填海區(qū)地鐵施工基坑外擋淤圍堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

林 巍,趙巧蘭,王靖華

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司城交院,北京 100055)

1 工程概況

根據(jù)深圳地鐵線網(wǎng)的規(guī)劃, 部分地鐵車站設(shè)在填海區(qū),填海區(qū)原為淺海區(qū)和臨海灘涂,地層中存在巨厚的淤泥層和豐富的地下水,施工風(fēng)險(xiǎn)巨大。深圳地鐵1號(hào)線續(xù)建土建5標(biāo)段鯉魚門站(圖1)和鯉魚門—新安區(qū)間南明挖段地處前海填海區(qū),瀕臨漁塘,前海填海工程未進(jìn)行到此區(qū)域。由于前海填海區(qū)填海施工采用超高填方拋石擠淤法進(jìn)行,填筑高度在12 m以上,填筑造成三面的淤泥都擠向此區(qū)域,造成長(zhǎng)約600 m、寬約300 m的地鐵施工區(qū)域內(nèi)淤泥層達(dá)到9～17.7 m厚；鯉魚門—新安路區(qū)間南明挖段淤泥層地表高程較高,達(dá)到6～14 m；鯉魚門站南端約80 m仍位于漁塘中,北端淤泥層地表高程較低，達(dá)到2～10 m。隨著填海工程拋石擠淤的不斷推進(jìn),漁塘正迅速被淤泥填滿,原瀕臨漁塘的淤泥區(qū)還在不斷隆起。施工區(qū)域內(nèi)淤泥表層20～50 cm為硬殼層,表層以下均為流塑狀淤泥。

圖1 深圳地鐵1號(hào)線鯉魚門站位置

2 擋淤圍堤施工設(shè)計(jì)

地鐵1號(hào)線續(xù)建工程鯉魚門站及鯉魚門—新安區(qū)間南明挖段所在區(qū)域,招標(biāo)時(shí)設(shè)計(jì)場(chǎng)坪高程按假定該區(qū)域的平均地面高程為4.5 m進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于填海工程未及時(shí)實(shí)施,該區(qū)域地鐵施工場(chǎng)地位于淤泥灘中間,地表高程最大約10 m,不具備施工條件。為了進(jìn)入此施工區(qū)域進(jìn)行場(chǎng)坪、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)施工,可行性的施工方案為：在未進(jìn)行該場(chǎng)地軟基處理的前提下,須先在該施工區(qū)域外圍設(shè)置擋淤圍堤,防止施工區(qū)域以外的淤泥涌入,才能挖除施工區(qū)域內(nèi)場(chǎng)坪高程以上的淤泥，并進(jìn)行場(chǎng)坪土層換填處理,才能進(jìn)行此區(qū)域內(nèi)的地鐵項(xiàng)目工程施工。擋淤圍堤縱斷面如圖2所示。

圖2 擋淤圍堤縱斷面

2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)要求

由于施工區(qū)域位于隆起淤泥灘,且淤泥深厚,鯉魚門—新安區(qū)間南明挖段淤泥表面高程6.0～14.0 m,緊挨鯉魚門站7號(hào)路正進(jìn)行高填方拋石擠淤施工,淤泥受道路填石的擠壓在此區(qū)域不斷隆起,擋淤圍堤要有足夠的寬度和厚度來(lái)抵御外側(cè)淤泥的擠壓力。而淤泥呈流塑狀,為了保證圍堤穩(wěn)定,現(xiàn)對(duì)場(chǎng)坪高程和素土換填層厚以及擋淤圍堤施工提出相應(yīng)的技術(shù)要求：

(1)圍堤的堤頂高程約為8.0 m(高于隆起淤泥面1.0～2.0 m)；

(2)圍堤頂面應(yīng)滿足重型載重車輛雙向車道行駛要求；

(3)圍堤堤身在使用過(guò)程中應(yīng)保持相對(duì)穩(wěn)定；

(4)圍堤離圍護(hù)結(jié)構(gòu)要有一定的距離,可以保證圍堤填石不侵入圍護(hù)結(jié)構(gòu)范圍。

2.2 堤身斷面設(shè)計(jì)(圖3)

(1)圍堤的頂寬為15 m,堤身寬度以拋填時(shí)自然穩(wěn)定狀態(tài)為準(zhǔn)。

(2)堤身采用開山石(含泥量小于10%)拋填,挖淤擠淤超載填石,將塊石堤身落在粉質(zhì)黏土持力層上。

(3)根據(jù)大量的工程實(shí)例,堤身斷面呈鼓形,這是由于拋石使淤泥向外擠壓,隨著淤泥深度的增加,淤泥的被動(dòng)擠壓力增大,在泥面一定深度以下,塊石堤身逐漸向內(nèi)收縮,其轉(zhuǎn)折點(diǎn)的深度由淤泥性質(zhì)和施工條件等因素確定,圍堤的填筑厚度依據(jù)淤泥深度和拋石擠淤的深度決定。

(4)圍堤拋填斷面按照自然穩(wěn)定確定,邊坡一般為1∶1.0～1∶1.25。

(5)堤身穩(wěn)定頂面高程為8.0 m,施工過(guò)程中要求超高拋填,超高2.0 m,即要求拋填到10.0 m以上高程,待場(chǎng)坪清挖淤泥到4.5 m高程以下才能卸載,或根據(jù)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)資料分析確認(rèn)堤身著底,沉降穩(wěn)定后卸載。

(6)堤身在填筑過(guò)程及使用期間將發(fā)生不同程度的沉降、滑動(dòng),必須不斷地、及時(shí)補(bǔ)填開山石或風(fēng)化礫石土,以保持堤身完整和道路暢通。

圖3 擋淤圍堤橫斷面(單位：mm)

2.3 填筑材料要求

堤身的主要填筑材料應(yīng)為外來(lái)開山混合料,開山混合料中含細(xì)粒土(粒徑≤2 cm)不大于10%,料重小于10 kg的塊石含量不超過(guò)20%,石料應(yīng)采用巖性均勻、遇水不軟化或崩解的硬質(zhì)巖石,塊石的容重≥26 kN/m3,浸水后抗壓強(qiáng)度不小于50 MPa,軟化系數(shù)大于0.8。

2.4 加強(qiáng)堤身著底措施

為了確保堤身著底,減小基坑開挖施工和交通使用時(shí)期沉降,增強(qiáng)堤身穩(wěn)定性,在完成拋石填筑和超高堆載并施工檢測(cè)出堤身未著底時(shí)可結(jié)合實(shí)際情況采用強(qiáng)夯措施。強(qiáng)夯參數(shù)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試夯以確定最佳強(qiáng)夯施工參數(shù)。本次設(shè)計(jì)中初步確定參數(shù)如下。

(1)夯點(diǎn)布置：間距3.5 m×3.5 m按矩形布置,15 m寬的圍堤斷面,布置4個(gè)夯點(diǎn),起夯面高程8.0 m。

(2)夯擊能量：4 000 kN·m。

(3)夯錘：直徑2.0 m,錘高1.0 m,錘重250 kN,應(yīng)使用鋼制錘。

(4)夯擊次數(shù)及陣數(shù)：每夯點(diǎn)夯擊次數(shù)12～15擊,分3陣夯擊,每一陣后在夯坑內(nèi)回填開山石(就地取材)。

(5)收錘標(biāo)準(zhǔn)：最后2擊總夯沉量不大于10 cm。

(6)滿夯：夯擊能2 000 kN·m,錘印搭接不小于40 cm,擊數(shù)2擊。

3 圍堤支護(hù)效果分析

3.1 模型的建立

本工程模擬過(guò)程考慮到圍堤的斷面形式采用平面應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算(縱向取單位長(zhǎng)度)；同時(shí)鑒于實(shí)際工程淤泥地面高程在縱向上有所變化,但變化幅度較緩,本例在對(duì)斷面提取過(guò)程中進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化。如圖4所示,模型總寬度取114.0 m,高度43.0 m,淤泥厚度13.0 m,黏性土30.0 m,基坑附近換填素土高度4.0 m；圍護(hù)樁取直徑1.0 m,樁底深入黏性土層深度6.0 m,圍護(hù)樁考慮擋淤作用,取頂面高出1.0 m；拋填石料高度15.0 m,其中“鼓頂”部分高出淤泥部分2.0 m。

圖4 擋淤處理計(jì)算模型

3.2 計(jì)算與分析

計(jì)算過(guò)程中考慮了基坑開挖時(shí)冠梁和內(nèi)撐的作用,根據(jù)理正深基坑計(jì)算所得內(nèi)力和開挖先后分別加載F1、F2、F3和F4于圍護(hù)樁上(圖5)。本次模擬計(jì)算主要通過(guò)“鼓頂”側(cè)向位移及圍護(hù)樁的應(yīng)力情況對(duì)比,分析拋填石料處理措施的作用效果。

(1)“鼓頂”位移情況

從模擬計(jì)算所得結(jié)果可以看出在有拋填石料處理的淤泥土中進(jìn)行基坑開挖,記錄的“鼓頂”位移約為41 mm(圖6),能夠滿足施工安全及其使用要求；若無(wú)擋淤處理 “鼓頂”處將發(fā)生大變形,位移不收斂。

圖6 擋淤后“鼓頂”時(shí)步-位移

(2)圍護(hù)樁的應(yīng)力狀況

從圖7可以看出基坑擋淤處理后,在基坑開挖工程中圍護(hù)樁受力均勻,且內(nèi)力較小,能較好節(jié)約鋼材。

圖7 擋淤前后圍護(hù)樁應(yīng)力圖

4 石料拋填施工

(1)采用堤頭“全斷面進(jìn)占”的拋填方法

若采用“箭矢”形端進(jìn)拋填進(jìn)占,易使圍堤的斷面形成上寬下窄的倒三角形∨或T形,最終將使整個(gè)斷面下的淤泥無(wú)法擠出,但因場(chǎng)地淤泥面隆起很高,表面已經(jīng)形成一定厚度的硬殼層,需要在拋填之前挖除淤泥表面的硬殼層,使堤身更好地下沉。圍堤在拋填過(guò)程中,堤身進(jìn)占一定距離后,將會(huì)在堤頭和堤身兩側(cè),形成隆起的“淤泥包”,當(dāng)淤泥包頂面接近填筑堤身以達(dá)到堤頂范圍內(nèi)的填石整體下沉。本工程由于淤泥隆起很高、淤泥厚度大,應(yīng)采用“全斷面進(jìn)占”法,要求15 m堤頂寬度同步拋石推進(jìn)。

拋填施工流程：確定圍堤走向和寬度→對(duì)圍堤全斷面拋填同步進(jìn)占,在圍堤前端形成“龍?zhí)ь^”→及時(shí)清除圍堤前端和兩側(cè)淤泥包,全程監(jiān)控堤身拋填走向、堤端和堤頂面各斷面高程和寬度→及時(shí)填補(bǔ)和處理沉陷、坍塌部位保證圍堤穩(wěn)定,滿足設(shè)計(jì)拋填高程和寬度要求→拋填完畢,組織圍堤填筑檢驗(yàn)。

(2)堤前端拋石用“龍?zhí)ь^”填筑方法

在圍堤拋填的全過(guò)程中,堤的前端拋石的高度,應(yīng)高出已填堤面2～3 m,高出初始的淤泥面4～5 m,形成堤頭隆起(即“龍?zhí)ь^”)?！褒?zhí)ь^”的高度應(yīng)根據(jù)拋填過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況決定,即當(dāng)淤泥含水量低,拋石含細(xì)顆粒多,“龍?zhí)ь^”高度取大值,反之取小值。

在開山石不斷地傾倒沖擊，在大型載重車、推土機(jī)不斷行走、振動(dòng)過(guò)程中,形成的動(dòng)、靜壓力愈大,淤泥整體的剪切破壞愈快(觸變效應(yīng)),影響深度亦愈大,淤泥向堤前端及兩側(cè)不斷剪切滑動(dòng)、隆起,則堤前端的開山石不斷地下沉,擠入淤泥層中,整個(gè)堤身便是這樣形成。

(3)圍堤應(yīng)保持不間斷地拋填施工

圍堤要保持在施工階段的堤身相對(duì)穩(wěn)定,必須使堤身要下沉到淤泥之中,應(yīng)保證一定的填石厚度。施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告提供的淤泥底板高程判斷堤身應(yīng)填筑的厚度,控制填筑厚度,為滿足這一設(shè)計(jì)要求,每一段圍堤施工時(shí),應(yīng)不停地拋填,直到完成。

(4)圍堤填筑過(guò)程“清淤”

施工時(shí),須用長(zhǎng)臂反鏟將“淤泥包”及時(shí)挖除,以減小堤身底部淤泥擠出的阻力,加大堤身沉降,以保證填石不斷的沉底過(guò)程。

(5)對(duì)堤身縱向的沉降縫、滑動(dòng)拉裂面、滑動(dòng)臺(tái)階的處理

圍堤在拋填過(guò)程中,由于填石擠淤,堤身沉陷、滑動(dòng),導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)上述臺(tái)階、裂縫,這是圍堤拋填過(guò)程經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象,須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,及時(shí)用補(bǔ)填方法加以處理。這種補(bǔ)填的狀況在同一段圍堤內(nèi)都可以出現(xiàn)數(shù)次,補(bǔ)填需及時(shí)跟進(jìn),并最終達(dá)到堤身相對(duì)穩(wěn)定。

(6)圍堤的觀測(cè)

圍堤由于堤身沉降(這種沉降是擠淤造成的),使堤頂高程下降,施工時(shí)應(yīng)定期用開山石補(bǔ)填堤面,以維持施工道路的暢通。根據(jù)類似工程拋石堤的拋填現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算,填筑的初期13 m寬的圍堤,堤身一側(cè)單位長(zhǎng)度平均擠淤量為150～200 m3,當(dāng)?shù)躺沓寥胗倌嗌疃? m時(shí),擋淤圍堤整體下降每小時(shí)平均可達(dá)36～60 cm,隨著堤身下降、填石厚度增加,圍堤下降速度逐漸減緩。

施工過(guò)程中，應(yīng)定期測(cè)量圍堤走向、斷面形狀,并定期(每隔1～2 d)觀測(cè)1次堤頂面高程,及時(shí)掌握堤身擠淤、沉降發(fā)展情況,保證圍堤施工順利進(jìn)行。施工過(guò)程加強(qiáng)對(duì)拋石圍堤與車站及區(qū)間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的檢測(cè),防止拋石進(jìn)入維護(hù)結(jié)構(gòu)的范圍,影響維護(hù)結(jié)構(gòu)的施工。

(7)堤內(nèi)開挖

擋淤圍堤施工完成后,進(jìn)行場(chǎng)坪高程4.5 m以上淤泥清除和素土層換填處理時(shí),為了保證圍堤穩(wěn)定性,應(yīng)先鋪墊素土層2.5 m厚再用挖掘機(jī)向下掏挖淤泥,即可進(jìn)行卸載堤身超高填筑層。場(chǎng)坪高程定為4.5 m,圍護(hù)樁施工增加空樁長(zhǎng)度,待圍護(hù)樁完成后再進(jìn)行圍護(hù)樁內(nèi)外側(cè)同時(shí)開挖,使場(chǎng)坪高程降至3.0 m。堤內(nèi)開挖時(shí)應(yīng)對(duì)堤身進(jìn)行位移和沉降觀測(cè)。

(8)堤身不著底處理

當(dāng)填筑達(dá)到填筑高程后,經(jīng)檢測(cè)后,對(duì)于圍堤堤身填石不著底的部分,圍堤采取超載預(yù)壓。超載高度2～4 m,圍堤各段超載的高度將依據(jù)雷達(dá)檢測(cè)報(bào)告決定。

5 擋淤圍堤的監(jiān)測(cè)與檢測(cè)

5.1 監(jiān)測(cè)要求

在圍堤軸線部位埋設(shè)觀測(cè)點(diǎn),觀測(cè)堤身的沉降和位移,本工程每100 m設(shè)置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)；在擋淤圍堤內(nèi)挖淤施工期每3 d觀測(cè)1次,臨近圍堤20 m以內(nèi)挖淤時(shí)加密觀測(cè),挖淤完工后每星期觀測(cè)1次,直到地鐵開挖支護(hù)完成。

觀測(cè)點(diǎn)采用混凝土澆筑基礎(chǔ),內(nèi)埋設(shè)1根φ20 mm鋼筋,深1.5 m,表面應(yīng)高出堤面約10 cm,刻上“十”字標(biāo)志。觀測(cè)點(diǎn)在觀測(cè)期中均需采取有效措施加以保護(hù),避免遭遇施工車輛、機(jī)械等碰撞和人為破壞,觀測(cè)點(diǎn)一旦受損,應(yīng)立即復(fù)位并復(fù)測(cè)。

在圍堤填筑完成以后,圍堤位移控制值為10.0 cm,如果位移速度超過(guò)5 mm/d或累計(jì)位移超過(guò)8.0 cm則立即通知設(shè)計(jì)單位及相關(guān)單位。

5.2 檢測(cè)要求

(1)圍堤填筑頂面高程和寬度檢測(cè)

高程允許偏差±0.2 m,寬度允許偏差±0.5 m。

(2)圍堤填筑斷面及著底情況檢測(cè)

①物探法：采用物探法進(jìn)行堤身橫斷面掃描,沿圍堤每50 m檢測(cè)1個(gè)斷面,測(cè)厚精度偏差±0.5 m；并進(jìn)行堤身縱斷面掃描,沿堤線每隔15 m 1個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)厚精度偏差±0.5 m。

②鉆孔檢測(cè)：鉆孔檢測(cè)沿圍堤每100 m布置鉆探點(diǎn)1個(gè),在用其他方法檢測(cè)有疑問(wèn)的堤段可補(bǔ)充鉆孔予以驗(yàn)證。應(yīng)盡量使鉆探點(diǎn)位與部分雷達(dá)檢測(cè)斷面位置重合,以便進(jìn)行相互驗(yàn)證。

6 結(jié)論

在填海區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜,施工風(fēng)險(xiǎn)性高,在淤泥地層進(jìn)行地鐵車站深基坑施工時(shí)必須掌握淤泥質(zhì)地層的特點(diǎn),采取有效的淤泥處理措施和施工方法。本工程在處理淤泥時(shí)采用了基坑外拋填石料擋淤措施,利用石料的重力和摩擦有效阻止淤泥向基坑側(cè)流入,計(jì)算分析和施工實(shí)際情況較為吻合，取得較好的效果,進(jìn)而保證了施工安全順利進(jìn)行；同時(shí)拋填石料為就地取材,相比連續(xù)墻等工法其施工速度快、成本低具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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