地鐵深基坑交叉施工支護(hù)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化與實(shí)踐

黃躍翔

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000)

1 工程概況

蘇州軌道交通一號(hào)線玉山公園站與B30地塊的分區(qū)1-1緊臨,B30地塊的圍護(hù)灌注樁與玉山公園車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻凈間距為2.1～5.15 m,B30地塊的隔水帷幕與玉山公園車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻凈間距僅為1.1～4.15 m。二者的平面位置如圖1、圖2所示。

圖1 B30地塊與地鐵玉山公園車站相對(duì)關(guān)系平面

圖2 B30地塊與地鐵玉山公園車站相對(duì)關(guān)系剖面(單位：m)

B30地塊為地下2層,基坑開挖深度11.5 m,靠近玉山公園站的為分區(qū)1-1,支護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ900 mm灌注樁,入土深度22.8 m,插入比約為0.983?；迂Q向設(shè)2道支撐,第1道支撐為混凝土支撐,第2道支撐為雙拼φ609 mm鋼管支撐。

玉山公園車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為地下2層,頂板厚800 mm,覆土2 m,中板厚400 mm,底板厚900 mm,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用600 mm厚地下連續(xù)墻,連續(xù)墻入土深度27 m,插入比0.82；端頭井采用800 mm厚地下連續(xù)墻,連續(xù)墻入土深度29.5 m,插入比約0.78；標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度14.82 m,端頭井開挖深度16.525 m。支撐系統(tǒng)采用鋼筋混凝土支撐及φ609 mm(δ=16 mm)鋼管支撐。標(biāo)準(zhǔn)段豎向1道鋼筋混凝土支撐加3道鋼管支撐,鋼管撐水平間距3 m左右。端頭井段豎向1道鋼筋混凝土支撐加4道鋼管支撐。

2 前期設(shè)計(jì)方案確定及施工中方案的優(yōu)化

2.1 玉山公園站基坑設(shè)計(jì)前期論證

B30地塊先于地鐵車站施工。為減少B30地塊施工對(duì)地鐵玉山公園站的影響,根據(jù)《B30地塊項(xiàng)目基坑施工與地鐵施工相互影響安全評(píng)估報(bào)告專家審查意見》：B30地塊(分區(qū)1-1)的地下結(jié)構(gòu)施工至設(shè)計(jì)±0.000高程后,才能進(jìn)行車站的基坑開挖,否則會(huì)對(duì)車站的變形產(chǎn)生較大影響。由于兩近鄰項(xiàng)目深基坑同時(shí)施工的特殊性,在設(shè)計(jì)階段基坑圍護(hù)方案評(píng)審過程中,專家重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了上述結(jié)論,并將其作為玉山公園車站和B30地塊基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要前提條件。

2.2 B30地塊施工順序的優(yōu)化調(diào)整

由于B30地塊工期滯后,已嚴(yán)重影響玉山公園站的節(jié)點(diǎn)工期及地鐵項(xiàng)目整體工期進(jìn)度。根據(jù)蘇州軌道交通一號(hào)線的工期安排,結(jié)合B30地塊工期相對(duì)滯后現(xiàn)狀,綜合考慮玉山公園車站和B30地塊施工的實(shí)際進(jìn)度,建議調(diào)整B30地塊基坑的施工順序,即B30地塊先施工分區(qū)1-2、1-3基坑。這樣雖然兩基坑緊鄰,但能滿足同步施工安全距離的要求。由B30地塊先施工變地鐵車站先施工,待車站地下結(jié)構(gòu)施工至設(shè)計(jì)±0.000高程后,可以跟進(jìn)相鄰的B30地塊分區(qū)1-1基坑施工。合理調(diào)整,統(tǒng)籌兼顧,既保證蘇州軌道交通工期又不影響B(tài)30地塊整體工期。

3 對(duì)兩深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化

3.1 相鄰基坑跟進(jìn)施工安全距離的確定

玉山公園站北端頭井距離相鄰B30地塊最北端的距離為20.5 m,B30分區(qū)1-1基坑初始開挖距離30 m,其關(guān)系詳見圖3。綜合考慮基坑開挖對(duì)車站結(jié)構(gòu)的影響、基坑規(guī)模及幾何尺寸、圍護(hù)墻體及支撐結(jié)構(gòu)體系布置、基坑加固及施工條件等各種因素,經(jīng)過計(jì)算得出結(jié)論是：當(dāng)L=30 m,B=80.5 m時(shí)(詳見第4節(jié)),B30分區(qū)1-1基坑開挖卸載引起已建玉山公園站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加內(nèi)力增加值可控制在10%以內(nèi),采取加固措施后,對(duì)已建地鐵車站產(chǎn)生的附加位移和沉降可控制在15 mm以內(nèi)。

圖3 B30分區(qū)1-1跟進(jìn)玉山公園站施工關(guān)系平面(單位：mm)

3.2 已建地鐵車站保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 B30地塊基坑的側(cè)向水平位移控制值

根據(jù)上海、北京等城市建設(shè)經(jīng)驗(yàn),在軌道交通沿線一定范圍內(nèi)進(jìn)行工程活動(dòng)應(yīng)該遵循相關(guān)規(guī)定。上海與蘇州同處長(zhǎng)江三角洲,均為軟土地區(qū),地下水位都很高,參照上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn),按一級(jí)基坑考慮,即對(duì)B30地塊的分區(qū)1-1圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向位移按照1.4‰H(H為開挖深度)作為控制值。

B30地塊基坑的開挖深度為11.5 m,分區(qū)1-1最大側(cè)向位移控制值應(yīng)為16.1 mm,考慮到B30地塊分區(qū)1-1基坑與玉山公園站凈距較近,按15 mm考慮。

3.2.2 已建地鐵車站的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

參考《上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》,對(duì)于深基坑、樁基施工、降水、堆載等各種卸載和加載的建筑活動(dòng),引起地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施附加絕對(duì)沉降量及水平位移量的總量不容許超過20 mm。考慮到B30地塊工程的實(shí)際情況,將來導(dǎo)致已建地鐵玉山公園車站產(chǎn)生附加位移至少由以下兩個(gè)部分疊加而成：

(1)B30地塊基坑開挖卸載對(duì)地鐵車站產(chǎn)生的附加位移；

(2)B30地塊建筑物本身的樁基沉降引起地鐵車站產(chǎn)生附加位移。

考慮到地鐵車站的重要性,要求B30地塊基坑開挖卸載引起的地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)施附加絕對(duì)沉降量及水平位移量均不超過15 mm。

3.3 B30地塊設(shè)計(jì)方案

B30地塊原設(shè)計(jì)自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移為25.1 mm,B30地塊基坑開挖引起地鐵車站的最大附加水平位移為23.19 mm,車站頂板最大附加沉降為17.43 mm,均超過15 mm,原支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能滿足對(duì)地鐵保護(hù)要求。

3.4 保護(hù)已建地鐵車站擬采取的工程措施

由于B30地塊分區(qū)1-1的圍護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完畢,地鐵車站的連續(xù)墻還未正式施工。基于以上實(shí)際情況,結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)擬采取以下工程措施。

3.4.1 地鐵車站支護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段連續(xù)墻加厚

為減少地鐵車站的附加位移和沉降,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身的剛度是最直接、最有效的辦法。因此,玉山公園車站標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻厚度從原設(shè)計(jì)的600 mm增強(qiáng)至800 mm(同端頭井),從加強(qiáng)自身剛度的角度主動(dòng)控制已建地鐵車站結(jié)構(gòu)的附加變形。

3.4.2 B30地塊分區(qū)1-1增加1道水平支撐

B30地塊分區(qū)1-1原設(shè)計(jì)為2道水平支撐,第1道為鋼筋混凝土支撐,第2道為雙拼φ609 mm鋼管支撐,現(xiàn)增加1道雙拼φ609 mm鋼管支撐,圈梁采用雙拼H700×300型鋼,以進(jìn)一步減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移,從源頭上控制已建地鐵車站結(jié)構(gòu)的附加變形。

3.4.3B30地塊分區(qū)1-1與地鐵車站之間的土體加固

分區(qū)1-1與地鐵車站二者圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的土體采用三軸攪拌樁滿堂加固,加固范圍為地表到B30地塊基坑底高程,以提高該區(qū)域土體的物理力學(xué)指標(biāo),增強(qiáng)土體抗側(cè)移和抗沉降能力,從傳遞路徑上控制已建地鐵車站結(jié)構(gòu)的附加變形。設(shè)計(jì)優(yōu)化后的方案詳見圖4。

圖4 設(shè)計(jì)優(yōu)化后的方案(單位：mm)

4 支護(hù)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化檢算

4.1 B30地塊基坑自身側(cè)向位移

按照調(diào)整后的方案,對(duì)B30地塊基坑進(jìn)行了側(cè)向位移進(jìn)行計(jì)算,詳見圖5。

圖5 B30地塊基坑自身計(jì)算結(jié)果(調(diào)整后方案)

4.2 安全保護(hù)距離的確定

首先對(duì)在沒有B30地塊開挖的條件下車站結(jié)構(gòu)自身的內(nèi)力情況進(jìn)行分析,以便對(duì)比得出B30地塊基坑開挖對(duì)已建玉山公園車站地下結(jié)構(gòu)的影響,驗(yàn)算上述工程措施的可靠性,并最終能夠定量確定保護(hù)距離L,分析結(jié)果見圖6～圖8。

圖6 車站結(jié)構(gòu)彎矩圖(單位：kN·m)

圖7 車站結(jié)構(gòu)軸力圖(單位：kN)

圖8 車站結(jié)構(gòu)剪力圖(單位：kN)

地鐵車站地下結(jié)構(gòu)出±0.000的距離B與保護(hù)距離L的關(guān)系為

B=50.5+L(m)

玉山公園車站南北方向?yàn)?78 m,保護(hù)距離L的確定需要綜合考慮各種因素,在有限元計(jì)算分析中L體現(xiàn)在對(duì)車站地下結(jié)構(gòu)剛度(南北方向)的貢獻(xiàn),本次分別選取L=0 m、L=15 m、L=30 m、L=45 m、L=122.5 m五種情況進(jìn)行計(jì)算、對(duì)比。當(dāng)L=122.5 m時(shí),B=178 m,整個(gè)車站的地下結(jié)構(gòu)完全出±0.000,此時(shí)地鐵車站南北方向的剛度取100%。計(jì)算模型如圖9所示。計(jì)算結(jié)果如表1所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出,當(dāng)L≥30 m時(shí),在采取了加固措施后,地鐵車站內(nèi)力增加幅度可以控制在10%左右,L=30 m和L=122.5 m的計(jì)算結(jié)果相差不大,因此可取L=30 m作為地鐵的保護(hù)距離。

圖9 地鐵車站計(jì)算模型(優(yōu)化后方案)

保護(hù)距離L/m車站結(jié)構(gòu)出±000的距離B/m05051565530805459551225178車站最大附加內(nèi)力計(jì)算值車站內(nèi)力增加幅度/%附加彎矩：374kN·m312附加軸力：1336kN287附加剪力：219kN305附加彎矩：203kN·m169附加軸力：694kN149附加剪力：123kN171附加彎矩：126kN·m105附加軸力：442kN95附加剪力：80kN112附加彎矩：110kN·m92附加軸力：386kN83附加剪力：64kN89附加彎矩：97kN·m81附加軸力：363kN78附加剪力：60kN84

注：以上車站附加內(nèi)力是在采取加固措施以后的計(jì)算結(jié)果。

4.3 B30地塊基坑開挖引起地鐵車站的附加位移

支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案后的計(jì)算結(jié)果表明,B30地塊自身的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為10.4 mm(見圖5),B30地塊基坑開挖引起地鐵車站的最大附加沉降為6.78 mm(見圖10),最大附加水平位移為9.55 mm(見圖11)，少于15 mm,滿足地鐵保護(hù)要求。

5 結(jié)論和建議

(1)根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化及施工方案的調(diào)整,在保證軌道交通工期籌劃的的前提下,又使B30地塊的整體工期不受影響。

圖10 地鐵車站頂板沉降

圖11 地鐵車站連續(xù)墻側(cè)向變形

(2)原設(shè)計(jì)方案不能滿足地鐵保護(hù)要求。通過采取“B30分區(qū)1-1增加一道鋼支撐、地塊與地鐵之間的土體加固、地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻加厚為800 mm”的工程措施,增強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)本身的剛度,減小了B30地塊基坑開挖卸載引起玉山公園車站結(jié)構(gòu)附加沉降和水平位移,降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

(3)通過有限元計(jì)算分析,確定了相鄰基坑交叉跟進(jìn)施工的安全保護(hù)距離,增加了基坑施工的安全度。

(4)相鄰基坑同期交叉跟進(jìn)施工時(shí),由于距離非常近,必須編制好詳細(xì)的施工組織設(shè)計(jì),事先做好各個(gè)方面的協(xié)調(diào)工作,加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案,真正做到信息化施工。

[1] 殷德順,王保田,張文慧.不同方向卸載對(duì)基坑支護(hù)位移內(nèi)力的影響[J].巖土力學(xué),2008(6).

[2] 吉建華.深基坑支護(hù)技術(shù)應(yīng)用初探[J].山西建筑,2010(1):109-110

[3] 隋本山.建筑深基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)與施工工藝[J].黑龍江科技信息,2009(1)．

[4] 趙洪波,茹忠亮.基坑支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006(S1)．

[5] 鄭向紅.北京地鐵深基坑工程對(duì)周圍環(huán)境的影響分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(12)：16-21.

[6] 肖武權(quán),冷伍明.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法[J].巖土力學(xué),2007(6)．