gòu)的變形控制非常不利。這要求在基坑開挖過程[5]中要嚴格控制土方分層開挖長度[6],以保證支撐體系能及時施工,減少開挖過程中土體無支撐的暴露時間[7]。
結(jié)合交通疏解需要,為保證基坑的安全施工,決定除為滿足交通疏解需要部分采用蓋挖順筑法外,其余部分均采用明挖順筑法。
基坑開挖前應對基底軟土層進行處理,以防止基坑內(nèi)部大面積卸載后基底產(chǎn)生隆起破壞。
土方開挖過程中應遵循“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴禁超挖”的原則。開挖過程需保證施工效率,盡量減少土體無支撐的暴露時間。
對基坑底位于淤泥層的部分進行直徑850@600三軸攪拌樁抽條加固[8],如圖5所示。抽條加固深度至基坑底以下3 m,空攪水泥摻量不小于7%,實攪水泥摻量不小于20%,以此控制基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)的深層水平位移以及控制周圍地面和既有建構(gòu)筑物的沉降,并防止坑底土體隆起破壞[9]。
圖5 基底抽條加固示意
本工程對既有建構(gòu)筑物的加固措施[11]主要有:(1)對臨近基坑的高壓電桿采用直徑800@1300隔離樁加固,隔離樁的施工對周邊環(huán)境擾動相對較小;(2)對臨近既有房屋及管線采用注漿[12]保護法,該工法使用靈活,施工簡便,在車站的整個施工過程中均可使用,固結(jié)體質(zhì)量可顯著提高。
目前該車站已完成空載試運營階段,實踐表明:
(1)深厚軟土地層中地鐵深基坑的總體設計方案采用地連墻+內(nèi)支撐+三軸攪拌樁槽壁加固+三軸攪拌樁基底加固的方式是成功的。
(2)從設計角度出發(fā),控制基坑總體水平位移,可以從控制第2道支撐的架設位置著手,綜合考慮第2道支撐與第1道支撐的豎向間距。基坑開挖應分層分段開挖,保證施工效率,減少開挖過程中土體無支撐的暴露時間。
(3)為保護基坑周邊既有建構(gòu)筑物,可采用隔離樁法、注漿加固法等進行地面加固。