徐州軌道交通控制中心綜合開發(fā)地塊基坑設(shè)計與研究

程春馳，詹佳碩

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082)

1 概 況

徐州市城市軌道交通線網(wǎng)控制中心綜合開發(fā)地塊建設(shè)場址位于徐州市新城區(qū)，和平大道以北、漢源大道以西地塊內(nèi)，綜合開發(fā)地塊用地面積約為3.49公頃。場地現(xiàn)狀為控制中心臨建設(shè)施、一號路站臨建設(shè)施及其鋼筋加工區(qū)；一般地表絕對標(biāo)高約為33.000～34.000 m。

2 不良地質(zhì)及特殊巖土評價

場地范圍內(nèi)的特殊巖土包括表層填土、淺部的膨脹土和局部分布的強風(fēng)化巖，不良地質(zhì)主要為下伏可溶巖的巖溶發(fā)育等[1]。場地內(nèi)未見滑坡、崩塌、區(qū)域地面沉降、采空區(qū)等不良地質(zhì)作用。

1)填土

場地內(nèi)分布的雜填土由黏性土、碎石為主組成，均勻性差、結(jié)構(gòu)松散、壓縮性高、易變形?；娱_挖施工前需清除雜填土，雜填土較厚地段建議采用放坡開挖+掛網(wǎng)噴漿處理。

2)膨脹土

場地內(nèi)廣泛分布有第四系晚更新統(tǒng)黏土，據(jù)室內(nèi)試驗，部分鉆孔的土樣自由膨脹率44%～64%，平均55.4%，具弱膨脹潛勢。老黏土遇水易產(chǎn)生膨脹，對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定膨脹壓力。同時遇水易崩解，其強度將迅速降低，可能導(dǎo)致基坑邊坡的坍塌或增加對支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力，設(shè)計施工時宜采取放緩坡率，加強支護(hù)或防水保濕等針對性措施[2]。

3)巖溶

場區(qū)主要不良地質(zhì)為巖溶，下伏基巖石炭系灰?guī)r為可溶巖，巖溶屬弱—中等發(fā)育。根據(jù)鉆探揭露巖溶未出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，溶洞均被黏土混碎石充填，場地內(nèi)巖溶發(fā)育形式以溶蝕裂隙為主，多沿層面發(fā)育，為沿裂隙、層面溶蝕擴(kuò)大化的巖溶裂隙和小型溶洞，溶蝕在豎向較強烈，在水平方向不甚發(fā)育，以豎向順層溶溝、溶槽為主。在采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧┖螅搱龅貛r溶不會對場地的穩(wěn)定性構(gòu)成影響[3]。

3 綜合開發(fā)地塊臨近地鐵圍護(hù)結(jié)構(gòu)

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系

綜合開發(fā)地塊基坑南段緊鄰地鐵一號線學(xué)一區(qū)間和一號路站，學(xué)一區(qū)間盾構(gòu)隧道預(yù)計17年4月結(jié)構(gòu)完成，基坑范圍內(nèi)一號路站主體結(jié)構(gòu)預(yù)計17年6月底封頂。從現(xiàn)有工程安排上，在學(xué)一區(qū)間和一號路站主體結(jié)構(gòu)施工完成后，再進(jìn)行綜合開發(fā)地塊基坑開挖，并在學(xué)一區(qū)間和一號路站運營前基坑回填完畢。學(xué)一區(qū)間采用管片拼裝支護(hù)，一號路站采用樁撐支護(hù)。

綜合開發(fā)地塊南段東部與地鐵一號路站緊鄰段。一號路站圍護(hù)樁為φ1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁，樁長19.35 m。一號路站主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土等級C35，底板厚900～1 000 mm，中板厚400 mm，頂板厚700 mm，側(cè)墻厚900 mm，結(jié)構(gòu)柱尺寸為700 mm×1 100 mm。此段綜合開發(fā)地塊地下結(jié)構(gòu)距一號路站護(hù)坡樁外皮2.0～5.8 m，基坑側(cè)壁安全等級為一級，利用一號路站已施工的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其主體結(jié)構(gòu)作為該段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑深度9.25 m，隨著土方分步開挖，及時施做樁間護(hù)壁。臨近2#住宅樓位置，有一號路站尚未施工的消防水池，經(jīng)與業(yè)主及相關(guān)單位協(xié)商，土方分步開挖至綜合開發(fā)地塊基底設(shè)計標(biāo)高，及時施做樁間護(hù)壁，消防水池結(jié)構(gòu)與開發(fā)地塊二期主體結(jié)構(gòu)共同施工。

綜合開發(fā)地塊南段西部及西段南部臨近學(xué)一區(qū)間盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)隧道采用6塊管片拼裝支護(hù)，管片外徑6 200 mm，內(nèi)徑5 500 mm，管片厚度350 mm，管片寬度1 200 mm。此段綜合開發(fā)地塊地下結(jié)構(gòu)外邊線距盾構(gòu)隧道外邊緣水平距離約5.2 m，基坑安全等級為一級，基坑深度9.35m，采用樁+內(nèi)支撐+止水帷幕支護(hù)體系，圍護(hù)樁為φ1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁，樁頂絕對標(biāo)高為31.000 m，樁底絕對標(biāo)高為16.000 m，樁長15.0 m，樁頂采用1 000 mm×1 000 mm冠梁，樁頂距地面2.0 m采用混凝土擋墻進(jìn)行支護(hù)，設(shè)置一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，支撐斷面尺寸為寬800 mm×高1 000 mm，立柱為φ1 000 mm，樁長10.0 m，連系梁斷面尺寸為600 mm×600 mm。在圍護(hù)樁外側(cè)設(shè)置止水帷幕φ850@600(三軸攪拌樁)。在基坑南段西部范圍內(nèi)采用注漿加固處理，設(shè)置6道注漿管φ89，管長4.0 m，角度10度，水平距2.4 m，豎向距1.0 m。

3.2 結(jié)構(gòu)材料

本圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冠梁、圍護(hù)樁、混凝土支撐、混凝土立柱、混凝土撐板、樁頂擋土墻及其余混凝土構(gòu)件所采用混凝土強度等級均為C30；圍護(hù)樁水下灌注時混凝土強度等級為C35?；炷翂|層材料為C20素混凝土，坡面噴射混凝土材料為C20混凝土。

3.3 計算模型與主要計算結(jié)果

南段臨近一號路站支護(hù)段，計算方法采用荷載—結(jié)構(gòu)模型，按平面桿系有限元法進(jìn)行計算?；娱_挖階段，把基坑支護(hù)視為側(cè)向地基上的梁，采用m法計算。

樁+內(nèi)支撐支護(hù)段結(jié)構(gòu)計算方法，結(jié)合施工步序，計算模擬了分步開挖過程。計算程序采用理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件7.0版。

擬建場地地層起伏不大，地層按照鉆孔所示地層取加權(quán)值。施工階段局部地層變化較大處，再增加計算剖面?？舆叧d均取20 kPa。

3.3.1 南段臨近一號路站支護(hù)段計算

1)計算模型簡圖1

圖1 有限元計算模型

本模型采用荷載—結(jié)構(gòu)法計算，將板、墻、柱簡化成一維梁單元，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸采用實際截面尺寸。模型幾何尺寸為寬26.7 m×高15.9 m，兩個結(jié)構(gòu)柱距各邊側(cè)墻均9.45 m，基坑深度9.25 m，一號路站主體結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土等級C35，底板厚900 mm，中板厚400 mm，頂板厚700 mm，側(cè)墻厚900 mm，結(jié)構(gòu)柱尺寸為700 mm×1 100 mm。

由于側(cè)墻外有一排圍護(hù)樁(φ1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁，C30)，依據(jù)《基坑工程手冊》，目前設(shè)計計算時，一般將樁墻按抗彎剛度相等的原則等價為一定厚度的壁式地下連續(xù)墻進(jìn)行內(nèi)力分析，僅考慮樁體豎向受力與變形，此法稱為等剛度法。

圍護(hù)樁轉(zhuǎn)成連續(xù)墻，根據(jù)等剛度轉(zhuǎn)換，設(shè)鉆孔樁徑為D，樁凈距為t，如圖所示，則單根樁應(yīng)等價為長D+t的壁式地下墻，若等價后的地下墻厚為h，則由等剛度轉(zhuǎn)換的原則可得：

若采用一字相切排列，t<

所以模型側(cè)墻厚度約為一號路站主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻厚度+一號路站基坑圍護(hù)樁等效后的墻厚。

施加荷載邊界條件，先施加結(jié)構(gòu)自重荷載，上部施加20 kPa荷載，左側(cè)施加土壓力、水壓力，對地下水位以下黏性土采用水土合算方法，右側(cè)僅在底部設(shè)置土彈簧(彈簧剛度系數(shù)根據(jù)所在土層基床系數(shù)計算得到)，上部基坑開挖部分9.25 m不施加任何荷載、約束，底部設(shè)置土彈簧(彈簧剛度系數(shù)根據(jù)所在土層基床系數(shù)計算得到)。

2)計算結(jié)果

沿X方向最大位移為4.15 mm，滿足一號路站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計單位鐵四院提供的車站結(jié)構(gòu)水平位移要求3～5 mm。沿Y方向最大位移為3.24 mm，也滿足一號路站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計單位鐵四院提供的車站結(jié)構(gòu)沉降位移要求3～10 mm。

3)結(jié)果分析

在二維有限元模型計算中，因未考慮一號路站圍護(hù)樁的嵌固段的存在，也未考慮到結(jié)構(gòu)底部與土體之間的摩擦力，同時，也未考慮基坑開挖內(nèi)側(cè)剩余土體對主體結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用，而這三部分均有利于減小一號路站主體結(jié)構(gòu)的變形，所以，在滿足變形要求的基礎(chǔ)上，本模型計算的變形結(jié)果偏大，基坑開挖對一號路站主體結(jié)構(gòu)的影響不大。

3.3.2 南段西部臨學(xué)一區(qū)間樁+撐支護(hù)段

從支護(hù)底部開始，逐層驗算抗隆起穩(wěn)定性，結(jié)果如下：

支護(hù)底部，驗算抗隆起：

Ks=4.894≥1.800，抗隆起穩(wěn)定性滿足。

深度122.100處，驗算抗隆起：

Ks=8.229≥1.800，抗隆起穩(wěn)定性滿足。

從上述計算結(jié)果總結(jié)得出，地表沉降最大位移9 mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移4.44 mm，滿足由學(xué)一區(qū)間設(shè)計單位鐵三院提供的區(qū)間變形控制值。

4 基坑開挖對臨近地鐵結(jié)構(gòu)的保護(hù)措施

4.1 基坑開挖對一號路站的保護(hù)措施

綜合開發(fā)地塊基坑南側(cè)緊鄰一號路站車站，該區(qū)段長約175.0 m，基坑深度9.25 m，基坑側(cè)壁安全等級為一級。利用一號路站已施工的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其主體結(jié)構(gòu)作為該段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著土方分段分步開挖，及時施做樁間護(hù)壁。在理論上，基坑開挖引起一號路站車站結(jié)構(gòu)的變形量很小[4]，滿足一號路站設(shè)計單位鐵四院提供的車站變形控制值要求；在基坑實際開挖過程中，還應(yīng)采取以下保護(hù)措施[5]：

1)該段基坑及主體結(jié)構(gòu)采用分段法施工，分4～5段，更有效地控制一號路站結(jié)構(gòu)變形；

2)加強對一號路站主體結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各項監(jiān)測指標(biāo)的監(jiān)測頻率，及時反饋信息；

3)施工單位須制定相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，針對反饋的信息，做出及時有效的應(yīng)急保護(hù)措施。

4.2 基坑開挖對學(xué)一區(qū)間盾構(gòu)隧道的保護(hù)措施

綜合開發(fā)地塊基坑南段西部及西段南部臨近學(xué)一區(qū)間盾構(gòu)隧道，此段形狀為“L”形，長約64.0 m，南段西部綜合開發(fā)地塊地下結(jié)構(gòu)外邊線距盾構(gòu)隧道外邊緣水平距離5.278 m，基坑安全等級為一級，基坑深度9.35 m，采用樁+角撐+止水帷幕支護(hù)體系，南段西部圍護(hù)樁外側(cè)外皮距盾構(gòu)隧道外邊緣4.078 m，在南段西部范圍內(nèi)采用注漿加固處理。在理論上，基坑開挖引起盾構(gòu)隧道的變形量很小，滿足由學(xué)一區(qū)間設(shè)計單位鐵三院提供的區(qū)間變形控制值要求。

在基坑設(shè)計中，為控制盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的變形，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強處理：

1)加強了圍護(hù)樁設(shè)計，方案同地鐵圍護(hù)樁，設(shè)置內(nèi)支撐；

2)對南段西部樁后土體進(jìn)行注漿加固；

3)在南段西部，綜合開發(fā)地塊主體結(jié)構(gòu)采用內(nèi)貼法施工，使圍護(hù)樁盡可能遠(yuǎn)離盾構(gòu)隧道。

在基坑實際開挖過程中，還應(yīng)采取以下保護(hù)措施[6]：

1)針對南段西部圍護(hù)樁，須采用人工挖孔樁施工工藝，隔樁開挖；

2)加強對盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各項監(jiān)測指標(biāo)的監(jiān)測頻率，及時反饋信息；

3)施工單位須制定相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，針對反饋的信息，做出及時有效的應(yīng)急保護(hù)措施。

5 結(jié) 語

本工程采用信息化施工原則，整個基坑施工期間至地下主體結(jié)構(gòu)完工基坑回填期間均需對圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑周邊環(huán)境進(jìn)行施工監(jiān)測，在施工組織過程中，施工單位應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場情況，及時復(fù)核工程實際情況是否同基坑設(shè)計工況一致，不一致處應(yīng)及時通知設(shè)計單位復(fù)核調(diào)整。