臨近土山大型深基坑安全技術(shù)方案研究

李進(jìn)

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部，北京 100040）

1 工程概述

北京朝陽站站房工程總建筑面積18.3 萬m2，其中中央站房11.5 萬m2、西站房6.8 萬m2；站臺(tái)總面積4.6 萬m2；站臺(tái)雨棚6.2 萬m2。站房檐口高度37.2 m，屋面最高處46.3 m，雨棚屋面標(biāo)高9.7 m。

站房地上2層，地下1層，局部設(shè)有夾層，站場(chǎng)設(shè)7臺(tái)15線，西側(cè)為普速車場(chǎng)、東側(cè)為高速車場(chǎng)，高、普速車場(chǎng)通過南北兩側(cè)咽喉區(qū)連通，普速車場(chǎng)為3臺(tái)5線，高速車場(chǎng)為5臺(tái)10線，其中第3站臺(tái)為普速、高速車場(chǎng)共用。

根據(jù)北京朝陽站站房工程初步設(shè)計(jì)批復(fù)和施工圖設(shè)計(jì)文件，原定總體施工部署為站房工程與西側(cè)公聯(lián)綜合交通樞紐（簡(jiǎn)稱公聯(lián)）、地鐵同步施工。站房施工單位進(jìn)場(chǎng)后，受公聯(lián)及地鐵建設(shè)單位征地拆遷進(jìn)度滯后、開工手續(xù)尚未辦理等因素影響，導(dǎo)致站房工程施工無法與公聯(lián)、地鐵同步開展。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，站房西側(cè)及公聯(lián)、地鐵建設(shè)范圍內(nèi)存在連體土山1 座（見圖1），土山總方量112.75 萬m3（其中站房紅線范圍內(nèi)28.55萬m3），土山最高點(diǎn)與地面高差為17.6 m，站房深基坑與地面高差最大18.0 m，站房基坑與西側(cè)土山高差35.6 m（見圖2），后續(xù)基坑施工將形成重大安全隱患。

圖1 站房與土山位置關(guān)系

圖2 土山與基坑高差剖面示意圖

2 方案比選

方案1：結(jié)合綜合樞紐工程一體化施工，聯(lián)合公聯(lián)及地鐵建設(shè)單位，提前對(duì)土山進(jìn)行整體清運(yùn)。

優(yōu)點(diǎn)：（1）有利于后期公聯(lián)及地鐵開展施工；（2）可有效降低深基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)；（3）現(xiàn)有基坑支護(hù)設(shè)計(jì)滿足要求，無需深化設(shè)計(jì)；（4）土山清運(yùn)后公聯(lián)及地鐵后續(xù)進(jìn)場(chǎng)施工可臨時(shí)滿足站房施工場(chǎng)地及交通通行需求。

缺點(diǎn)：（1）站房、公聯(lián)及地鐵建設(shè)單位分屬三方責(zé)任主體，整體清運(yùn)意見目前暫不統(tǒng)一，協(xié)調(diào)難度大；（2）土山上既有樹木權(quán)屬責(zé)任主體不明，伐移手續(xù)辦理難度大；（3）清運(yùn)鐵路紅線外土山及后續(xù)場(chǎng)地占用需要辦理臨時(shí)用地許可證，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。

方案2：土山清運(yùn)至基坑邊線，靠基坑側(cè)土山放坡噴錨支護(hù)［1］（見圖3）。

圖3 開挖至基坑邊線剖面示意圖

優(yōu)點(diǎn)：土方清運(yùn)量及樹木伐移量較小。

缺點(diǎn)：（1）站房基坑圍護(hù)體系基坑邊堆載過大，與原設(shè)計(jì)卸載方案不符，安全風(fēng)險(xiǎn)增大［2］，需重新深化設(shè)計(jì)并組織專家進(jìn)行論證；（2）增加土山噴錨支護(hù)工程量，后期結(jié)算難度大；（3）基坑西側(cè)施工道路無法貫通，站房西側(cè)平行運(yùn)輸效率降低。

方案3：既有土山倒運(yùn)至公聯(lián)、地鐵建設(shè)用地等站房基坑施工影響范圍外（見圖4）。

圖4 土山內(nèi)倒外運(yùn)示意圖

優(yōu)點(diǎn)：站房范圍內(nèi)土方清運(yùn)和公聯(lián)、地鐵建設(shè)范圍內(nèi)土方倒運(yùn)可24 h 不間斷同步實(shí)施，可有效提高土山清運(yùn)效率。

缺點(diǎn)：（1）土山上既有樹木需全部移除，伐移手續(xù)辦理難度大；（2）土方倒運(yùn)過程中安全文明施工壓力大；（3）站房、公聯(lián)及地鐵建設(shè)單位分屬三方責(zé)任主體，整體清運(yùn)意見目前暫不統(tǒng)一，協(xié)調(diào)難度大。

方案4：西站房受土山影響區(qū)域結(jié)構(gòu)推后施工。

從土山最高點(diǎn)按照1∶1放坡至西站房基坑坑底。受影響區(qū)域結(jié)構(gòu)推后施工，后期與公聯(lián)、地鐵基坑同步開挖（見圖5）。

優(yōu)點(diǎn)：（1）基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)降低；（2）后續(xù)土方由公聯(lián)、地鐵建設(shè)負(fù)責(zé)清運(yùn)，可有效降低成本。

缺點(diǎn)：（1）公聯(lián)、地鐵施工單位進(jìn)場(chǎng)時(shí)間無法確定，站房施工工期無法保證；（2）因結(jié)構(gòu)甩槎，對(duì)站房整體施工組織產(chǎn)生較大影響，無法在合同工期內(nèi)完成既定施工任務(wù)。

方案5：土方清運(yùn)至鐵路紅線西側(cè)25 m外（見圖6）。

優(yōu)點(diǎn)：（1）站房基坑堆載滿足設(shè)計(jì)要求，無需重新調(diào)整設(shè)計(jì)方案；（2）安全風(fēng)險(xiǎn)可控；（3）站房周邊可形成環(huán)形道路，平行運(yùn)輸效率提高（見圖7）。

缺點(diǎn)：（1）增加土山支護(hù)及土山坡腳擋土墻，后期結(jié)算牽扯單位多，難度增大；（2）土山上既有樹木需全部移除，伐移手續(xù)辦理難度大；（3）需要辦理臨時(shí)用地許可證，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。

方案6：土方清運(yùn)至鐵路紅線西側(cè)16.5 m 外（見圖8）。

優(yōu)點(diǎn)：與方案5 相比，土方清運(yùn)量及樹木伐移量減小。

缺點(diǎn)：（1）站房范圍內(nèi)無法形成環(huán)形施工道路，平行運(yùn)輸效率降低；（2）增加土山支護(hù)及土山坡腳擋土墻，后期結(jié)算牽扯單位多，難度增大；（3）基坑邊緣土方堆載大于設(shè)計(jì)方案，安全風(fēng)險(xiǎn)高，基坑支護(hù)方案需重新調(diào)整并需組織專家論證；（4）需要辦理臨時(shí)用地許可證，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。

圖5 影響區(qū)域推后施工剖面示意圖

圖6 清運(yùn)至紅線外25 m示意圖

圖7 環(huán)形道路示意圖

3 比選結(jié)果

經(jīng)方案綜合比選（見表1），考慮站房基坑安全、道路通行、協(xié)調(diào)難度等因素，最終選定方案5。

圖8 清運(yùn)至紅線外16.5 m示意圖

表1 方案綜合比選

4 變形監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)目的

在深基坑施工過程中，有必要采用科學(xué)的方法對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境進(jìn)行綜合、系統(tǒng)監(jiān)控［3］。通過對(duì)北京朝陽站基坑的沉降、位移、支撐軸力、地下水位、周邊管線變形等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［4］，需達(dá)到以下目的：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基坑位移、傾斜、支撐軸力及周邊管線變形，并通過積累大量有效數(shù)據(jù)為了解該基坑狀態(tài)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)基坑進(jìn)行安全預(yù)警，包括通過對(duì)位移、軸力等監(jiān)測(cè)指標(biāo)的數(shù)值提前設(shè)置報(bào)警閾值，在該區(qū)域?qū)嶋H狀態(tài)達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，方便相關(guān)單位及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并采取措施。

（3）為判定當(dāng)前狀態(tài)的基坑穩(wěn)定性與安全性提供數(shù)據(jù)支持與事實(shí)依據(jù)，通過監(jiān)測(cè)的大數(shù)據(jù)為基坑修補(bǔ)、加固提供可靠的數(shù)據(jù)信息。

4.2 監(jiān)測(cè)實(shí)施

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)、安全評(píng)價(jià)預(yù)警子系統(tǒng)六大模塊構(gòu)成（見圖9），傳感器子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)完成各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目（參數(shù)）的測(cè)量、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集［5］。

圖9 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)傳輸模式擬采用無線傳輸方式，將傳感器與采集儀相連，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳至云平臺(tái)，借助GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，只要手機(jī)信號(hào)可達(dá)之處，即可進(jìn)行傳輸，傳輸范圍較廣，不需要大面積連線，施工方便，安全可靠（見圖10）。

圖10 無線GPRS數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)器系統(tǒng)示意圖

4.3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)平面布置圖，主要監(jiān)測(cè)邊坡水平位移和豎向位移、深層水平位移、錨桿內(nèi)力［6］、支撐軸力、地面沉降，具體監(jiān)測(cè)方法如下：

（1）邊坡水平位移和豎向位移。通過拉線位移傳感器監(jiān)測(cè)邊坡的水平和豎向位移。項(xiàng)目邊坡為二級(jí)坡，設(shè)1 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每級(jí)坡頂、坡底各安裝1 個(gè)拉線位移傳感器，共計(jì)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（2）深層水平位移（維護(hù)樁）。對(duì)邊坡維護(hù)結(jié)構(gòu)處的深部水平位移可通過傾角傳感器反映結(jié)構(gòu)深層水平位移。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直安裝3個(gè)傾角傳感器，該項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容在基坑開挖完成露出維護(hù)結(jié)構(gòu)后安裝。共計(jì)6個(gè)傾角傳感器，部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及波形見圖11、圖12。

圖11 部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總

圖12 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波形

5 結(jié)束語

目前，我國(guó)鐵路站房及綜合交通樞紐工程基坑開挖深度逐步增大，坑邊堆載引發(fā)安全事故呈明顯增多趨勢(shì)。結(jié)合深基坑堆載處理方式，通過多方面綜合分析，確定最優(yōu)施工方案，可為受多方參建、施工手續(xù)繁雜、施工工期緊張等因素制約的工程提供借鑒。