臨近既有建筑物的地鐵深基坑支護施工技術

張高鋒

(西安市政道橋建設集團有限公司,陜西 西安 710014)

0 引言

地鐵車站工程施工時深基坑臨近既有建筑常常會引起既有建筑的過大變形和沉降,導致既有建筑出現變形和沉降報警,給既有建筑造成安全隱患,本文結合西北工業大學站深基坑近距離臨近既有建筑陜西外貿賓館施工實例,從深基坑降水、超前地層加固、鉆孔灌注樁施工控制,深基坑施工期間既有建筑變形和沉降均控制在規范和設計的預警值范圍內,可為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 車站位置和周邊環境

西安地鐵五號線一期工程TJSG-7標西北工業大學站位于西安市蓮湖區勞動南路和友誼西路的丁字路口,為西安地鐵五號線(友誼西路方向)與六號線(勞動路方向)的換乘站,兩線車站呈T型換乘。包括五號線車站、六號線車站,六號線車站站后配線明、暗挖區間、附屬工程,總建筑面積41 065.1 m2,工程合同造價3.99億元。

本站東側為西北工業大學臨街商鋪,西側由南向北的建筑物分別為西安市計量研究院、陜西外貿賓館、驪苑酒店等,其中六號線車站支護結構距陜西外貿賓館最小距離僅1.2 m。本文主要論述六號線車站明挖深基坑支護施工技術。

1.2 設計情況

六號線車站為地下兩層16 m島式站臺車站,車站總長279.8 m,標準段寬24.7 m,基坑深度17.53 m,車站結構斷面為雙柱三跨(局部單柱雙跨)地下兩層箱型框架結構。

六號線車站關鍵控制點12軸—33軸基坑長181.825 m,標準段寬24.7 m,最寬處27.3 m,基坑開挖深度17.53 m。基坑采用鉆孔灌注樁+內支撐支護形式,鉆孔灌注樁主要為直徑1.0 m@1.5 m布置;鄰近陜西外貿賓館段采用直徑1.0 m@1.3 m的鉆孔灌注樁,其中Z42—Z60段鉆孔灌注樁施工前采用水泥水玻璃雙漿液對地面下6 m～12.5 m范圍地層注漿加固;基坑內豎向設置三道內支撐,其中12軸—16軸三道全部為鋼支撐,17軸—33軸第一道為混凝土支撐,第二、三道為鋼支撐。

1.3 工程地質與水文地質

車站場地整體平坦開闊,地面高程介于404.50 m～406.00 m,相對高差1.50 m。場地底層主要由人工填土;第四紀全新世沖洪積黃土狀土、粉質黏土、砂類土;晚更新世沖洪積粉質黏土、砂類土;中更新世沖洪積粉質黏土、砂類土組成。場地內地下水屬第四系松散層孔隙潛水,場地無承壓地下水,主要含水層為全新統②-2粉質黏土、細砂、中砂,上中更新統粉質黏土和中砂。地下水位埋深11.0 m～15.8 m,標高389.0 m～393.9 m。

2 工程重難點分析

六號線車站主體基坑深17.53 m,地下水位位于地面下10 m左右,地面下7 m遇砂層。車站基坑深、降水深度大,地下管線繁多、周圍環境復雜,且在車站20軸～28軸基坑西側鄰近陜西外貿賓館,最近距離僅為1.2 m。

1)根據地勘揭露,本站站位處地下水位在地面下10 m,地面下7 m以下基本為砂層,而基坑深17.5 m,開挖期間防止涌水、流砂、樁間土流失、圍護結構變形是重點。

2)車站在陜西外貿賓館前設有臨時鋪蓋系統,鋪蓋附近懸吊管線占用基坑長約60 m,該基坑范圍內支撐需要在鋪蓋和管線下安裝,是施工的控制重點。

3)本工程六號線車站西側緊鄰陜西外貿賓館,該建筑為地上4層、地下1層的框架結構,基礎形式為柱下獨基,基礎埋深-6.6 m;車站基坑圍護樁距建筑基礎1.2 m,目前該建筑物臨街商鋪門前的裝修外立面及臺階距圍護樁邊僅剩0.2 m。施工期間保證該建筑的不均勻沉降和傾斜、開裂是關鍵。

3 施工技術

3.1 施工順序

本工程基坑支護及開挖施工步驟為:底層注漿加固→鉆孔灌注樁施工→第一層土方開挖→冠梁、擋墻施工→第一道內支撐施工→臨時鋪蓋施工(六號線車站)→第二層土方開挖→樁間網噴混凝土施工→第二道內支撐施工→第三層土方開挖→樁間網噴混凝土施工→第三道內支撐施工→第四層土方開挖→基底驗收。

3.2 施工方法

3.2.1 陜西外貿賓館前地層加固

1)注漿概況:為減小車站圍護樁施工對陜西外貿賓館建筑的影響,本站在Z42—Z60鉆孔灌注樁施工前對地面下6 m～12.5 m采用水泥水玻璃雙液漿預加固。a.注漿范圍:平面加固長度約25 m,寬度約3 m,地面下6 m～12.5 m約6.5 m深度范圍。b.注漿管布置方式:采用圍護樁內外各一排,直徑50 mm鋼管@1 000 mm、梅花形布置方式(見圖1,圖2)。

2)注漿施工:施工準備及成孔。a.測量定位:根據設計,在地面上測放注漿孔位,并用油漆做出明顯標記。b.確定注漿孔位置及鉆孔角度:根據測放出的注漿孔位置,結合地下注漿的方位,確定每個孔的入射角度。c.鉆機就位:根據標記的空位和入射角度,確定鉆機的位置,要求鉆孔時孔位偏差為±3 cm,入射角度偏差不大于1°。d.鉆進成孔:首個注漿孔鉆進時,要緩慢進行,鉆機過程中及時了解和掌握地層情況和地層對成孔的影響,確定在該地層條件下的成孔參數。鉆進過程中注意觀察孔位處溢水情況,當溢水量突然增大時,要立即停鉆,查找原因并找到應對措施后方可繼續鉆進。鉆孔時,要鉆進一段,檢查一段,發現偏差要及時糾偏,孔底位置偏差要小于30 cm。鉆孔布置注意避開管線,并不得破壞既有建筑物的基礎。當施工時遇到不明障礙物時,馬上停鉆,待查明后方可進行繼續作業,以免對地下管線造成破壞。e.回抽鉆桿:嚴格控制提升幅度,每步不大于15 cm～20 cm,勻速回抽。

3)注漿。a.漿液配比:根據設計要求本次注漿漿液采用配合比為1∶1的水泥-水玻璃雙液漿,注漿壓力0.3 MPa～0.4 MPa,水泥漿液選用42.5級普通硅酸鹽水泥配制。水玻璃采用模數2.0～2.8,濃度為40 Be。b.注漿結束標準:根據注漿壓力和注漿量來控制。一般采用定壓注漿,當注漿壓力逐步升高,達到設計終壓并繼續注漿10 min以上,進漿量小于初始進漿量的1/4,可結束本孔注漿。

3.2.2 鉆孔灌注樁施工

1)施工順序:本工程鉆孔灌注樁采取跳樁間隔施作,當日施工的樁孔間距不小于兩根樁。

2)制備泥漿的性能指標見表1。

表1 泥漿性能指標表

3)針對砂層中旋挖鉆機鉆孔的注意事項:根據地層,施工中基坑在②-3,②-5存在5 m～6 m較厚砂層,因上部為黏土層,鉆孔過程中容易造成塌孔等,施工中采取以下措施:

a.加強泥漿的比重控制,在砂性土層和含砂較重的土層使用膨潤土和黏土造漿。

b.鉆孔過程中,控制鉆機鉆進速度并密切觀察鉆機狀態,防止因鉆進速度過快、泥漿護壁不及時而發生縮孔和塌孔。

c.在鉆機提鉆出孔時,要控制鉆機提鉆速度,防止孔內泥漿劇烈涌動沖刷孔壁和護筒底部,導致護筒下沉和塌孔。

d.對圍護樁按照至少隔二打一的原則施工,減低對沙層的擾動。

3.2.3 混凝土支撐施工

六號線車站樁頂冠梁尺寸均為1 000 mm×800 mm鋼筋混凝土梁,其中6-20軸—6-28軸處基坑西側冠梁兼做鋪蓋支座。陜西外貿賓館前基坑內首道支撐采用鋼筋混凝土支撐,且該段混凝土支撐兼做臨時鋪蓋支撐梁,水平間距6 m～8.75 m,支撐截面正常段為800 mm×800 mm,鋪蓋下為900 mm×1 000 mm。混凝土支撐之間設置混凝土連梁。混凝土支撐與冠梁同時施工。

3.2.4 臨時鋪蓋施工

1)軍便梁鋪蓋施工:六號線車站陜西外貿賓館前六四式加強型軍便梁鋪蓋面積367 m2。軍用梁上鋪C30鋼筋混凝土蓋板,150 mm厚,然后鋪120 mm厚瀝青混凝土。軍便梁施工步驟如下:

冠梁、混凝土支撐及連梁施工→冠梁、支撐、連梁頂面澆筑層混凝土、預埋螺栓、鋼板及位置檢查→軍便梁構件進場→現場拼裝→軍便梁吊裝、定位、連接固定→安裝150 mm鋼筋混凝土蓋板→鋪100 mm瀝青混凝土路面→放行交通。

軍便梁各構件運至現場,采用25 t汽車吊配合人工現場完成拼裝后,吊裝就位,就位時檢查每片梁的位置,保證就位準確,間距均勻,以便于蓋板安裝。

混凝土蓋板提前預制,使用時集中運至現場安裝就位;瀝青混凝土采用機械攤鋪成型。

2)型鋼臨時路面鋪蓋施工:本工程六號線車站與陜西外貿賓館前設置有型鋼臨時鋪蓋系統,保證車站施工期間臨近商戶能夠正常營業。

鋪蓋采用Ⅰ36c工字鋼+16 mm鋼板焊接而成,跨度為6 m,鋪蓋面積393 m2; 型鋼鋪蓋采用工廠分片加工成型,運至現場焊接連接,焊縫質量等級不低于Ⅱ級。鋪蓋上部鋪裝層為80 mm厚φ10 mm@150 mm×150 mm鋼筋混凝土+6 cm厚瀝青混凝土。

3.2.5 基坑土方開挖

六號線車站基坑以臨時鋪蓋為界分別向南北開挖,鋪蓋南側由北向南開挖,鋪蓋北側土方由南向北開挖。即以鋪蓋為界分別向南北方向縱向分段、豎向分層、橫向拉槽、臺階式后退挖土,及時網噴,分臺階配合安裝鋼支撐[1]。

3.2.6 鋼支撐、鋼圍檁安裝

1)鋼圍檁施工:鋼圍檁在基坑土方開挖至支撐下0.8 m開始安裝,安裝前先在圍護樁上測放處支撐安裝標高,根據標高安裝三角支架,每個三角支架用兩根直徑φ20 mm,L=28.5 cm的膨脹螺栓固定在圍護樁上,每根鋼圍檁下三角托架數量不少于2個。三角托架安裝后進行鋼圍檁安裝,鋼圍檁由25 t汽車吊吊放至三角托架上,人工配合調直、找平,鋼圍檁之間用12 mm厚鋼板焊接連接,鋼圍檁安裝、連接后及時加設防墜落設施,并及時用C30細石混凝土對鋼圍檁后背進行回填密實。

2)鋼連系梁施工:本工程鋼連系梁采用2[40b槽鋼、縱向每隔800 mm用上下各一塊520 mm×200 mm×10 mm鋼板焊接而成。鋼連系梁安裝前需要提前在格構柱上測放出對應支撐的安裝標高線,根據測放的標高在格構柱鋼連系梁經過的兩側各焊接兩塊120 mm×150 mm×70 mm×10 mm的斜托,用于固定鋼連系梁。

3)鋼支撐施工:a.鋼管支撐的規格及拼裝:本工程所用φ609 mm鋼管支撐主要規格有活絡端1.45 m(可伸縮30 cm)、固定端(0.2 m,0.3 m,0.5 m,1 m,2 m,3 m,4 m,6 m等規格)。支撐安裝前需要測量基坑兩側鋼圍檁實際尺寸,然后根據測量尺寸及鋼管的尺寸確定鋼管規格組合,根據組合好的鋼管在基坑邊提前拼裝,安裝時將活動端、標準節及固定端各節鋼管墊平,采用法蘭連接。法蘭盤采用M24×80 mm高強度螺栓連接,拼裝完成后鋼管支撐軸線應調整在一條直線上。b.鋼管支撐安裝:鋼管支撐在鋼圍檁、鋼連系梁安裝完成后即進行安裝,支撐安裝要緊跟土方開挖進行,不得滯后。本工程鋼管支撐采用50 t汽車吊分兩段吊放安裝,首段長度大于支撐的1/2,一端放在一側鋼圍檁掛板上,一端放在鋼連系梁上,待另一段吊入基坑后,一端放在另外一側的掛板上,一端與上段在基坑中間用螺栓連接,完成整段支撐安裝。支撐安裝完成后用2臺100 t(備用1臺100 t)液壓千斤頂在活動端一側分級預加軸力至設計值并鎖定。

支撐預加軸力前,設定圍護結構支撐軸力監測點,取得初始讀數后加力,分級施加支撐軸力,先按設計的15%進行第一次軸力施加,然后按設計值的50%進行第二級軸力施加,最后施加軸力到設計預加軸力值的105%停止3 min后鎖定。支撐安裝并預加軸力后,及時加設防墜落措施并檢查鋼支撐與鋼連系梁之間的縫隙,如有縫隙采用鋼板墊實。

4 監測監控措施

1)監測等級、監測項目與監測頻率。監測等級:基坑安全等級均為Ⅰ級,明挖區間基坑監測等級為Ⅰ級。

2)陜西外貿賓館監控量測。a.監測內容:建筑物沉降、差異沉降和地面沉降。b.監測控制值見表2。

表2 監測控制值表

3)監測點位布置:地基注漿加固前,在陜西外貿賓館建筑物和地面布置建筑物和地面沉降監測點(見圖3),并采集初始值,注漿、圍護樁施工及基坑過程中嚴格監測。

4)監測頻率:注漿、圍護樁施工期間按照1次/4 h的頻率監測,基坑開挖期間按照3次/d的頻率監測,基坑開挖完成監測值穩定后可根據實際情況降低監測頻率[2]。

5 基坑降水

5.1 降水方式及降水井布置

本工程地下水位埋深約11.6 m,水位降深7.5 m,采用管井降水,在距基坑邊2 m～3 m處布置降水井(見圖4),間距20 m～30 m,井深35 m,井徑800 mm。基坑設計水位降深按基坑開挖底面以下1.0 m控制。降水井口采用50 t鑄鐵井蓋,降水井到集水管的排水管道采用直徑50 mm的聚氯乙烯管,集水管采用直徑159 mm,壁厚4.5 mm的鍍鋅鋼管,鋼管間采用法蘭連接。

5.2 降水井施工

降水井采用鍋錐鉆機成孔,主要施工步驟如下:

1)測量和臨時圍擋:降水井施工前,根據設計井位利用全站儀測放出具體位置,并在地面做出明顯標記。根據施工環境、施工機具等確定合適的圍擋范圍,安裝圍擋,圍擋后角點設置反光錐、警示燈、警示旗幟,懸掛警示標志,保證施工安全。

2)開挖探孔:成孔前人工從地面向下開挖2 m深,能夠安裝護筒的探孔,在孔底沿護筒一周間隔100 mm利用洛陽鏟探挖2 m～8 m,確定該深度范圍內的管線情況,當碰到管線時,要做出標記,根據探到的管線位置將降水井位置做適當的平移,重新探孔,保證機械成孔時地下管線的安全。

3)成孔:采用鍋錐鉆機,成孔過程中要密切觀察地層和地下水位位置,遇到砂層時要減慢成孔速度,保證成孔時盡量不發生塌孔現象。

4)濾水管安裝:管井濾水管采用無砂混凝土濾水管,成孔后及時進行濾水管安裝。安裝時在木質底座上放置井管,由人工緩緩下放,當管口較井口高出300 mm～500 mm時,接上節濾水管,接口處采用多層尼龍網纏繞緊密,豎向用3條～4條30 mm寬、長3 m的竹條沿管周布置并用不少于3道鐵絲固定牢固。

5)填濾料:濾水管放入孔內后立即對濾管與孔壁之間的縫隙填充礫石濾料。礫料為φ3 mm～φ5 mm干凈礫石。填充濾料時沿井管外四周均勻填入,隨填隨測量濾料填入高度,直至井口。

6)洗井:濾水管下放并濾料填充后,將污水泵安放入管底抽取孔內的泥漿水,抽水時隨著孔內泥漿水的減少,井周含水層中的水通過濾料及濾水管流入管井內完成,隨著抽水的連續進行,井內水逐漸由濁變清,直至清透,完成洗井。

7)水泵安裝:洗井完成后,將污水泵從井內拔出,安裝降水井用潛水泵。水泵及泵管安裝時,水泵應放置在距井底1.0 m～1.5 m處。降水時采用水位自動控制系統控制水位高低,避免因人為控制不及時而水位降深太大或太小,同時也能減少水泵損壞率。

8)井蓋安裝:水泵及管線安裝并試抽水正常后安裝井蓋,井蓋用承重為50 t的鑄鐵井蓋,輔座要坐在路基上,并在輔座下水泥砂漿找平。

9)抽降水:降水井抽水要在基坑開挖前不少于20 d開始,保證基坑開挖時基坑干燥,正常抽水后要連續抽水,中途不得無故中斷,水泵損壞或維修時要盡量減少時間。抽水開始時,要逐個檢查排水管道是否暢通,有無滲漏現象。

5.3 集水管道鋪設

沿基坑四周布設φ159 mm鍍鋅鋼管集水管,東西分別設置2個出水口與市政雨水管線連接,鋼管需暗埋處開寬300 mm、深500 mm溝槽,混凝土回填。單井用φ50 mm聚氯乙烯塑料管與集水管上φ40 mm鋼管連接,在連接處安裝φ40 mm逆向閥及截止閥各一個。當降水井設置在道路上時,將排水管直接接入就近市政雨水收水井內,管線埋入地面以下。

6 結語

1)綜合考慮西北工業大學站明挖深基坑與既有建筑物近臨的工程建設條件,在近臨既有建筑的深基坑圍護樁施工前可采用注漿的方法對既有建筑基礎范圍內進行深層加固,提高深基坑影響的既有建筑范圍內的地層強度,降低圍護樁施工時對既有建筑的沉降風險[3]。

2)從西北工業大學站深基坑施工期間的監測數據看,深基坑施工期間陜西外貿賓館最大沉降值-2.63 mm,最大地表沉降變形速率-0.01 mm/d,小于設計控制值12 mm的要求;靠近陜西外貿賓館一側的地表最大沉降值為-4.86 mm,最大地表沉降變形速率-0.02 mm/d,小于設計控制值20 mm的要求,均滿足規范和設計要求。

3)通過采用本文所述的支護形式,有效保證了西北工業大學站深基坑緊鄰的陜西外貿賓館在基坑施工期間的正常使用和安全,消除了深基坑開挖對陜西外貿賓館的影響。

4)隨著我國城市建設的快速發展,城市土地資源越來越稀缺,在中心城區向地下要空間,在既有建筑附近進行深基坑工程施工越來越多。西安地鐵西北工業大學站明挖深基坑近臨既有建筑物的工程實踐表明,所采取的基坑支護形式在深基坑支護體系中的應用是可行的,可為類似深基坑工程近臨既有建構筑物時支護設計和施工提供參考和借鑒。