武漢Ⅲ級階地上緊臨地鐵站的深基坑工程設計與施工

易萬元, 吳禮生, 田 野

((湖北省城市地質工程院,湖北 武漢 430072)

武漢Ⅲ級階地上緊臨地鐵站的深基坑工程設計與施工

易萬元, 吳禮生, 田 野

((湖北省城市地質工程院,湖北 武漢 430072)

重點介紹樁撐基坑支護在緊臨地鐵特殊環境下的應用,探索周邊存在地鐵施工環境的深基坑支護技術及降排水的設計方法,并分析總結樁撐支護在緊臨地鐵這一特定條件下運用的合理性,闡述地下水控制和位移速率控制對臨近地鐵基坑設計施工的重要性,可為類似工程基坑支護設計提供經驗參考。

深基坑;樁撐;工程設計

深基坑工程施工不可避免地影響周邊地質環境,造成周邊建(構)筑物地基沉降及地面沉降,嚴重時將對周邊建(構)筑物造成危害,危及人民生命財產的安全,風險性極高。地鐵運行對軌道基礎的沉降極其敏感,按相關技術要求不得超過2 mm,否則,將有可能引發嚴重的地鐵運行事故。本深基坑工程緊臨地鐵站,與地鐵站深基坑開挖工程同期開工,但地鐵站將先于本深基坑工程完成并投入運營。地鐵運營半年后本深基坑工程才開挖至基坑底。因設計合理,處置措施得當,本深基坑開挖施工未對地鐵站深基坑工程開挖及運營中的地鐵線造成任何影響。本深基坑開挖成功的設計和施工經驗值得今后同類工程借鑒。

1 工程概況

本深基坑開挖工程位于武昌火車站附近,擬建建筑物由高85.2 m的19層塔樓及高25.5 m的4層的裙房組成。設置二層整體地下室,其底板頂面建筑相對標高-10.80 m;地面整平高程26.00 m(亦為建筑物的正負零標高)。擬建工程場地東側為生活區道路;南側為大型購物超市;西側為國家電網變電區,過變電區為城市主干道首義南路;北側緊鄰城市主干道張之洞路,張之洞路下為4號地鐵線的首義路站。基坑開挖面積約為4 000 m2,總體呈近似邊長為65 m正方形,基坑普挖深度約為11.6～12.6 m,基坑內電梯井挖深15.20 m,自然地面高程25.5～26.0 m。基坑周邊環境圖見圖1。

2 場地巖土工程條件

2.1 地層巖性

2.2 水文地質條件

場地內的地下水有上部滯水和孔隙承壓水兩種類型,上部滯水主要賦存于人工填土層中,大氣降水及生活用水滲透是其主要補給來源,勘察期間測得水位埋深為0.60～2.40 m,相當于標高23.23～24.83 m。承壓水賦存于粉質粘土夾粉砂(地層代號④1)、含粘性土粉砂(地層代號④2)及含粘性土卵礫石(地層代號⑤)層中,具有一定承壓性,水位受季節水量較大,勘察期間(2013年8月5日)觀測得其承壓水位埋深為11.80 m,相當于標高16.73 m。

2.3 周邊環境條件

場地東南側距基坑邊約3.0 m處有一地下箱涵(已棄用),箱涵的埋深約2～3 m。東側緊鄰生活區道路。南面離大型購物超市中百倉儲11.4～14 m(4層框架,基礎形式為置于老土層淺基礎)。西面4.5 m為國家電網變電區。北側局部緊鄰張之洞路約9～14.6 m,4號地鐵線的首義路站設在張之洞路此處下面。首義路地鐵站出站口圍護結構距本深基坑圍護結構的最近距離僅3.90 m,地鐵站深基坑的普挖深度為14.00 m,地鐵的軌道中心線距本基坑圍護結構的邊線最近距離約為27.80 m。因軌道交通施工,北面軌道交通基坑支護借用本項目紅線用地,地鐵交通支護樁外邊離地下室范圍線約8 m,軌道交通支護樁頂標高為25.7 m,基底標高為11.7 m,支護型式為排樁+內支撐。結合上述周邊環境調查情況,周邊環境復雜,場地相對較狹小且不開闊,不利于施工。

圖1 基坑支護結構平面示意圖Fig.1 Plane graph of foundation pit supporting structures

表1 場區巖層分布及巖層特征表

Table 1 Strata distribution and characteristics in the area

時代成因地層代號巖土名稱狀態及密度層厚/m層頂埋深/m巖層特征Qml①1雜填土松散1．40～3．900．00～0．00雜色，主要由碎石、磚塊、混凝土塊等建筑垃圾、生活垃圾混少量粘性土填成。主要分布于場地表層，為新近拆除原有建筑物殘留下的建筑垃圾①2素填土松散0．40～3．701．40～3．90黃褐—褐灰色，主要由粘性土混少量磚渣、碎石等硬質雜物填成，呈稍濕、松散狀態Qal4②1淤泥質粉質粘土流塑0．70～5．003．20～4．30褐灰—灰黑色，含有機質、腐殖物，搖振輕微，干強度低，韌性低。呈飽和、流塑狀態②2粉質粘土可塑1．10～5．403．30～8．20黃褐色，含鐵質氧化物，局部夾灰色土條，無搖振反應，稍有光滑，干強度中等，韌性中等。呈飽和、可塑狀態Qal3③1粉質粘土可塑0．50～0．507．00～13．00黃褐—褐黃色，含灰白色高嶺土條紋及少量鐵錳質結核，無搖振反應，稍有光滑，干強度中等，韌性中等，呈飽和、可塑狀態③2粉質粘土硬塑1．70～12．003．00～13．50黃褐—褐黃色，含灰白色高嶺土條紋及少量鐵錳質結核，無搖振反應，稍有光滑，干強度高，韌性高，呈飽和、硬塑狀態Qal+pl2④1粉質粘土夾粉砂可塑5．80～9．4013．70～16．00黃—淺黃色，以粉質粘土為主，含少量粉土、粉砂，呈飽和、可塑狀態④2含粘性土粉砂中密14．10～18．0020．20～24．30黃—淺黃色，以粉砂為主，含10%～15%粘性土，含少量中砂、粗砂，呈稍濕、中密狀態⑤含粘性土卵礫石中密16．30～16．3038．20～38．80雜色，粗顆粒含量約50%，粒徑一般為5～80mm，大者超過100mm，呈亞圓形，部分為扁圓形，磨圓度較好，卵石主要成分為石英巖、石英砂巖、燧石碎塊等，局部為含少量粘性土及中砂，呈飽和、中密狀態P2d⑥1泥巖強風化54．60淺黃—褐灰色，泥質結構，中厚層狀構造，泥質膠結，巖芯破碎，徒手可掰成碎塊狀，屬極軟巖

2.4 設計主要參數

基坑支護設計參數見表2。

表2 基坑支護設計參數

3 基坑支護設計

3.1 工程難點

工程場地存在較大限制,北面為地鐵4號線首義路站,且施工與本工程同步或先行,首先交叉施工存在較大安全隱患,其次是相鄰的支護結構相互影響,第三是地鐵工程先于本深基坑開挖工程完成并投入運營,本深基坑工程開挖將對地鐵運行造成難以確定的影響。

基坑西面為國家電網變電區,是本片區供電的重要設施,如果深基坑開挖造成變電區設施的破壞,將嚴重影響該片區的生產和生活用電供給,社會影響面大。

基坑南面為四層樓的大型綜合購物商場,人流量大,商場建筑物基礎為淺埋天然地基基礎,其基礎對地基的不均勻沉降非常敏感,一旦本深基坑工程開挖引起過大的地基沉降,將對此大型綜合購物商場造成嚴重危害,影響其正常營業,經濟損失嚴重。

3.2 基坑支護方案

本深基坑開挖工程地質條件較好,大部分區域在埋深4 m左右以下為Q3、Q2的老粘性土,強度高,隔水性好,有利于深基坑工程開挖。但基坑開挖較深,深度達11.6～15.20 m,周邊環境復雜,無放坡條件,經慎重比選,選擇排樁+一道內支撐支護方案,技術可行,經濟合理。基坑北側因與首義路地鐵站深基坑工程臨近,且同步施工,兩側的支護墻相距極近,最近僅3.90 m,無放坡條件,必須將圍護樁頂置于地表。東側場區將作為本工程的材料堆場、加工區及辦公區,不能放坡占用場地,也須將圍護樁頂置于地表。南側和西側有一定的放坡條件,進行適當放坡,放坡后樁頂置于地表以下2.00 m,放坡坡面掛網噴射混凝土護面。西側放坡寬度較小,為了確保變電區設施的安全,在放坡坡頂插入長3 m、間距1.0 m的18號槽鋼進行加固處理。為了保持內支撐結構在同一水平面上,內支撐在南、西側支撐在排樁的冠梁上,在排樁圍護結構的北、東側除在樁頂設置冠梁外,另在支護樁內側地面以下1.50 m處設置腰梁,此兩側的內支撐設置于腰梁上。為了便于換撐和拆撐,水平內支撐結構置于地下室負二層頂板以上,支撐梁底與地下室負二層頂板面的凈間距為2.30 m。換撐及拆撐在地下室負二層頂板澆筑完成之后進行,換撐梁設置在地下室負二層頂板與圍護樁之間,按每樁一梁設置。坑內兩個電梯井的坑中坑,采用雙排攪拌樁+放坡支護結構。深基坑支護結構形式見圖1。

基坑側壁隔滲采用樁間掛網噴射混凝土止水方案,主要防止上層滯水沿樁間間隙滲入坑內。坑底隔水粘土層較厚,經驗算,可以不設降水井。坑頂四周設置截水溝攔截地表水。

3.3 設計計算

本深基坑工程設計引用標準為湖北省地方標準《基坑工程技術規程(DB42/T159—2012)》[1]及相關技術設計規范。采用的設計軟件為“天漢V2005”。

各支護段一般地面荷載按20 kPa考慮,建筑荷載按每層建筑結構20 kPa考慮,南面考慮到可能為出土方向,荷載按30 kPa考慮,西面為變電站區,因其構造物比地面高出約1.5 m,其荷載按45 kPa考慮。

根據基坑開挖深度、地質條件、周邊荷載分布等因素,將本基坑圍護工程分成AB、BC、CD、DE、EA等五個區段進行設計(見圖1),排樁圍護結構設計計算結果見表3,典型設計計算剖面見圖2。

內支撐主支撐梁斷面為800 mm×800 mm(寬×高),次支撐梁斷面為600 mm×800 mm(寬×高),腰梁斷面為1 000 mm×800 mm(寬×高)。主支撐梁最大軸力設計值為6 200 kN,最大跨度14.58 m;次支撐梁最大軸力設計值為2 000 kN;腰梁最大軸力設計值為9 183.78 kN,最大彎矩設計值1 245.06 kN·m。支撐梁的配筋見圖3。按撐桿計算的支護樁的位移量最大值為9 mm。

表3 排樁圍護結構設計結果表

注:主筋采用HRB400鋼筋,樁底4 m范圍內主筋可減半。

圖2 典型地段剖面圖Fig.2 Section of typical area

圖3 支撐梁配筋圖Fig.3 Supporting beam reinforcement drawing

立柱為井字形立柱鋼架平面420 mm×420 mm,主支采用L125×12角鋼。綴板厚10 mm,寬200 mm。立柱埋入樁內3 m,立柱計算長度按10.5 m考慮。支撐樁徑取800 mm,按凈樁長12 m考慮。經計算,立柱豎向荷載設計值1 271.7 kN,立柱樁承載力設計值為1 331.36 kN,滿足設計要求。鋼構立柱采用理正工具箱進行驗算,滿足設計要求。

4 基坑開挖施工及施工監測

本深基坑工程自2014年10月開始進行圍護樁施工,至2015年5月完成了內支撐施工,2015年7月底完成了基坑底挖土施工,2015年10月中旬完成了深基坑換撐及拆撐施工,至此,深基坑開挖得以順利完工。在整個深基坑開挖過程中,未對周邊環境造成任何影響,也未對地鐵站的施工和地鐵運營造成任何影響。

在電梯井的施工過程中,因坑中坑周邊土質強度較高,致使設計的深層攪拌樁無法施工,后修改設計,改用直接放坡及坡面掛網噴射混凝土護坡處理,施工順利。另外,因在豐水期開挖,其中一個電梯井還是發生了少量的涌水涌砂,后用快干混凝土作墊層處理,問題迅速得到了解決。

基坑開挖后的效果如照片1所示,基坑西側放坡及插槽鋼加固效果如照片2所示,換撐如照片3所示。

照片2 基坑西側插槽鋼加固效果圖Photo 2 Effect diagram of reinforcement by channel steelsat the west side of foundation pit

照片3 換撐布置圖Photo 3 Layout of changing supporting

本基坑工程開展了監測工作,基坑周邊共布設沉降監測點53個,冠梁及邊坡沉降位移點30個,軸力計11個,測斜孔13個,測點布置見圖1。

經對53個沉降監測點和30個冠梁及邊坡沉降位移點的監測結果統計,基坑周邊沉降監測點沉降量最大的是位于中百倉儲的C19號點,總沉降為8.9 mm。向坑內位移最大的是變電區W26號點,總水平位移11.7 mm,其他點的位移大多沒有超過10 mm,與撐桿軟件計算的位移基本接近。可見,本基坑開挖工程基本上沒有對周邊地面建筑物造成影響。

圖4 深部位移監測圖Fig.4 Deep displacement monitoring chart

經對13個深部位移監測資料統計,深部水平位移最大的發生在變電區的CX-12號孔,最大水平位移發生在地表以下7 m處,總位移量為16.05 mm(見圖4)。位于地鐵旁的X-1、X-2號點,最大位移僅7 mm,且發生在基坑底面以上,埋深10 m以下的水平位移基本為零,說明本基坑開挖工程對臨近的地鐵基本上沒有影響。

立柱的位移監測結果見表4。從表4可以看出,立柱都是抬升的,說明水平支撐的力起抬升作用。

表4 立柱沉降監測統計表

注:立柱沉降預警值為30 mm,正值表示上升,負值表示下沉。

監測單位提供的水平支撐受力監測結果見表5,監測的結果值可能是支撐桿件上的一根鋼筋的受荷值。

表5 水平支撐受力監測統計表

注:支撐軸力預警值為軸力設計值的70%,正值表示拉力,負值表示壓力。

5 經驗總結

通過本深基坑工程的設計和施工,取得經驗如下:

(1) 在為Q3、Q2的老粘性土中開挖深基坑,如采用排樁作支護墻,樁間距可適當加大。本工程樁間凈間距為0.5 m。

(2) 在同類地層條件下,樁間側壁止水可采用掛網噴射混凝土形式,并與挖土施工同步分層分段施工。

(3) 通過排樁和撐桿軟件計算結果、施工監測結果分析,撐桿體系應該還有進一步優化的必要。換撐可利用樓層的縱橫梁,不必每樁一撐。

6 結語

隨著大中城市正在大規模地開展地鐵建設,在地鐵線旁開挖大型深基坑工程,避免不了影響地鐵的運行安全,重點是要減小或避免深基坑開挖工程對其地基沉降造成的影響。為此,首先是要盡量減少基底隆起量,深插支護墻是一種比較有效的辦法。本基坑坑底為老粘土,周邊有圍護樁,基底主要發生回彈隆起,不會發生因圓弧滑動隆起而對地鐵線基礎產生影響。其次是盡量減少或避免基坑降水,基坑降水是引起周邊地基沉降的重要原因,本工程因基底土質條件較好,未進行基坑降水,因而也就排除了引起地鐵基礎沉降的這一重要誘因。

致謝:基坑監測數據均由華太巖土工程有限公司提供,在此表示感謝。

[1] 湖北省城鄉和住房建設廳.湖北省基坑工程技術規程:DB42/T159—2012[S].武漢:湖北省建設工程標準定額管理總站，2012.

(責任編輯：陳姣霞)

Engineering Design and Construction Case of Deep Foundation Nearthe Subway Station at Wuhan Third Yangtze River’s Terrace

YI Wanyuan， WU Lisheng， TIAN Ye

(HubeiInsitituteofUrbanGeologicalEngineering，Wuhan，Hubei430072)

The authors introduce the application of pile-strut bracing support structure in the area where near the subway line. It explores the design methods of deep foundation pit support technology and dewatering near the subway construction site，and analyzes the rationality of using pile-strut bracing support structure in this specific conditions that is in the area close to subway line. It also elaborates the importance to design pits and construction near the subway line through controlling the groundwater and displacement rate.The case has an important practical significance and implication on how to improve the support technology in similar projects.

deep foundation pit； pile support structure；engineering design

2015-12-02;改回日期:2016-04-29

易萬元(1972-),男,高級工程師,探礦工程專業,從事地基與基礎工程設計與施工管理。E-mail:53961888@qq.com

TU473

B

1671-1211(2016)05-0742-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.017

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160811.0933.026.html 數字出版日期:2016-08-11 09:33