寧波地區地鐵基坑開挖風險控制初探

姜陳釗 林 平 夏漢庸

1 工程概況

寧波市軌道交通1號線福明路站為一期工程先行節點,整個車站采用明挖順作法施工,其中車站主體分兩期施工,一期施工東半幅車站主體,翻交后再施工西半幅車站主體。一期主體基坑長約117.3 m,標準段基坑寬18.7 m,深16.3 m,東端頭井基坑寬22.6 m,深18.4 m。圍護結構采用800厚地下連續墻,地基加固采用三軸攪拌樁抽條加固,支撐體系為首道鋼筋混凝土支撐+4道φ 609×16鋼支撐(端頭井處5道鋼支撐)。

2 監測數據及預報警事件

福明路站一期工程自2009年11月20日開始基坑開挖,從東向西開挖,至2010年1月30日全部完成。自基坑開挖以來,險情不斷,結構安全監控管理中心共及時發布了7次預警,預警情況如下:

1)12月 22日,煤氣管線、電力管線日沉降量分別達到4.1 mm/d,7.0 mm/d,結構安全監控管理中心發布黃色預警。2)1月1日,測斜CX5在12.5 m深度日變化量6.8 mm/d,煤氣管線MC-2日沉降量達到12.5 mm/d,結構安全監控管理中心發布黃色預警。3)1月5日,測斜CX4在14.5 m深度連續2 d的日變量分別為9.8 mm/d,10.0 mm/d,結構安全監控管理中心發布橙色預警。4)1月7日,測斜CX4在14.5 m深度日變量10.6 mm/d,結構安全監控管理中心發布橙色預警。5)1月8日,測斜CX4附近地連墻基底以上1 m處發現長約4 m、寬約0.5 mm的橫向裂紋,結構安全監控管理中心發布紅色警報。6)1月14日,測斜CX5連續2 d變化速率均超過10 mm/d,在測斜CX5附近地連墻基底以上1 m處發現長約1.2 m、寬約0.5 mm的橫向裂紋,結構安全監控管理中心發布紅色警報。7)1月20日測斜CX7在17 m深度日變量11.6 mm/d,結構安全監控管理中心發布橙色預警。

3 預警原因分析

3.1 地質原因

寧波地區為典型的軟土地區,上部的淤泥質土具有“大孔隙比、高壓縮性、高靈敏度”等特點,與上海地區的土性具有較大的相似性,現有的設計和施工方案基本上照搬上海的做法,未考慮寧波地區的特殊性。

3.2 設計原因

1)混凝土連系梁和冠梁的影響。該車站基坑支護設計時,為了加強各道支撐之間聯系的整體性,將第一道混凝土支撐之間通過混凝土連系梁連接,各道鋼支撐之間通過鋼連系梁連接。由于超長臂挖機的大臂較長,如果挖機靠近坑邊挖土,則大臂要碰上連系梁;若挖機稍微遠離坑邊進行挖土,由于冠梁深入基坑內70 cm,則大臂下趴角度受到極大影響。超長臂挖機具有直接挖深16 m的能力,但是在福明路站基坑只能挖到13 m～14 m深,剩余土方只能靠小挖機不停的喂土,尤其在快挖到基底時,混凝土連系梁對土方開挖效率的影響尤為突出。2)下翻梁的影響。底板縱梁局部設在底板以下,由于縱梁的鋼筋和混凝土須和底板整體綁扎和澆筑,在縱梁混凝土澆筑之前,基底墊層不能形成整體的傳力系統,降低了對圍護結構的支撐效果。

3.3 施工原因

1)由于目前車站基坑采用全包防水,在防水卷材上有5 cm的混凝土保護層,故原設計確定的20 cm厚度的墊層只能先做15 cm,鋪設防水卷材后才能加鋪5 cm的細石混凝土保護層,先行澆筑的15 cm厚的墊層剛度達不到設計要求。2)無支撐暴露時間過長。土方開挖和鋼支撐架設沒銜接好,支撐架設時間過長,導致基坑無支撐暴露時間高達40 h。另外,小挖機的高度大于基坑的豎向間距,使得小挖機在基坑長度方向的側向移動受阻,大大延長了無支撐暴露時間。3)坑內土體加固采用三軸攪拌樁抽條加固,由于施工機械原因,加固體與地連墻之間存在約30 cm寬被動區土體加固盲區,該部分土體的側向壓縮變形將導致地連墻向坑內位移。4)施工單位在澆筑墊層時,沒有摻加早強劑,導致墊層澆筑3 d才能達到35%左右的強度,嚴重影響了對地連墻側向變形的控制。5)開挖第四層土、第五層土時,該土層為淤泥質黏土,土體采用降水疏干的方法,未做到提前預降水,開挖后土體強度仍較低,彈性模量較低,很容易產生變形。6)施工單位和監理單位未引起高度重視,沒有完全落實之前預報警分析會議決定的措施,致使基坑結構變形較大。

4 監測數據規律異常分析

4.1 測斜數據變化速率較高而支撐軸力變化很小

結構安全監控管理中心專業工程師現場巡檢后鋼支撐端部出現如下情況:1)鋼支撐端部混凝土局部被壓碎;2)活絡頭插銷處鋼楔發生了塑性變形;3)活絡頭偏移使得軸力計偏心,產生側向分力,使得增加的軸力不能反映到軸力計的讀數中。

4.2 測斜數據與地表沉降關系反常

施工單位在施工過程中未做好墻體測斜孔的保護工作,破壞現象較嚴重,為得到該位置的測斜數據,坑外補打了一些土體測斜,由于土體測斜到墻體有2 m～3 m的距離,土體測斜的數據小于墻體測斜并且變化有滯后現象,測斜的量測方向也未必與墻體垂直,因而測得的測斜數據小于實際墻體的測斜數據,甚至小于對應位置的地表沉降值。

5 改進建議

1)連系梁適當優化。由于連系梁大大影響現場施工挖土作業和鋼支撐架設的便利性,因此施工單位根據現場的實際需要,先間隔取消,后期根據實際的變形情況,考慮全部取消,以加快土方的開挖速度和鋼支撐的架設速度。2)提前20 d降水,對坑內土體進行預加固,以提高被動區土體的彈性模量,減少基坑開挖過程中的地連墻側向變形。3)坑底地基加固形式可采用抽條+裙邊的加固形式,且靠近地連墻邊緣再采用旋噴樁進行處理。4)適當調整支撐的豎向間距,使得小挖機可以沿基坑的縱向移動。施工單位可開展施工機械的專項研究,如采用凈高更小的挖機等。5)對于支撐的水平間距,可根據現場的實際情況將“2.5 m-3.5 m-2.5 m”調整為“2 m-4 m-2 m”的方式布設,便于小挖機的吊放。6)優化土方開挖方式,每層土體開挖中,中間先開槽開挖,開槽完成后再用長臂挖機對兩側的留土進行對稱開挖,提高挖土效率。同時加大鋼支撐架設管理力量,嚴格控制要求將無支撐暴露時間控制在16 h以內。7)加快支撐架設速度,第一道鋼支撐由于承受的軸力較小,牛腿支架需與地連墻鋼筋焊接,下面幾道鋼支撐的重力主要由支撐與地連墻間的摩阻力承擔,牛腿支架可采用膨脹螺絲打設到地連墻上,以加快施工速度。8)調整墊層混凝土厚度。墊層施工時在混凝土中加入早強劑,使其盡快達到設計強度,以減緩底板澆筑前基坑變形趨勢,同時墊層施工要分塊澆筑,做到挖好一塊,澆筑一塊,盡量減少基底暴露時間。有下翻梁處考慮加深地基加固深度、架設臨時短撐或其他措施。9)地連墻施工過程中注意控制質量,質量問題就是安全問題,防止鼓包等現象,鋼支撐架設時保證端部的平整度。10)保證監測數據的可靠。做好監測點的保護工作,如果不慎發生墻體測斜孔的破壞,應盡早在墻體上補打測斜孔;加強對管線的監測,有壓管線必須采取直接點觀測,以反映管線的真實沉降。11)落實圖紙會審、細化施工方案、加強評審。及早進行設計圖紙的疑議提出,現場施工單位應對基坑挖土方案、支撐架設方案進行細化和評審并應加強現場的管理,及時落實相關會議措施。

[1] 北京城建設計研究總院.福明路車站施工圖設計文件[Z].2009.

[2] 中鐵十九局集團有限公司.福明路車站施工組織設計[Z].2009.

[3] 上海市市政工程管理局.上海地鐵基坑工程施工規程[Z].2000.

[4] 沈愛國.深基坑施工風險評估模型設計[J].山西建筑,2008,34(24):148-149.