賈 飛

(陜西建工基礎(chǔ)建設(shè)集團有限公司,陜西 西安 710016)

0 引言

隨著城市地下空間的大規(guī)模開發(fā)與利用,越來越多的基坑工程緊鄰甚至緊貼運營地鐵,基坑開挖必然會打破鄰近地鐵線路的原有地應(yīng)力平衡,從而引起地鐵車站產(chǎn)生相應(yīng)的變形。地鐵車站結(jié)構(gòu)對變形的要求極其嚴格,為保證地鐵車站的安全和正常使用,基坑在施工過程中須采取嚴格的工程措施。因此,地鐵周邊深基坑的支護與開挖已成為城市建設(shè)過程中亟需面對的問題,解決城市建設(shè)發(fā)展與已有地鐵保護雙重需要的矛盾具有重要意義。

本文以西安咸陽國際機場三期擴建工程GTC及軌道預(yù)留項目基坑支護工程為例,針對鄰近在運營地鐵線路兩側(cè)基坑,討論實際施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

1.1 項目概況

本項目為西安咸陽國際機場三期擴建工程GTC及軌道預(yù)留項目,包括GTC換乘中心、GTC南北停車樓及地鐵車站等?；臃譃闁|、西2個區(qū),在運營地鐵線路從項目中間穿過。

基坑?xùn)|西長約390m,南北長約460m,面積約138 000m2,開挖深度為6.3～21.5m。項目包括南北過夜用房(H1,H2區(qū))、換乘中心(G2,G4區(qū))、南北停車樓(P1-1,P2-1),在運營的機場14號線由南向北下穿通過GTC,項目分區(qū)如圖1所示。

圖1 項目分區(qū)Fig.1 Project sub-region

1.2 基坑與地鐵位置關(guān)系

換乘中心段基坑與地鐵14號線車站主體結(jié)構(gòu)最小水平凈距為3.2m,地鐵預(yù)留工程基坑與地鐵14號線車站主體結(jié)構(gòu)最小水平凈距為3.8m;南過夜用房基坑與地鐵14號線主體結(jié)構(gòu)最小水平凈距為7.1m。位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 基坑與地鐵車站關(guān)系Fig.2 Relationship between foundation excavation and subway station

北過夜用房基坑與地鐵14號線盾構(gòu)區(qū)間正線隧道最小水平凈距為6.25m,地鐵預(yù)留工程基坑與地鐵14號線盾構(gòu)區(qū)間正線隧道最小水平凈距為6.70m。位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 基坑與地鐵隧道關(guān)系Fig.3 Relationship between foundation excavation and subway tunnel

1.3 工程地質(zhì)條件

該項目場地地貌單元屬黃土塬,根據(jù)現(xiàn)場勘察及室內(nèi)試驗結(jié)果,場地濕陷性等級為Ⅱ級,濕陷性黃土受浸水作用后結(jié)構(gòu)弱化,其強度會大幅度降低,產(chǎn)生增濕剪切破壞現(xiàn)象。

2 工程重難點

2.1 緊鄰運營地鐵,變形控制要求高

項目基坑緊鄰地鐵線路,相關(guān)附屬結(jié)構(gòu)包括機房、電梯預(yù)留井口、泵房、出風(fēng)口等,均位于地鐵結(jié)構(gòu)上方,結(jié)構(gòu)周邊有擋土墻、擋水墻,上部有排水溝,北過夜樓北側(cè)有消防水池。車站內(nèi)部局部已存在裂縫、滲漏等情況。因此,對變形控制的要求極高。

基坑開挖導(dǎo)致既有地鐵線路變形的因素有很多,如基坑開挖的時空效應(yīng)、基坑與地鐵隧道的相對距離等,其中基坑與地鐵隧道的相對距離對既有地鐵線路變形影響最大[1]。

2.2 基坑規(guī)模大,工程難度大

基坑為最大深度達21.5m的超深基坑,在運營地鐵從場地中間穿過,現(xiàn)場作業(yè)空間有限,同時作業(yè)單位多,且基坑位于在運營地鐵線路東西兩側(cè),導(dǎo)致施工現(xiàn)場管理、平面協(xié)調(diào)與交通組織難度較大。

3 基坑支護形式

車站為地下1層六柱五跨箱形結(jié)構(gòu)。車站總長約432.8m,標(biāo)準段寬60m,底板埋深約17.65m。車站兩端均設(shè)置暗挖區(qū)間。

各區(qū)域基坑支護形式如圖4所示。

圖4 各區(qū)域支護形式Fig.4 Support form in each area

換乘中心(G2區(qū))支護深度為10.33m,采用護坡樁+鋼管斜支撐。北旅客過夜用房(H1區(qū))支護深度9.47m,采用護坡樁+鋼管斜支撐?；颖倍诉M入車站端頭及區(qū)間影響區(qū)范圍,圍護樁直徑為1.2m,水平間距1.5m,設(shè)3道水平斜撐和1道換撐,第1道為800mm×800mm混凝土支撐,其余3道均為φ800×20鋼支撐。南旅客過夜用房(H2區(qū))支護深度9.47m,采用護坡樁+鋼管斜支撐。基坑南端進入車站區(qū)間影響區(qū)范圍,采用護坡樁+鋼支撐。

換乘中心(G4區(qū))支護深度12.1m,采用護坡樁+鋼管斜支撐、倒撐。北停車樓(P2-1區(qū))支護深度12.1m,采用護坡樁+鋼管斜支撐、倒撐?；颖倍诉M入車站端頭及區(qū)間影響區(qū)范圍,圍護樁直徑為1.2m,水平間距1.5m,設(shè)3道水平斜撐和1道換撐,第1道為800mm×800mm混凝土支撐,其余3道均為φ800×20鋼支撐。南停車樓(P1-1區(qū))支護深度12.1m,采用護坡樁+鋼管斜支撐、倒撐。

4 工程影響分析

基坑開挖過程即基坑卸荷的過程,由于卸荷而引起坑底土體產(chǎn)生向上隆起、基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形及坑周地層的移動,從而導(dǎo)致地面沉降及坑外地鐵隧道的變形,如圖5所示。

圖5 基坑開挖卸荷后的變形Fig.5 Deformation of foundation excavation after excavation unloading

在基坑開挖過程中,隨著支護結(jié)構(gòu)的水平位移和坑底土層的隆起,緊鄰深基坑的在運營地鐵隧道會產(chǎn)生水平和豎向位移。隧道變形呈不均勻性,從而產(chǎn)生一定的彎曲變形。當(dāng)隧道變形超過一定值時,易對其正常運營產(chǎn)生影響。利用有限元軟件對該工程的開挖進行模擬,分析不同工況對地鐵線路及支護結(jié)構(gòu)的影響。計算模型如圖6所示。

圖6 有限元計算模型Fig.6 Finite element calculation model

4.1 基坑開挖對地鐵線路影響分析

4種不同開挖工況下的地鐵車站側(cè)墻變形如圖7所示。由圖7可知,開挖過程中是否預(yù)留反壓土對地鐵車站的水平變形影響相對較大,當(dāng)開挖過程中預(yù)留反壓土?xí)r,地鐵車站的水平變形最小。相較于非對稱開挖,地鐵車站兩側(cè)對稱開挖也能有效減小車站結(jié)構(gòu)的水平變形。當(dāng)采用對稱開挖時,地鐵車站結(jié)構(gòu)呈兩側(cè)對稱式的水平變形;當(dāng)采用非對稱開挖方式時,地鐵車站有整體向開挖側(cè)變形的趨勢。

圖7 地鐵車站側(cè)墻變形Fig.7 Deformation of side wall of subway station

不同開挖工況下地鐵車站兩側(cè)的差異沉降量如圖8所示。由圖8可知,非對稱開挖且無預(yù)留反壓土的情況下,地鐵車站的差異沉降量較大,而有預(yù)留反壓土的情況下,地鐵車站的差異沉降量較小。

圖8 地鐵車站兩側(cè)差異沉降Fig.8 Settlement difference on both sides of subway station

4.2 基坑開挖對支護結(jié)構(gòu)影響分析

不同開挖工況下支護樁樁身水平變形如圖9所示。由圖9可知,開挖時預(yù)留反壓土,能較好地限制樁身水平變形,其原因是反壓土提供的被動土壓力能限制支護結(jié)構(gòu)后主動土壓力區(qū)的發(fā)展,從而減小支護結(jié)構(gòu)的水平變形。此外,采用對稱式開挖也能在一定程度上減小支護結(jié)構(gòu)的水平變形,因?qū)ΨQ式開挖在支護結(jié)構(gòu)后側(cè)產(chǎn)生主動土壓力區(qū),減小了作用在對側(cè)支護結(jié)構(gòu)上的附加應(yīng)力。

圖9 樁身水平變形Fig.9 horizontal deformation of pile

5 工程關(guān)鍵技術(shù)

基坑開挖是一個動態(tài)過程,開挖方式及順序的選擇對周圍環(huán)境影響較大[2],既有地鐵結(jié)構(gòu)距基坑越近,或兩側(cè)基坑開挖面高差越大,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移也越大[3]。因此,需針對工程實際條件制定完善的開挖及支護對策。隧道兩側(cè)深基坑開挖常采用分區(qū)開挖、緊鄰地鐵隧道區(qū)域地下室減層設(shè)計、坑內(nèi)土體加固[4]等施工措施。

5.1 土方開挖

5.1.1分區(qū)分段開挖

地鐵線路結(jié)構(gòu)的變形主要由深大基坑坑底隆起和基坑支護結(jié)構(gòu)變形所引起,且與基坑卸荷量大小及卸荷時間長短有關(guān)。因此,將大面積卸荷區(qū)域劃分為若干個獨立的卸荷區(qū)域,分階段、分時段進行開挖卸荷可減小對地鐵線路的影響。施工區(qū)域分塊如圖10所示。

圖10 施工區(qū)域分塊Fig.10 Construction area block

地鐵影響區(qū)土方開挖及支護階段,既有線兩側(cè)共分為18個板塊(西側(cè)9個板塊,東側(cè)9個板塊),開挖高差≤2m,由遠離地鐵方向向靠近地鐵方向分層施工。地鐵影響區(qū)主體施工階段,既有線兩側(cè)按設(shè)計后澆帶共分為22個板塊(西側(cè)10個,東側(cè)12個)。北旅客過夜用房和北停車樓(P2-1)由北向南施工;換乘中心(G2/G4)由兩側(cè)向中間施工;南旅客過夜用房和南停車樓(P1-1)由南向北施工。

5.1.2對稱同步開挖

緊貼地鐵隧道單側(cè)基坑開挖引起車站結(jié)構(gòu)上抬,并產(chǎn)生不對稱變形[5],基于時空效應(yīng)理論,通過優(yōu)化土方開挖步序,依據(jù)不同基坑深度,合理分層分塊,針對深基坑土方工程對地鐵變形的影響,采取限量、限時、平衡、對稱等開挖原則,確保土方施工時的地鐵及圍護結(jié)構(gòu)變形可控[6]。因此,本工程地鐵線附近土方開挖時應(yīng)注意對正在運行地鐵線的保護,地鐵兩側(cè)土方開挖區(qū)域分為8倉,分倉、分段、兩側(cè)對稱同步開挖,開挖過程中加強監(jiān)測頻率。相較于非對稱式開挖,基坑對稱式開挖對地鐵車站結(jié)構(gòu)的變形影響較小,主要是因為對稱開挖是同時卸荷,地鐵車站部分側(cè)向位移會相互抵消[7]。

5.2 基坑支護

5.2.1對稱施工

基坑支護設(shè)計及施工過程中需特別注意對地鐵隧道的保護,為保證既有地鐵線路的正常運營,本工程采用鋼管斜撐支護,鋼管斜撐應(yīng)就近在平坦場地分節(jié)拼接,以確保拼接質(zhì)量,拼接完成后轉(zhuǎn)運至施工現(xiàn)場。地鐵兩側(cè)對稱開挖后,鋼管斜撐應(yīng)在東西兩側(cè)對稱施工,兩側(cè)同時施加預(yù)應(yīng)力,防止因受力不對稱引起既有地鐵線路變形。

5.2.2預(yù)留土體

為優(yōu)化支護效果,應(yīng)盡可能減小地鐵結(jié)構(gòu)的變形,施工斜撐前,需保留一部分反壓土,減小圍護結(jié)構(gòu)的彎矩,從而減小其變形。同時,預(yù)留土體可減小對地基承載力的影響,減小地鐵結(jié)構(gòu)的沉降,也可減小因基坑開挖卸荷引起的基坑附近土體隆起,減小圍護結(jié)構(gòu)及地鐵原有支護結(jié)構(gòu)的豎向變形,加強圍護效果,原有地鐵基坑和現(xiàn)基坑支護結(jié)構(gòu)共同作用,形成了較大的支護剛度,能較好地控制開挖變形的發(fā)展[1]。

5.2.3拆撐換撐

斜撐會占用一部分主體結(jié)構(gòu)的建筑空間,因此當(dāng)主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻及筏板混凝土支座強度達到設(shè)計強度的75%后,應(yīng)進行換撐,以保證控制變形的同時給主體結(jié)構(gòu)留有足夠的施工空間。

支護結(jié)構(gòu)施工步驟如圖11所示。

圖11 支護結(jié)構(gòu)施工步驟Fig.11 Construction steps of supporting structure

1)第1步 主體圍護樁施工完成后,兩側(cè)基坑分層、分段、對稱開挖,開挖過程中保留反壓土(見圖11a)。

2)第2步 開挖至底板后,施作地基處理樁基、褥墊層,澆筑墊層、底板及抗剪蹬(見圖11b)。

3)第3步 架設(shè)斜向鋼支撐,并對稱施加預(yù)應(yīng)力(見圖11c)。

4)第4步 開挖反壓土,施工剩余底板及側(cè)墻抗剪蹬,并架設(shè)鋼換撐(見圖11d)。

5)第5步 拆除斜向鋼支撐,施工剩余側(cè)墻及頂板,待施工結(jié)束后拆除鋼換撐(見圖11e)。

5.3 施工協(xié)調(diào)

支護樁、土釘墻、噴錨支護的施工應(yīng)穿插進土方開挖過程中,土方開挖與支護工程施工交替進行,每層開挖至錨索或鋼支撐位置下50cm時,立即施工錨索或鋼支撐,減少土體暴露時間。待錨索或鋼支撐達到設(shè)計要求后再進行下層土方開挖。鋼支撐在夏季高溫季節(jié)會產(chǎn)生脹縮現(xiàn)象,故在施工過程中應(yīng)嚴密監(jiān)測其軸力、應(yīng)力及變形,當(dāng)監(jiān)測值接近預(yù)警值時,應(yīng)采取草墊遮蓋、灑水等降溫措施,以保證鋼支撐軸力在安全范圍內(nèi)。

6 監(jiān)測情況

為準確判斷基坑在土方開挖及結(jié)構(gòu)施工過程中的穩(wěn)定性,本工程委托第三方專業(yè)監(jiān)測機構(gòu)對施工全過程中的支護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形進行了監(jiān)測,并及時整理觀測數(shù)據(jù),以便指導(dǎo)現(xiàn)場施工。監(jiān)測內(nèi)容包括:護坡樁頂部水平及豎向位移、支護結(jié)構(gòu)深部水平位移、周邊道路沉降、坑邊地面沉降等。監(jiān)測結(jié)果表明,基坑圍護結(jié)構(gòu)及地鐵隧道變形控制穩(wěn)定,該實施方案效果較好。

7 結(jié)語

本文以西安咸陽國際機場三期擴建工程GTC及軌道預(yù)留項目為例,針對鄰近地鐵鋼管斜撐支護及土方開挖施工,詳細分析了工程重難點及工程影響,探討了支護形式、開挖方式、施工整體部署及關(guān)鍵技術(shù)要點。通過靈活調(diào)整土方開挖及基坑支護施工部署,實現(xiàn)多階段施工同步開展,提高施工效率。針對鄰近運營地鐵的深基坑,采用鋼管斜撐的支護形式并在開挖過程中預(yù)留反壓土的支護效果較好,可減小基坑施工對鄰近地鐵線路的影響,具有較好的安全性和實用性,可為今后城市建設(shè)中的相關(guān)工程提供借鑒和參考。