朱凱強(qiáng),何 巖,劉帥磊,楊 濤

(1.中交二公局第三工程有限公司,陜西 西安 710016;2.西安工程大學(xué),陜西 西安 710048)

0 引言

地鐵車站施工工法的選擇需考慮多方面因素的影響,如經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)難度及工期限制等;且基坑開挖變形直接影響施工安全,需嚴(yán)格控制其沉降變形[1]。

李少波[2]依托廈門某基坑工程,針對(duì)施工過程中地鐵深基坑的變形特征問題,采用統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)挖掘的方法,開展基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和墻后地表沉降變形分析研究;李煒明等[3]以城市地鐵典型車站為工程背景,研究不同開挖深度下的車站基坑地下連續(xù)墻變形;焦武陽(yáng)等[4]結(jié)合杭州實(shí)際基坑工程,從工程施工難點(diǎn)出發(fā),總結(jié)軟土地區(qū)深大基坑開挖變形控制技術(shù)。雖不少學(xué)者對(duì)地鐵車站的監(jiān)測(cè)分析進(jìn)行了一定研究,但對(duì)蓋挖半逆作車站基坑監(jiān)測(cè)的分析研究相對(duì)較少。

本文以西安地鐵10號(hào)線某地鐵車站基坑工程為背景,通過工法比選,結(jié)合實(shí)際工程選出合理的施工工法;同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析,研究基坑開挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊地表的變形影響,總結(jié)出基坑開挖變形規(guī)律,為今后類似工程項(xiàng)目提供工程經(jīng)驗(yàn)參考,確保施工安全。

1 工程概況

1.1 車站概況

西安地鐵10號(hào)線一期工程?hào)|風(fēng)路站位于陽(yáng)光大道和東風(fēng)路交叉路口,車站沿陽(yáng)光大道南北向布置于道路下方,如圖1所示。東風(fēng)路站為地下2層島式車站,采用明挖順作法及局部頂板蓋挖半逆作法施工。車站基坑設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為228m,標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬19.9m,盾構(gòu)擴(kuò)大段寬度為24.4m;底板埋深16.0～17.5m,頂板覆土厚度為3.55m。

圖1 區(qū)間下穿概況

1.2 地質(zhì)條件

擬建東風(fēng)路站區(qū)間地貌單元屬渭河一級(jí)階地及渭河漫灘區(qū),場(chǎng)地地形平坦,周邊未發(fā)現(xiàn)影響場(chǎng)地穩(wěn)定性的滑坡、泥石流及崩塌等不良地質(zhì)作用。地面高程一般為370.620～373.850m。擬建場(chǎng)地地下水屬第四系孔隙潛水,其含水層主要為強(qiáng)透水性砂層,屬第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)?？辈炱陂g為平水位期。地下水位埋深6.8～14.8m,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和勘探結(jié)果分析,考慮到渭河、灞河的水位漲幅影響,渭河河漫灘水位年變幅1.66～2.34m。場(chǎng)地土層與半逆作車站如圖2所示,土層信息如表1所示。

表1 場(chǎng)地土層信息匯總

2 施工工法比選

對(duì)于地下工程施工來說,埋深較深,不允許長(zhǎng)時(shí)間占用地面交通路面,因此常規(guī)的明挖法等不適合此工程,而蓋挖法可避免長(zhǎng)時(shí)間占用交通路面,已成為較中意且技術(shù)成熟的工法選擇。根據(jù)地下工程結(jié)構(gòu)施工工序和蓋板施工范圍的不同,將蓋挖法分為:蓋挖逆作法、蓋挖半逆作法和蓋挖順作法。

2.1 技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

1)蓋挖順作法 開挖前根據(jù)現(xiàn)有路面寬度,完成圍護(hù)樁或地下連續(xù)墻等擋土圍護(hù)結(jié)構(gòu)后,施作蓋板支撐覆蓋在圍護(hù)結(jié)構(gòu)之上,組成圍護(hù)+蓋板的結(jié)構(gòu),包括縱、橫梁和路面板置于擋土結(jié)構(gòu)上維持交通,蓋板相當(dāng)于臨時(shí)路面[5-6]。在蓋板下進(jìn)行土體開挖和加設(shè)橫撐到底板標(biāo)高;待開挖到基坑底部后,再由下至上修筑主體結(jié)構(gòu)部分和防水設(shè)施;將原臨時(shí)結(jié)構(gòu)拆除并回填上部覆土至地面標(biāo)高。

2)蓋挖逆作法 利用地下工程主體結(jié)構(gòu)的全部或部分作為支護(hù)結(jié)構(gòu),采用自上而下的施工工序:①施作中間柱,在施作立柱時(shí),應(yīng)將車站主體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)修建完成;②施作頂板,頂板一般由地面上方蓋板及梁組成;③施作中板與側(cè)墻,地下1層土方開挖后進(jìn)行中板結(jié)構(gòu)的施工;④施工底板與底層側(cè)墻,地鐵車站基坑開挖面大且埋深較淺,采用蓋挖逆作法施工可解決恢復(fù)路面交通的問題,占道時(shí)間短,安全性高,但其施工作業(yè)面小,進(jìn)度較慢。

3)蓋挖半逆作法 一般用于結(jié)構(gòu)寬度較大且有中間樁、柱存在的情況,其施工工序?yàn)?①施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)的同時(shí)進(jìn)行中間樁和柱的施作,承受上部結(jié)構(gòu)自重和施工荷載;②完成頂板后立即回填覆土,避免對(duì)地面的二次開挖;③自上向下逐層開挖土體,直至底板封底,再按順作順向施工車站主體,減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力轉(zhuǎn)換,提升了結(jié)構(gòu)的整體性和防水性能。

2.2 工法比選確定

以上施工方法各有特點(diǎn),從不同的施工條件出發(fā)選擇合理的施工工法,需綜合考慮所選工法對(duì)路面交通的影響,并對(duì)經(jīng)濟(jì)效益、施工難度、工期限制等指標(biāo)加以控制。

1)首要考慮對(duì)路面交通的影響。采用蓋挖順作法時(shí),主體結(jié)構(gòu)施工完成后需拆除施工臨時(shí)路面并恢復(fù)填土,會(huì)對(duì)交通帶來二次影響,比逆作法和半逆作法對(duì)路面交通的干擾更大,交通恢復(fù)進(jìn)度最慢。

2)對(duì)于經(jīng)濟(jì)效益,蓋挖逆作法和半逆作法兩者的施工成本相差不大,但蓋挖順作法需施作臨時(shí)頂板和路面,且后期要拆除,施工成本更高。

3)3種工法施工難度側(cè)重點(diǎn)不同:蓋挖逆作法各工序連接施工質(zhì)量較好,半逆作法對(duì)立柱與圍護(hù)結(jié)構(gòu)差異沉降控制方面要求較高,而蓋挖順作法要注意監(jiān)測(cè)支撐的變化、維護(hù)臨時(shí)路面,施工難度較小。

4)蓋挖順作法開挖施工進(jìn)度快;蓋挖逆作法由于施工空間狹小,進(jìn)度最慢;蓋挖半逆作法沒有臨時(shí)路面系統(tǒng),且施工難度相對(duì)合理,施工速度最快[7]。

結(jié)合東風(fēng)路車站實(shí)際工況,車站位于陽(yáng)光大道與東風(fēng)路交叉位置,該地段為城市主干道,對(duì)交通疏解要求高且交通流量大,優(yōu)選蓋挖逆作法和半逆作法;在施工成本相近的前提下蓋挖半逆作法施工工期更短,施工進(jìn)度更快;半逆作法技術(shù)難度高但隨著施工水平的不斷提升,技術(shù)問題可快速解決。因此,從路面交通影響、經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)難度及工期限制等多因素考慮,東風(fēng)路車站施工工法宜選擇蓋挖半逆作法。

2.3 方案設(shè)計(jì)

蓋挖半逆作段頂板以上區(qū)域采用鋼板樁+鋼支撐支護(hù),φ609鋼支撐,t=16mm,水平間距約為6m;頂板以下區(qū)域采用圍護(hù)樁+2道內(nèi)支撐支護(hù),鋼支撐水平間距約為3m;蓋挖半逆作頂板承載力由板下格構(gòu)柱、格構(gòu)柱樁基礎(chǔ)及蓋挖半逆作段主體基坑圍護(hù)樁共同提供。半逆作頂板下設(shè)600mm×600mm格構(gòu)柱(兼作抗拔樁),格構(gòu)柱間距5.5～6.0m,樁基長(zhǎng)度為25m。圍護(hù)樁之間采用噴射混凝土進(jìn)行封閉,噴射混凝土面層平均厚度為80mm,掛網(wǎng)鋼筋采用植筋。

3 結(jié)果分析

沿基坑周邊靠近土體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)布設(shè)圍護(hù)樁監(jiān)測(cè)點(diǎn),間距為30m,分別布設(shè)在基坑各邊中間部位、陽(yáng)角部位、深度變化部位與地質(zhì)條件復(fù)雜部位等。平行于基坑邊緣布設(shè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn),不少于2排;第1排測(cè)點(diǎn)距基坑邊≤2m,每排測(cè)點(diǎn)間距10～20m;在具有代表性的基坑部位布置基坑橫向監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)≥5個(gè);起始監(jiān)測(cè)斷面與圍護(hù)樁頂位移監(jiān)測(cè)初始斷面接近,約每隔30m設(shè)置一監(jiān)測(cè)斷面。部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位如圖3所示。

圖3 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

蓋挖半逆作段選取多個(gè)代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析,地表監(jiān)測(cè)取3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1 圍護(hù)樁變形分析

圍護(hù)樁作為主要圍護(hù)結(jié)構(gòu),與鋼支撐共同作用,為基坑提供結(jié)構(gòu)支撐,保證基坑周邊土體變形穩(wěn)定。選取ZQC1,ZQC2,ZQC3,ZQC4 4個(gè)代表性時(shí)間節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圍護(hù)樁樁頂豎向位移曲線如圖4所示。由圖4可知,樁頂豎向位移以沉降為主,其中測(cè)點(diǎn)ZQC4范圍的基坑開挖落后于其他部位,土應(yīng)力釋放滯后,造成其他部位出現(xiàn)沉降時(shí),此部位沉降量多為正,反而出現(xiàn)隆起現(xiàn)象;最大沉降出現(xiàn)在ZQC1處,值為2.34mm,除ZQC4外,各測(cè)點(diǎn)在此時(shí)間節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)明顯沉降后又隆起,結(jié)合施工可知,此階段先完成中部土體的開挖,土應(yīng)力釋放造成圍護(hù)樁沉降,后施加鋼支撐,提供支撐力,維護(hù)應(yīng)力平衡[8]。在整個(gè)開挖過程中,圍護(hù)樁樁頂豎向位移遠(yuǎn)小于樁頂豎向位移累計(jì)變形控制值,且沉降差異正常,滿足施工控制要求。

圍護(hù)樁樁頂水平位移曲線如圖5所示。由圖3,5可知,圍護(hù)樁樁頂水平位移測(cè)點(diǎn)ZQC1,ZQC2與ZQC3,ZQC4分別位于基坑南北兩側(cè),圍護(hù)樁整體位移以基坑中心軸為基準(zhǔn)向基坑內(nèi)側(cè)偏移,呈現(xiàn)對(duì)稱變化規(guī)律。最大變形值為4.12mm,位于ZQC4測(cè)點(diǎn)處,且小于預(yù)警值。對(duì)比測(cè)點(diǎn)ZQC1,ZQC3發(fā)現(xiàn),隨著基坑開挖的進(jìn)行,圍護(hù)樁樁頂水平位移不斷增大,這是由于半逆作工法在基坑開挖完成后便進(jìn)行了車站底板等結(jié)構(gòu)的施工,及時(shí)提供支撐剛度,在外側(cè)土壓力作用下,樁頂向基坑內(nèi)側(cè)偏移;位移變形在0～4mm間浮動(dòng),基坑開挖對(duì)樁頂水平位移的影響較小。

圖5 樁頂水平位移曲線

位移變形值驟減均發(fā)生在3次鋼支撐架設(shè)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上,說明在基坑開挖施工過程中,支撐架設(shè)對(duì)位移控制十分重要,因此在施工過程中要及時(shí)架設(shè)支撐,有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形[9]。

3.2 地表變形分析

圖3中的12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿基坑縱向分布,其中DBC1-2,DBC2-2,DBC3-3,DBC4-3 4個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向位移隨基坑開挖以隆起為主,其余測(cè)點(diǎn)的豎向位移以沉降為主,選取DBC2,DBC3的位移值進(jìn)行分析,如圖6,7所示。測(cè)點(diǎn)越靠近基坑,豎向位移下沉幅度越大,最大變形點(diǎn)為DBC3-1,沉降值為4.46mm;基坑南側(cè)隆起位置比北側(cè)更靠近基坑,排除周邊建筑物、地質(zhì)條件等其他因素影響,由于北側(cè)測(cè)點(diǎn)以北的地下管線改遷施工也進(jìn)行了部分土體開挖,使其北側(cè)DBC3測(cè)點(diǎn)部位土應(yīng)力釋放多于南側(cè),造成土體隆起不明顯且位移變形值更小;每一步工序的進(jìn)行都會(huì)相互產(chǎn)生影響,在施工中要提前對(duì)有關(guān)因素進(jìn)行多方面考慮,保證施工安全[10]。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)DBC2位移

由圖6,7可知,2022年4月16號(hào)前,前期基坑土體多次開挖,地表沉降變形明顯快速增大,當(dāng)基坑底部土體開挖完成,沉降達(dá)到最大值,在之后的車站底板等結(jié)構(gòu)施工過程中,基坑變形有所回升,車站結(jié)構(gòu)對(duì)地表沉降變形有很大的限制作用。從監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析,這12處及周邊其他測(cè)點(diǎn)的地表累計(jì)沉降變形值均小于5mm,遠(yuǎn)小于變形控制值。

4 結(jié)語(yǔ)

1)結(jié)合實(shí)際基坑開挖工程,要考慮路面交通影響、經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)難度及工期限制等多因素的影響,從不同的施工環(huán)境出發(fā)選擇最合理的施工工法。

2)通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析,基坑開挖施工造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)部偏移,整個(gè)開挖過程中,土應(yīng)力釋放造成圍護(hù)樁沉降及周邊地表產(chǎn)生隆起與沉降。因此,支撐架設(shè)要及時(shí)跟進(jìn),維護(hù)應(yīng)力平衡;同時(shí),半逆作施工速度快,車站結(jié)構(gòu)及時(shí)施工發(fā)揮出了對(duì)開挖變形的限制作用,保證施工安全。

3)基坑開挖安全至關(guān)重要,結(jié)合西安地鐵某車站基坑工程,施工工序之間聯(lián)系緊密,相互影響,因此施工中要提前對(duì)有關(guān)因素進(jìn)行多方面的考慮。