地鐵隧道附近軟土深基坑設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)分析

劉拴錠 王永康

中交一公局杭州地鐵10#線土建三工區(qū)

1 引言

城鎮(zhèn)化規(guī)模日益擴(kuò)大，大量人口涌入城市，常規(guī)公交出行已然不能滿足人們生活出行需求。考慮到城市大規(guī)模人口流動(dòng)需求，一些大型城市開始建設(shè)地鐵項(xiàng)目，但是地鐵施工建設(shè)難度非常大，并且沿線建筑結(jié)構(gòu)均會受到一定程度影響作用，特別是臨近深坑工程施工保護(hù)問題。

學(xué)者在研究鄰近地鐵隧道施工研究過程中，詳細(xì)討論了基坑工程的“時(shí)空效應(yīng)”，并分析其影響作用。通過研究得出了軟土地區(qū)建設(shè)地鐵隧道位移變化趨勢，基于此趨勢推導(dǎo)出隧道位移量化計(jì)算公式。值得一提的是該計(jì)算方法將開挖寬度和時(shí)間均納入計(jì)算指標(biāo)中，衡量其影響效果，對今后此類情況研究提供了重要的指導(dǎo)意義。同時(shí)，一些研究還考察了地下隧道和連續(xù)墻形變情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過“先支再挖”的施工方案可以明顯改善基坑變形問題。然后通過實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，回歸分析構(gòu)建了開挖隧道回彈分析半經(jīng)驗(yàn)半理論計(jì)算公式。

基于此，本文對深基坑與地鐵區(qū)間隧道緊鄰的附屬建筑進(jìn)行技術(shù)分析，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場施工實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，對整體工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分析。

2 工程概況與技術(shù)難點(diǎn)

2.1 工程概況

吳家路站是杭州地鐵10號線一期第11個(gè)車站，起止里程為DK13+312.285 ～DK13+546.185，車站站中心里程設(shè)置在DK13+401.615，其具體位置在吳家路與杭行路交叉口處，目前杭行路已經(jīng)建設(shè)完成，道路寬40m，按照雙向6 車道，但當(dāng)前車流量較小。該地鐵站主體工程所需基坑長度接近235.5m，其中車站中心頂層土層高3.0m。為了安全，標(biāo)準(zhǔn)段地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均為雙柱三跨鋼混結(jié)構(gòu)，該段基坑深度和寬度分別為17.03m～18.01m、21.70m；除標(biāo)準(zhǔn)段外，兩端基坑深度和寬度分別為18.70m～19.18m、25.80m。整體工程預(yù)留盾構(gòu)始發(fā)條件，并且始發(fā)端設(shè)置在該地鐵站大小里程端。

圖1 基坑與地鐵隧道位置示意圖

2.2 技術(shù)難點(diǎn)

場地潛水主要存在于較淺地質(zhì)層，包含黏性土、填土層、含砂黏土層為主。該土壤層的透水性和富水性存在差異性，并且還受到沉積層作用，整體來看透水性在水平方向作用要強(qiáng)于垂直方向。根據(jù)工程現(xiàn)場情況看，該地帶地下水深度在0.20m～3.70m，相應(yīng)標(biāo)高為0.76m～9.34m?？紫稘撍ǔ搅骶徛鋪碓匆缘乇硭w下滲補(bǔ)充和地表降水滲透補(bǔ)給為主。經(jīng)過蒸發(fā)作用和排泄，孔隙潛水水位隨季節(jié)變化明顯。地下水主要處于深層，其水位變化以及埋深受季節(jié)和降水的影響作用較大，因而是動(dòng)態(tài)變化大，且變化幅度高達(dá)1.0m～2.0m。本文將重點(diǎn)討論建成地鐵管線和結(jié)構(gòu)安全保護(hù)問題，這是鄰近地鐵施工的設(shè)計(jì)和施工難點(diǎn)，特別是基坑支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要充分考慮地質(zhì)層特性，支撐結(jié)構(gòu)要具有擋土防水作用。下圖2是詳細(xì)監(jiān)測得出的吳家路區(qū)間地質(zhì)剖面圖。

圖2 吳家路區(qū)間地質(zhì)剖面圖

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

結(jié)合吳家路區(qū)間地質(zhì)情況，本文將此次研究地下室基坑設(shè)計(jì)安全等級定為一級，根據(jù)現(xiàn)有參考數(shù)據(jù)，取基坑側(cè)壁安全系數(shù)1.1。在本文研究中，設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)為開挖土方的順序、支撐結(jié)構(gòu)質(zhì)量、水帷幕的質(zhì)量以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁，基坑設(shè)計(jì)支撐體系選型和結(jié)構(gòu)是此次設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題。

3.1 深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

車站小里程端頭井主體基坑寬度為25.80m，深度18.71m，地下連續(xù)墻部分插入基坑中，其插入比為1:0.99，插入后墻趾標(biāo)高-32.97m，長度約為37m，厚0.8m，同時(shí)在垂直深度上增加5道支撐結(jié)構(gòu)。其中，第一道采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，第三道采用圓鋼支撐，其尺寸為厚度16mm，外徑800mm。其余三道支撐均為采用外徑609mm，厚度16mm的圓鋼支撐。

車站大里程端頭井主體基坑寬度為25.80m，深度19.18m，地下連續(xù)墻部分插入基坑中，其插入比為1:1.06，插入后墻趾標(biāo)高-35.47m，長度約為39.5m，同時(shí)在垂直深度上增加5道支撐結(jié)構(gòu)。其中，5道支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置與車站小里程端做法一樣。

車站標(biāo)準(zhǔn)段主體基坑寬度為21.70m，深度17.04m～18.01m，均采用800mm厚地下連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻長35m，按照1：1.11 插入基坑，插入后墻趾標(biāo)高-30.970m。同樣在基坑垂直深度上設(shè)置5道支撐結(jié)構(gòu)，做法與車站大小里程端一樣。

車站電纜夾層段主體基坑寬度為21.7m，地下連續(xù)墻部分插入基坑中，其插入比為1:0.99、1：1.19，插入后墻趾標(biāo)高-32.97m、-33.97，長度約為37m、38m，厚0.8m，同時(shí)在垂直深度上增加5道支撐結(jié)構(gòu)。其中，5道支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置與車站大小里程端做法一樣。

圖3 主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)第一道混凝土支撐布置圖

圖4 主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐布置圖

3.2 施工關(guān)鍵技術(shù)

（1）關(guān)鍵技術(shù)施工。要保證基坑鄰近地鐵區(qū)間隧道避免粉砂土層出現(xiàn)漏沙和漏水問題，同時(shí)防止過大沉降現(xiàn)象，在施工過程中要重點(diǎn)關(guān)注鉆孔灌注樁垂直度以及強(qiáng)度、三軸水泥土攪拌樁與樁體之間的咬合情況。具體操作為：在樁孔外側(cè)使用雙排三軸攪拌樁，并且向樁坑里注入20%水泥用來加固，避免樁下部出現(xiàn)變形，然后在樁坑成型部位注入8%水泥作為防護(hù)層，避免鉆樁坍塌。同時(shí)在施工中要根據(jù)實(shí)際情況增加高壓旋噴樁，確保施工過程中基坑不會出現(xiàn)滲水和開裂等安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）基坑支撐體系。通常基坑支撐體系為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵是混凝土的剛度和強(qiáng)度要滿足要求，同時(shí)還要保證施工質(zhì)量。不規(guī)范施工會導(dǎo)致鋼混結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭曲，出現(xiàn)拉伸和斷裂風(fēng)險(xiǎn)，特別是垂直立柱以及支撐結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。主體結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)成型后，拆除過程中，必須采取換撐的手段，這是保證結(jié)構(gòu)在支撐解除后補(bǔ)發(fā)生變形破壞的關(guān)鍵點(diǎn)。

（3）降承壓水方案。本次研究的施工區(qū)域基坑周圍是飽和粉砂層，當(dāng)周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題或止水帷幕失效，則會導(dǎo)致基坑積水，基坑水壓則較大，施工前需要排水施工或者降低承壓水，但這會導(dǎo)致鄰近地鐵隧道出現(xiàn)沉降變形，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)開裂滲水，最終引起附近建筑結(jié)構(gòu)破壞，因此，降水方案必須在圍護(hù)結(jié)構(gòu)試降水成功之后再開展。

（4）土石方施工?；油练绞┕ひ裱跋葥魏笸凇痹瓌t，避免由于開挖導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞，從而出現(xiàn)基坑局部塌方后者結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。特別是基坑處于飽和粉砂土層，地質(zhì)本身強(qiáng)度不高，容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。所以在基坑施工中，要充分考慮時(shí)空效應(yīng)，對于分區(qū)、分層等問題要分開施工。保證在軟土層基坑施工中，制定合適的開挖土方和開挖尺寸，降低無支撐基坑擋墻裸露的時(shí)間。

3.3 三維模擬分析

為了對基坑工程進(jìn)行模擬計(jì)算，文本運(yùn)用FLAC3D 技術(shù)建立對應(yīng)結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)彈塑性力學(xué)圣·維南原理可知，以基坑為中心，周邊3m范圍均為深挖基坑的影響范圍。并且計(jì)算模型平面尺寸設(shè)定為400m×300m，模型高度以地面為基準(zhǔn)，下延100m，如圖5所示。

圖5 整體計(jì)算模型網(wǎng)格

如圖6所示，規(guī)定空間坐標(biāo)軸，建立三維立體計(jì)算模型，該模型包含了地鐵隧道、基坑土方、圍護(hù)以及樁基和鉆孔等結(jié)構(gòu)，底部約束，側(cè)向約束方向?yàn)榉ㄏ颉Ｔ撍淼阑炷翉?qiáng)度為C50，盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑為5.5m，外徑6.2m、寬度為1200m，厚度350mm，設(shè)置埋深12m，本次計(jì)算長度為118m。地下室模型結(jié)構(gòu)如下圖4所示，基本結(jié)構(gòu)柱尺寸為600600mm×600mm，四周邊墻厚度為0.4m，樓板和地板厚度分別為0.3m、1.5m。

圖6 地下室模型

結(jié)合上述研究分析，一旦基坑開挖建設(shè)，鄰近地鐵設(shè)施均會受到不同程度影響，其地鐵隧道管片位移量為6.5mm，并且當(dāng)?shù)叵率医Y(jié)構(gòu)完成后，地鐵隧道位移量為4.8mm。根據(jù)國內(nèi)地鐵保護(hù)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，本次模型計(jì)算的結(jié)果符合地鐵保護(hù)要求。為了詳盡了解基坑施工對鄰近地鐵管線和隧道影響效果，本文進(jìn)一步分析施工監(jiān)控結(jié)果與上述模擬計(jì)算數(shù)值進(jìn)行對比分析。在合理位置選擇3個(gè)地鐵隧道監(jiān)控截面，安置24個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，對地鐵輔助管線（雨水、天然氣、污水、通信）進(jìn)行監(jiān)控，安置13個(gè)監(jiān)控點(diǎn)；支撐內(nèi)力安置3個(gè)監(jiān)控點(diǎn)；鉆孔灌注樁頂安置3個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)控位移量；立柱安置3個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)控豎向位移。然后監(jiān)控記錄第1次、第2次開挖后地鐵隧道、底板全部澆筑、開挖到裙房底板底面高程等結(jié)構(gòu)完成后各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的X 向位移量，考慮去土層回彈影響作用，綜合考察三維方向的位移情況。監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，由于地板自身重量極大，使得其位移量和應(yīng)力變化均較小，增加不明顯。這說明底板澆筑可以保證鄰近隧道給以及基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通過換撐來拆除支撐結(jié)構(gòu)是可行的。

4 小結(jié)

根據(jù)上述研究分析，在軟土地區(qū)鄰近地鐵基坑施工存在重大風(fēng)險(xiǎn)問題，因而其基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)對整個(gè)地鐵及周邊建筑有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文在對吳家路站鄰近基坑研究中，采用多種關(guān)鍵技術(shù)對軟土層基坑進(jìn)行處理，從開挖到成型，每一步都進(jìn)行詳細(xì)論證和分析，并且根據(jù)方案構(gòu)建“地鐵隧道-基坑-圍護(hù)結(jié)構(gòu)”研究模型，并通過專業(yè)軟件進(jìn)行分析，討論其開挖影響作用，并為實(shí)際施工提供數(shù)據(jù)支持。研究指出，對于軟土層基坑施工，要充分考慮土層結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際制定科學(xué)設(shè)計(jì)方案，施工要嚴(yán)格遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確保施工范圍各結(jié)構(gòu)安全，避免出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)損失。