蔡宗洋
(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司,北京 100037)
臨近既有地鐵車站結(jié)構(gòu)基坑施工,土方開挖可能出現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)變形及周邊環(huán)境沉降等,要充分考慮周邊環(huán)境復雜、圍護工程工作量大、地質(zhì)條件差等困難,合理選擇開挖方式和支護結(jié)構(gòu),運用現(xiàn)代化先進技術(shù),保證工程質(zhì)量。
本工程位于杭州市上城區(qū)近江區(qū)塊,東側(cè)和北側(cè)緊鄰婺江家園住宅小區(qū),南側(cè)為銀鼓路,西側(cè)為婺江路,項目基坑距離運營中的杭州地鐵1號線婺江路站風亭約2 m,距離婺江路站~近江站區(qū)間隧道約17.6 m。
整個車站有車站主體、出入口及風道3部分組成,出入口5個,位于車站南北兩側(cè),車站設(shè)有2座風道,分別位于車站兩端,風道采用雙層箱型結(jié)構(gòu)。車站總長約259.6 m,總寬18.9 m,站臺有效長度為120 m,站臺寬度10.2 m。車站頂板覆土約5 m,底板埋深約18 m。
本項目主基坑深度約14.5 m,附屬連通通道基坑深度約10~13 m。主基坑分為5個分坑,分別為分坑1~分坑5(見圖1)。圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+地連墻結(jié)合內(nèi)支撐方式,地連墻長為1 000 mm,主要分布于臨近地鐵側(cè)[1]。其余部分采用鉆孔灌注樁,樁徑1 000 mm,間距1 300 mm。附屬改造部分基坑分為3個分坑,分別為分坑6~分坑8。其中,分坑6和分坑7邊界部分借助既有軌道交通結(jié)構(gòu),其余部分采用鉆孔灌注樁加MJS注漿加固。
圖1 基坑分坑圖
基坑分坑開挖按順序:①分坑1和分坑2;②分坑3和分坑4;③分坑5;④分坑6;⑤分坑7;⑥分坑8。
1)分坑1、3共有3道支撐,第一道支撐為混凝土支撐,第二道和第三道支撐為型鋼組合支撐;分坑2、分坑4、分坑5共設(shè)置4道支撐,第一道支撐為混凝土支撐,第2~4道支撐為鋼管支撐。分坑8設(shè)置共有2道支撐,均為混凝土支撐。
2)混凝土支撐采用C30,型鋼組合支撐采用H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm型鋼;橫梁采用H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型鋼;圍檁采用H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm型鋼,并配合軸力伺服系統(tǒng)使用。鋼管支撐直徑為800 mm,厚度為16 mm。
3)施工前須對鋼構(gòu)件的完整程度和力學性能進行檢查和檢測;支撐應分組安裝,預應力應分級施加,依次為總預應力的20%、50%和30%,施加過程中應結(jié)合監(jiān)測和巡查結(jié)果進行信息化施工;土方開挖范圍內(nèi)的支撐受力路徑應閉合[2,3]。加壓系統(tǒng)采用軸力自動補償伺服系統(tǒng)。
本文主要采用大型通用有限元分析軟件PLAXIS 3D進行三維數(shù)值模擬,分析基坑開挖過程對涉鐵設(shè)施結(jié)構(gòu)的影響。
綜合考慮基坑施工的影響范圍和影響對象,計算模型的平面尺寸為210 m(X方向,或東西向)×200 m(Y方向,或南北向),計算模型中深度(Z方向,向上為正,負值代表沉降)取60 m(見圖2)。
圖2 模型網(wǎng)格及尺寸圖
選定5個主要不利工況,主要變形情況匯總見表1。
表1 變形情況匯總
5.1.1 土體測斜
根據(jù)以上深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),CX1測點的位移值最大,其他測點數(shù)據(jù)相對較小。分析CX1測點數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),在2021年12月24日土體最大水平位移為22.93 mm,此階段對應分坑1在進行拆撐工序,之后隨著地下室側(cè)墻及中板的澆筑,變形趨勢減小,變形數(shù)據(jù)逐漸穩(wěn)定,截至2022年1月21日,同深度位置處的土體變形最大值減小為20.77 mm,目前已基本完成分坑1的回筑工況,基坑支護體系處于穩(wěn)定狀態(tài)。
5.1.2 地表沉降
截至2022年1月24日,地表沉降的最大值為8.49 mm,發(fā)生位置為CJ2。由分坑1和分坑2的運土路線可以發(fā)現(xiàn),CJ1和CJ2位于兩個分坑的運土線路附近,分析其原因為受重型運土車的碾壓所致。其他測點大部分處于5 mm左右,整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。
基坑土方開挖至2022年1月25日,上行線結(jié)構(gòu)的水平位移及相應的水平收斂值變形稍大。圍護樁施工階段影響較小,水平位移最大值在2 mm以內(nèi)。隨著基坑土方的開挖,變形的斜率增大,且隨著基坑向下的施工,變形量也越大,說明土體卸載造成既有線發(fā)生向基坑一側(cè)位移的累積效應相對較為明顯。在2021年11月17日,分坑1及分坑2開挖到底,土方開挖停止;隨著基坑內(nèi)墊層及地下室底板的施作,既有線的水平位移雖仍然是累積增加的趨勢,但增大的幅度變小并逐步穩(wěn)定,截至2022年1月25日,最大水平位移為7.0 mm,對應的斷面點號為SSP35(18)。除水平位移外,上行線結(jié)構(gòu)的水平位移及相應的水平收斂變形值也有類似的變化趨勢,但變形量絕對值相對較小,最大值在3~4 mm,影響較小。
由出入口的沉降變形時程可以看出,主要變形突變有兩個,一個發(fā)生在2021年9月21日,即分坑1完成第一道混凝土支撐,開始進行第二次開挖的時刻。在此之前,出入口的沉降變形最大值在2 mm左右,隨著分坑1開挖土方量的加大,變形斜率明顯加大,一直到2021年10月15日,分坑1開始施作了第三道支撐,出入口的沉降變形加大趨勢得到了緩解,此時最大值約為4 mm。分析其原因可知,在第一道支撐施工時,土體的卸載量較小,但從第一道支撐~第三道支撐間的豎向距離較大,土體卸載量也要大很多,因此造成此階段的變形量增加較快。
第二個突變發(fā)生在2021年11月2號,即分坑1由第三道支撐位置開挖到底的過程。此階段基坑東側(cè)發(fā)生了滲漏水,現(xiàn)場進行堵漏施工工期長達21 d,基坑長時間處于擱置狀態(tài)下,發(fā)生較大蠕變。分析數(shù)據(jù)可以看出,滲漏水期間出入口的結(jié)構(gòu)變形斜率較大,造成的不利影響也更突出。
隨著堵漏工序完成,分坑1開挖到底及后續(xù)底板的及時施作,出入口的變形得到了一定程度的控制,雖然后續(xù)回筑過程中,隨著拆撐的工況,沉降變形有一定的起伏,但總體的變形速率相對穩(wěn)定,截至2022年1月25日,分坑1已基本完成回筑過程,最大沉降值為7.1 mm。
結(jié)合基坑圍護方案具體的施工工況要求,通過理論和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、三維有限元數(shù)值分析,進行了各個階段的施工工況等對地鐵結(jié)構(gòu)變形的分析和計算。分析結(jié)果表明采用本工程基坑圍護方案,并結(jié)合施工分塊、控制施工時間等措施,在圍護結(jié)構(gòu)(圍護樁、止水帷幕等)施工質(zhì)量可靠的前提下,適時調(diào)整既有軌道交通結(jié)構(gòu)的變形控制值,優(yōu)化部分施工措施,地鐵結(jié)構(gòu)的變形可滿足基坑施工的要求。
盡管如此,考慮到基坑施工過程中的風險因素,圍護結(jié)構(gòu)的可靠性和實際施工應遵循“分層、限時”的基坑施工原則,盡可能減少地鐵結(jié)構(gòu)保護的風險。為此,提出以下3點建議:
1)為防止再次發(fā)生滲漏水情況,開挖前現(xiàn)場應加強止水帷幕、地連墻、排樁等圍護結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量檢驗,對存在質(zhì)量問題的區(qū)域及時采取加固、補樁等措施,確保止水效果達到設(shè)計要求[4]。特別是對于地連墻與圍護樁相接位置,應重點關(guān)注,發(fā)現(xiàn)圍護缺陷處必須進行補強后方可開挖。
2)施工過程加強地下水位的監(jiān)測和現(xiàn)場巡視工作,便于及時發(fā)現(xiàn)地下水位變化較大或有滲漏點的情況,進而及時采取應急措施,避免不利影響進一步擴大。
3)基坑各階段挖土施工必須遵循“分層開挖、嚴禁超挖”的原則。每層厚度不宜大于1.5 m,每段開挖寬度不宜超過20 m為最低要求,現(xiàn)場根據(jù)既有線監(jiān)測的實時數(shù)據(jù),必要時應進一步減少每次的開挖高度。不得隨意開挖或超深開挖,嚴格控制每次開挖的土方卸載量。
深基坑施工期間對既有建筑物的變形影響總體可控,但應重點關(guān)注與在建深基坑相鄰處。在設(shè)計方案中,地塊基坑支護設(shè)計應充分考慮地鐵保護加強措施,在保證支護剛度足夠、分步開挖距離合理的情況下,對控制支護結(jié)構(gòu)水平變形和周邊地表沉降十分有利,同時應重點關(guān)注拆撐工況,必要時對基坑加設(shè)支撐以保證安全。