粉砂質(zhì)地層中的深淺基坑同步施工技術(shù)

中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司 北京 101100

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

新建鄭州至新鄭機(jī)場(chǎng)城際鐵路地下段站前工程ZJZQ-Ⅳ標(biāo)位于具有典型黃河沖洪積平原含粉砂質(zhì)地層特征的河南省鄭州市航空港區(qū)，設(shè)計(jì)總長為5 216.10 m。屬于明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)，基坑深度13.50～29.90 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 200 mm@1 400 mm的鉆孔灌注樁加φ600 mm@1 400 mm的旋噴止水樁，主體結(jié)構(gòu)為地下1層，分為四線三跨，采用單洞四線、單洞雙線的結(jié)構(gòu)形式。

工程起始段與新鄭機(jī)場(chǎng)二期擴(kuò)建工程的T2航站樓、捷運(yùn)系統(tǒng)工程及行李隧道工程處于同一基坑內(nèi)且采取同步交叉施工，交叉部分基坑總長920 m，寬120 m，A段與B段上部為機(jī)場(chǎng)T2航站樓。C段、D段與行李隧道緊鄰，凈距為0.80～1.50 m，行李隧道與捷運(yùn)系統(tǒng)工程相鄰，凈距為8.10～8.30 m（圖1）。

圖1 工程總平面示意

新鄭機(jī)場(chǎng)二期擴(kuò)建工程行李隧道工程長701 m，基坑深11.30 m，暗埋段長560 m，敞開段長141 m，行李隧道結(jié)構(gòu)伸入T2航站樓內(nèi)38.40 m。

新鄭機(jī)場(chǎng)二期擴(kuò)建工程捷運(yùn)系統(tǒng)工程包括1座車站及1段區(qū)間，基坑深8.60～12.20 m，車站長131.60 m，結(jié)構(gòu)寬37.80 m，區(qū)間長517.40 m，結(jié)構(gòu)外包寬22.30 m。

1.2 工程地質(zhì)水文概況

本工程為第四系全新統(tǒng)（Q4）、第四系上更新統(tǒng)沖積層（Q3）、第四系中更新統(tǒng)沖洪積層（Q2）地層，主要為粉土地層、粉砂地層、細(xì)砂地層；本場(chǎng)地地下水類型屬于第四系松散巖類孔隙水，主要含水層在粉砂、細(xì)砂和粉土層中，具體地下水位埋深為3～6 m。

2 超大型基坑支護(hù)方案

1）整個(gè)大基坑邊坡采用二級(jí)放坡形式，護(hù)坡采用二級(jí)放坡加土釘墻，護(hù)坡面層擴(kuò)展至坡頂和坡腳一定距離，坡頂與施工道路相連，坡腳與基坑內(nèi)道路相連。坡面采用厚80 mm的C20早強(qiáng)噴射混凝土，內(nèi)配φ6 mm@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)[1-2]。

2）城鐵隧道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁加鋼支撐（混凝土支撐）的形式，排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm的鉆孔灌注樁，間距1 400 mm，樁外側(cè)采用φ800 mm@600 mm三重管高壓旋噴加固。樁間網(wǎng)噴混凝土采用厚100 mm的C20早強(qiáng)噴射混凝土，內(nèi)配φ8 mm@150 mm×150 mm鋼筋焊接網(wǎng)。

3）捷運(yùn)通道和行李隧道均采用明挖順作法施工，排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ800 mm的鉆孔灌注樁，間距1 000 mm，基坑標(biāo)準(zhǔn)段樁長16.70 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為水下C35。捷運(yùn)車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)2道鋼支撐，車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂圈梁設(shè)計(jì)為800 mm×1 200 mm。車站所處地層地下水位較高，樁間采用φ600 mm@1 000 mm三重管旋噴樁止水，樁間網(wǎng)噴混凝土采用厚100 mm的C20早強(qiáng)噴射混凝土，內(nèi)配φ6 mm@150 mm×150 mm鋼筋焊接網(wǎng)。

3 基坑降水布置

3.1 降水布置原則

采取大基坑降水與城鐵基坑內(nèi)降水相結(jié)合的方式，根據(jù)不同深度深基坑降水要求，確定了分區(qū)、分時(shí)的多級(jí)降水布置方案，在按需降水的原則下，確保土方工程順利施工，有效控制降水引起的變形。

3.2 降水方案確定

1）大基坑降水?；咏邓怨芫c(diǎn)降水為主、排水溝明排為輔。在整個(gè)大基坑兩側(cè)坡腳部位各設(shè)置1排，單排井間距25 m，深度為28～31 m。

2）城鐵隧道基坑降水?；咏邓怨芫邓疄橹?、排水溝明排為輔，井間距約12 m，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的斷面寬度，在開挖斷面上分別施作1孔、2孔、3孔降水井，在開挖基坑的兩側(cè)設(shè)排水明溝，每隔20 m左右設(shè)1口集水井，再用水泵抽入地表污水處理設(shè)施。

4 施工總體部署與流程

4.1 施工部署

針對(duì)坑中坑、坑連坑工程特有的難點(diǎn)與特點(diǎn)，結(jié)合周邊復(fù)雜的限制條件及緊迫的工期，確定了以下總體施工部署[3-4]。

1）將整個(gè)大基坑分區(qū)、分段實(shí)施：城際隧道分成A、B、C、D4個(gè)區(qū)段進(jìn)行施工，捷運(yùn)車站及通道分成車站與兩部分通道共3個(gè)區(qū)段進(jìn)行施工，行李隧道同樣分成3個(gè)區(qū)段進(jìn)行施工。

2）鉆孔灌注樁及基坑加固施工部署：城際隧道圍護(hù)樁和捷運(yùn)車站圍護(hù)樁同步施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完畢后開始基坑加固及基底加固施工。

3）降水部署：在第1層土方開挖及放坡支護(hù)完成后開始大基坑兩側(cè)降水井施工，然后根據(jù)開挖進(jìn)度施作城鐵隧道降水井。

4）土方開挖部署：土方開挖分區(qū)分段，有利于迅速建立支撐，減小基坑變形。第1階段土方開挖是本工程土方開挖的重點(diǎn)，可以施作護(hù)坡、排水溝及降水井；緊接第2階段開挖城鐵隧道土方，迅速建立第1道支撐，土方開挖遵循先撐后挖、分段實(shí)施的原則，并與結(jié)構(gòu)施工合理穿插，以有效控制基坑變形，同時(shí)捷運(yùn)車站土方開挖也開始進(jìn)行。

4.2 施工總流程

1）在平面上，城際隧道A、B、C、D4個(gè)區(qū)段同時(shí)施工，捷運(yùn)車站及通道3個(gè)區(qū)段同時(shí)施工，行李隧道3個(gè)區(qū)段也同時(shí)施工。

2）在垂直方向上，總體施工流程為先深后淺，T2航站樓地下室在A區(qū)結(jié)構(gòu)施工完畢后開始施工，捷運(yùn)車站及通道與城鐵隧道結(jié)構(gòu)單元可以同步施工，因城鐵隧道最深，必須在城鐵隧道結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元施工完畢后再施工相應(yīng)平行位置的行李隧道各單元。

5 基坑施工變形與受力分析

5.1 數(shù)值模擬驗(yàn)算

驗(yàn)算選用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，采用GTS三維數(shù)值模擬計(jì)算軟件分析。在考慮既有施工方案的基礎(chǔ)之上，模擬既有城際鐵路施工完成的情況下行李隧道明挖基坑施工和捷運(yùn)系統(tǒng)基坑施工同步完成的工況，驗(yàn)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、基坑坑底隆起和地表沉降數(shù)值是否在安全范圍內(nèi)。

5.2 計(jì)算結(jié)果分析

5.2.1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

如圖2和圖3所示，城鐵基坑完成時(shí)和3個(gè)基坑都施工完成時(shí)引起的最大內(nèi)側(cè)水平位移分別為9.39 mm和10.44 mm，底面的水平位移分別為0.89 mm和1.29 mm。由城鐵基坑施工引起的水平位移變化為9.39 mm，由行李隧道基坑和捷運(yùn)系統(tǒng)基坑施工共同引起的水平位移變化為1.05 mm。

圖2 外側(cè)城鐵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖3 內(nèi)側(cè)城鐵基坑圍護(hù) 結(jié)構(gòu)水平位移

分析圖4發(fā)現(xiàn)，捷運(yùn)車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移沿深度逐漸增大，左側(cè)在坑底處最大達(dá)到了37 mm；右側(cè)也是沿著深度逐漸增大，最大達(dá)到了58 mm。分析圖5發(fā)現(xiàn)，捷運(yùn)區(qū)間基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移沿深度逐漸增大，左側(cè)在坑底處最大達(dá)到了83 mm，右側(cè)也是沿著深度逐漸增大，最大達(dá)到了26 mm。另外比較捷運(yùn)車站基坑和區(qū)間基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移大小發(fā)現(xiàn)，車站位置明顯大于區(qū)間位置，二者在左側(cè)最大值相差達(dá)到了46 mm，在右側(cè)達(dá)到了32 mm。

5.2.2 基坑坑底隆起

分析圖6發(fā)現(xiàn)，當(dāng)城鐵基坑開挖完成時(shí)，由于沒有受到其他基坑的影響，在整個(gè)縱向長度方向上坑底隆起基本維持在16.44 mm；當(dāng)另外2個(gè)基坑施工完成后，城鐵基坑坑底隆起整體變大，在起始位置（即遠(yuǎn)離行李隧道基坑一側(cè)）變化較終點(diǎn)小，變化基本維持在17～22 mm，平均值為20.16 mm。

分析圖7發(fā)現(xiàn)，捷運(yùn)系統(tǒng)基坑在車站部位和區(qū)間部位的坑底隆起有明顯的區(qū)別，車站部位較區(qū)間部位大，車站部位最大達(dá)到15.60 mm，而區(qū)間部位最大為9.40 mm。

圖4 捷運(yùn)車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖5 捷運(yùn)區(qū)間基坑圍護(hù) 結(jié)構(gòu)水平位移

圖6 城鐵基坑坑底隆起變化示意

圖7 捷運(yùn)基坑坑底隆起變化示意

分析圖8發(fā)現(xiàn)，行李隧道基坑坑底隆起在端部較小，而在與放坡段連接的基坑坑底隆起較大，最大達(dá)到了11.35 mm。

圖8 行李隧道基坑坑底隆起變化示意

5.2.3 基坑外地表沉降

分析圖9發(fā)現(xiàn)，地表豎向位移基本呈現(xiàn)出離基坑越遠(yuǎn)豎向位移越小的趨勢(shì)。在城鐵基坑開挖后繼續(xù)開挖行李隧道基坑和捷運(yùn)基坑會(huì)增大地表的位移，但增大幅度較小，基本維持在1 mm，而在距離基坑44 m處，2條曲線有交叉現(xiàn)象，但由于二者變化規(guī)律一致且相差較小，所以產(chǎn)生交叉現(xiàn)象屬于正常情況。分析圖10發(fā)現(xiàn)，當(dāng)群坑基礎(chǔ)施工完成時(shí)，捷運(yùn)基坑一側(cè)的地表豎向變形規(guī)律與城鐵一側(cè)地表豎向位移變化規(guī)律基本一致，最大豎向位移為8.50 mm。

5.3 變形分析

通過數(shù)值模擬的方法研究了由多個(gè)近距離基坑施工引起的“群坑效應(yīng)”，分析由各基坑開挖后引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形、坑底隆起、兩側(cè)地表豎向變形，可以得出如下結(jié)論[5-6]。

圖9 城鐵基坑一側(cè)地表沉降

圖10 捷運(yùn)基坑一側(cè)地表沉降

1）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移受到土壓力大小的影響，而土壓力大小又受到土體條件和鄰近基坑圍護(hù)約束的影響，如捷運(yùn)車站和捷運(yùn)區(qū)間基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移就發(fā)生了明顯相反的變化；

2）由基坑開挖卸載引起的坑底隆起主要受卸載量的影響，而當(dāng)群坑近距離施工時(shí)影響較為明顯，如由于后續(xù)捷運(yùn)系統(tǒng)基坑和行李隧道基坑開挖引起的城鐵基坑坑底隆起達(dá)到了3.72 mm；

3）群坑作用下地表的土體豎向變形有疊加效應(yīng)，但影響非常小。遠(yuǎn)離基坑的地表豎向變形只受鄰近基坑開挖的影響。

6 結(jié)語

本工程基坑監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)實(shí)測(cè)值均在預(yù)警范圍內(nèi)，表明深淺基坑同步施工技術(shù)在該施工區(qū)域得到了成功應(yīng)用。本文通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，論證了深淺基坑同時(shí)作業(yè)時(shí)，通過采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔離技術(shù)、合理組織施工順序等措施，不僅可以有效地控制既有建筑的沉降變形量，確保城鐵隧道基坑自身及周邊環(huán)境安全，而且能夠很好地提高結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。