吳子淇
(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司,天津300308)
在地鐵建設(shè)實際工程中,常遇到需要在深(大)基坑內(nèi)進行二次開挖得到內(nèi)部小坑來容納局部結(jié)構(gòu)的情況,或地鐵與市政工程共建的情況,或“十”字換乘車站的方案。這些都會涉及坑中坑問題,但目前相關(guān)規(guī)范中沒有涉及坑中坑具體情況,導(dǎo)致在實際工程中設(shè)計人員缺少依據(jù),往往低估甚至于忽略坑中坑的不利影響,使基坑圍護設(shè)計方案安全度不足,從而產(chǎn)生基坑失穩(wěn)事故的發(fā)生。
通常采用庫倫土壓力理論或朗肯土壓力理論計算作用在基坑圍護結(jié)構(gòu)上的土壓力值,但理論的假設(shè)與實際情況有一定的出入。一些試驗結(jié)果證明,庫侖土壓力理論在計算主動土壓力時,與實際較為接近;計算被動土壓力時,其計算結(jié)果與實際相比往往偏大。郎肯理論由于沒有考慮墻背邊界條件,其計算結(jié)果與實際比較往往主動土壓力偏大,而被動土壓力偏小。故而在實際應(yīng)用中,尤其針對軟土地層,周邊環(huán)境復(fù)雜的,多按郎肯土壓力理論計算,有利于基坑的安全。對于存在坑中坑的基坑,由于2 種經(jīng)典理論采用的是半無限土體的假設(shè)條件,而對較淺基坑被動區(qū)土體由于坑中坑的存在,屬于有限土體范疇;對較深基坑主動區(qū)土體由于淺基坑的先期開挖,土體的固結(jié)影響,這些都會影響基坑計算模型的邊界條件,而且大都為不利影響[1~3]。
為滿足地鐵車站建筑使用功能,常需在主體深(大)基坑內(nèi)進行二次開挖得到內(nèi)部小坑,來容納電梯井、集水井等局部結(jié)構(gòu)(措施)的情況,這類坑中坑相對于深(大)基坑,體量小,二次開挖深度淺。
在設(shè)計上,合理布置坑中坑位置,盡量遠離圍護結(jié)構(gòu);優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)體量,盡量做到坑中坑平面規(guī)則、深度淺,以減小坑中坑對支護結(jié)構(gòu)的影響。視地層及周邊環(huán)境的情況,采取必要的措施。在飽和黏土地層,周邊環(huán)境較簡單,可采取坑內(nèi)放坡開挖;在軟土地層,粉砂含水地層,周邊環(huán)境復(fù)雜的,坑中坑影響范圍內(nèi)需采取地層加固措施。另外,應(yīng)明確施工順序,基坑開挖至設(shè)計標高后,盡快完成墊層施作,再進行二次基坑開挖。
以某地鐵車站為例,車站主體沿城市主干道布置,另該主干道規(guī)劃地下車行道。為合理利用城市地下空間,采取二者共建方案,同期明挖施工,另因二者寬度需要較大,為合理優(yōu)化工程造價及工期,采取坑中坑支護方案。結(jié)構(gòu)地下1 層為規(guī)劃車行道;地下2 層為地鐵站廳層;地下3 層為地鐵站臺層。頂板覆土2.5m,地下1 層底板埋深9.5m,地下3 層底板埋深23m?;又ёo根據(jù)承載能力極限狀態(tài)進行設(shè)計,分別進行承載力計算和穩(wěn)定性及變形驗算。確保支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不產(chǎn)生傾覆、滑移和局部失穩(wěn),支撐系統(tǒng)不失穩(wěn)。
根據(jù)經(jīng)典的郎肯土壓力理論,被動區(qū)無限土體滑裂面與水平面夾角,即剪切破壞角為45°+φ/2(φ 為土的內(nèi)摩擦角)。針對本站淺基坑,被動區(qū)土體受坑中坑的影響,有限范圍土體的土壓力是小于普通半無限連續(xù)土體的土壓力,即被動區(qū)土壓力計算取值與實際相比偏大,對基坑安全是不利的,導(dǎo)致如抗傾覆安全系數(shù)(樁墻內(nèi)側(cè)被動區(qū)抗傾覆作用力矩總和/樁墻外側(cè)主動區(qū)抗傾覆作用力矩總和)計算結(jié)果與實際相比偏大[4]。
對于內(nèi)坑(坑中坑),由于外坑(淺基坑)開挖卸荷的影響,坑底以下的土體處于超固結(jié)狀態(tài),坑中坑的開挖將使作用在坑中坑圍護體上的土壓力由靜止的側(cè)向土壓力分布曲線向主動土壓力曲線發(fā)展,即按普通基坑計算方法得出的內(nèi)坑外側(cè)土壓力與實際作用在內(nèi)坑樁墻外側(cè)的土壓力相比偏小,這對基坑安全是不利的,導(dǎo)致如抗傾覆安全系數(shù)計算結(jié)果與實際相比也偏大[5]。
故而計算過程中需注意這些影響因素,對輸入計算軟件的參數(shù)進行修正。同時,為改善邊界條件而采取措施,如淺基坑坑底土體加固措施,加強被動區(qū)土體;加強坑中坑支護結(jié)構(gòu)的整體剛度。本站最終基坑支護方案主要圖1 所示,外坑支護方案為SMW 工法樁+內(nèi)支撐(第一道為混凝土支撐,設(shè)置臨時立柱),坑底攪拌樁加固(厚度3m)。內(nèi)坑支護方案為地連墻(淺基坑范圍內(nèi)為素混凝土)+內(nèi)支撐(第一道為混凝土支撐,設(shè)置臨時立柱)。如基坑周邊環(huán)境復(fù)雜,地質(zhì)條件較差,還可外坑坑底素混凝土墊層內(nèi)增設(shè)構(gòu)造鋼筋。
以某“十”字換乘地鐵車站為例,主要分析平面上坑中坑帶來的不利影響及應(yīng)對措施。車站與遠期地鐵線“十”字換乘,換乘節(jié)點處同期施工,采取坑中坑支護方案。
一般基坑支護結(jié)構(gòu),內(nèi)支撐兩端的受力是對等的,是一種平衡狀態(tài)。而對于車站換乘節(jié)點坑中坑(斜撐支護體系),支撐兩端的墻體所受土壓力差異明細,必然會導(dǎo)致所受土壓力較小的墻體向坑外移動,外側(cè)土體隆起,墻體所受土壓力值逐漸增大;同時,所受土壓力較大的墻體向坑內(nèi)移動,外側(cè)土體下沉,墻體所受土壓力值逐漸減小,直到二者達到新的平衡為止。而這些對基坑安全都是不利的[6]。
圖1 某地鐵車站主體圍護結(jié)構(gòu)橫斷面圖
針對這類情況,可采取坑中坑坑外主動區(qū)土體加固措施,換乘段外轉(zhuǎn)角處采用地層加固措施,加強坑中坑支護結(jié)構(gòu)剛度(圍護結(jié)構(gòu)為地連墻,坑內(nèi)第一道支撐采取混凝土支撐,設(shè)置封閉混凝土腰梁),另計算單根支撐彈性支點剛度系數(shù)時,對支撐不動點調(diào)整系數(shù)合理取值。地質(zhì)條件允許的話,也可取消斜撐設(shè)置,長邊采取對撐設(shè)置,短邊處采取錨桿(鎖)支護體系。
基坑工程作為一個涉及建設(shè)、勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)測等多專業(yè)的系統(tǒng)工程,影響因素眾多,本文基于多個工程項目的成功經(jīng)驗,從支護設(shè)計專業(yè)角度分析坑中坑對地鐵基坑支護結(jié)構(gòu)影響的各種不利影響,并提出應(yīng)對措施,對其予以歸類總結(jié),以期對巖土工程師應(yīng)對該類困難時提供幫助。