地鐵基坑地下連續墻變形規律及滲漏治理分析

郭 鑫

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

0 引言

為疏解地上交通壓力,北京市加大軌道交通基礎設施建設力度,地連墻作為重要的基坑圍護結構形式,在地鐵車站建造過程中極大節約了城市地面的占地空間。在城市核心區進行基坑開挖施工,對安全監控提出了更高的要求。所以為了保證基坑及周邊環境安全,選擇合適的地連墻厚度及接頭形式,能夠在基坑開挖過程中取得良好的風險控制效果。

1 工程概況

1.1 結構型式

本文以北京軌道交通13號線擴能提升工程中某車站及2個區間明挖基坑為例,進行對比分析。

案例1基坑概況:車站總長378.9 m,標準段寬24.74 m～30.71 m、基坑深17.5 m～19.5 m,頂板覆土約3.3 m。基坑采用600 mm地連墻(嵌固深度8.6 mm～12.3 mm),3道鋼支撐(加深段4道)+中立柱、連系梁支護體系。

案例2基坑概況:明挖區間基坑呈喇叭形狀,基坑全長97.07 m,基坑寬度18.14 m～30.61 m,基坑開挖深度約19.92 m。地連墻厚600 mm(嵌固深度9.62 m),標準段設置四道鋼支撐;南北端頭部位支撐形式采用3道鋼支撐及1道倒撐。

案例3基坑概況:明挖區間基坑長度182.9 m,寬度16.25 m～28.10 m,開挖深度為18.53 m～20.95 m,基坑采用600 mm地連墻(嵌固深度10.41 m～12.185 m)+內支撐,采用3道鋼管支撐,盾構井基坑處增加1道倒撐+中立柱、連系梁支護體系。

三個基坑案例基本輪廓及尺寸見圖1。

1.2 水文地質

三個案例基坑工程均位于永定河沖積扇中上部,開挖范圍內主要地層為雜填土、粉細砂、細中砂、粉質黏土及局部卵石圓礫。以案例一的水文地質剖面圖舉例,該區域水文及土層分布見圖2。地下水水位較高,案例基坑涉及地下水主要為潛水(二)、承壓水(三)。本文列舉三個明挖基坑案例結構底板以上水文地質情況,統計結果見表1。

表1 基坑開挖范圍涉及含水層

2 600 mm厚薄壁地連墻變形規律

案例一:車站基坑西端頭地連墻變形,根據埋設在墻體中測斜管ZQT-01-01的監測數據分析,土方開挖階段,每天變形1 mm～2 mm。墊層澆筑前,累計變形35.03 mm。因側墻結構施工,拆除第四道10根斜撐后,階段變化6 mm,拆撐后墻體24 h內趨于穩定,最終墻體累計變形44.37 mm。標準段拆第三道撐過程變形一般在5 mm～8 mm。東端頭變形最大達73 mm,變形至37 mm時,玻璃纖維筋區域出現橫向裂縫。基坑西端頭開挖各階段監測數據曲線見圖3。根據基坑周邊地表沉降數據繪制基坑周邊地表變形云圖見圖4。根據地連墻墻體變形及周邊地表變形云圖分析可知,墻體變形與地表沉降是同步變形。

案例二:以基坑南端頭墻體變形為例,根據測斜管ZQT-07-01監測數據分析。土方開挖階段,土方開挖至第三道撐位置時,累計變形32.36 mm。此時南端頭玻璃纖維筋及普通鋼筋搭接處出現裂縫,召開專家會議后,采取增設支撐的處置措施(第二道與第三道斜撐之間增設斜撐),架撐后變形趨于穩定。該案例基坑南端頭支撐間距:第一道—第二道支撐間距5.9 m,第二道—第三道支撐間距6 m,第三道至底板7.2 m。因支撐間距相對較大,在第一次增設支撐處置完成后,第三道撐以下也增設了一道支撐,因此南端頭共計五道支撐。基坑開挖各階段監測數據時程曲線見圖5。

案例三:以基坑南端頭ZQT-10-01為例,土方開挖階段共發生兩次較大變形。

第一次,土方開挖至第三道撐預埋件,階段變化11.15 mm,第三道撐架設完成后,變形穩定在35 mm左右。第二次,土方繼續開挖,開挖中心預留核心土后,階段變化5.18 mm,跟蹤監測后,墻體變形穩定在47 mm。

直至底板澆筑完成墻體變形趨于穩定,累計變形穩定在49.43 mm。其中變形至37 mm時,盾構始發洞門部位玻璃纖維筋區域出現多條橫向裂縫。拆除第三道撐時,階段變形22 mm,主要因素為支撐間距較大,第一道—第二道支撐間距6.9 m,第二道—第三道支撐間距5.7 m,第三道支撐距底板5.2 m。基坑開挖各階段監測數據曲線見圖6。

3 地連墻接縫滲水機理與處置

3.1 地連墻接頭形式

地連墻接頭形式主要分為柔性接頭與剛性接頭兩大類。一般根據地質條件、使用成本及控制變形要求來選用接頭形式。本工程案例主要運用柔性接頭中的鎖口管接頭形式。地連墻結構形式分類如圖7所示[1-2]。

本文重點對比分析鎖口管與工字鋼兩種接頭形式,首先分析鎖口管施工工藝存在如下優缺點:

1)缺點:a.成槽過程中接縫清理、刷壁不干凈,存在夾泥;b.抗剪、抗彎能力差,受力后墻體易沿圓弧面滑移變形;c.光滑圓弧面接頭形式滲透路徑短,易滲水;d.鎖口管起拔施工過程中,易產生“埋管”或“坍塌”,拔管時間難以控制。

2)優點:a.構造簡單,拼裝效率高;b.施工方便、工藝成熟;c.接頭模具可重復利用,造價低。

工字鋼接頭形式優缺點如下:

1)缺點:a.仍屬柔性接頭,抗彎性能不理想;b.接頭用鋼板增加,造價較高。

2)優點:a.明顯增長了接頭滲水途徑,且折點多,有效提高了防滲漏性能;b.墻段之間增設了一定深度的鋼筋混凝土凹凸榫,提高了剛度;c.預埋通長注漿管,提前封堵縫隙,止漿鐵皮防止澆灌過程混凝土繞流,接頭質量易保證。

地連墻鎖口管接頭形式滲流路徑示意圖見圖8,工字鋼接頭形式及滲流路徑示意圖見圖9,圖10。

3.2 地連墻接縫滲漏水原因

基坑開挖過程中,三個案例基坑地連墻接縫均出現不同程度的滲漏水情況。根據規律分析,總結出四個滲水因素:

1)施工工藝——地連墻無法一次澆筑成型,分幅澆筑必然存在接縫。2)接頭形式——柔性接頭與剛性接頭的滲流路徑不同。3)接縫處理——清理不干凈,存在夾泥。4)墻外存在水頭壓力——沖散泥皮形成滲水通道。

3.3 滲漏水處置措施

根據滲流量的大小,大致分為四級:微量、稍大、較大、突涌[3-10]。案例中,三個基坑在開挖過程中,針對不同的地連墻接縫滲水情況,分別采取了相應的處置措施。通過現場及時對滲水治理,堵漏效果較好,直至結構施工完成,原滲漏點無二次滲漏。本文將不同級別滲流量所對應的處置措施統計見表2。

表2 滲漏情況分級處置措施統計

4 風險管控措施

4.1 薄壁地連墻存在問題及補救措施

根據現場基坑開挖過程暴露的問題,統計為以下幾類:

1)地連墻接縫滲漏水;2)土方開挖放坡不規范,大開槽開挖;3)墻體變形較大;4)基坑臨邊堆載、超載;5)盾構始發區域墻體裂縫;6)拆撐時變形較大;7)局部剪刀撐架設滯后。

案例一中土方開挖前期和后期存在兩種方式,前期采用大開槽開挖方式,反壓土預留不規范,墻體階段變形較大;后期縮短開挖步距,隨挖隨撐,對控制變形效果顯著。開挖方式見圖11,圖12。

本文三個案例均出現盾構端頭地連墻的玻璃纖維筋與普通鋼筋搭接處出現橫向裂縫,以案例一為例,其裂縫位置見圖13,圖14。案例一基坑在土方開挖過程地連墻墻體變形發展快且累計變形較大,同時基坑第三道撐以下約1 m處,左、右線兩處盾構始發部位地連墻出現橫向裂縫,裂縫部位地連墻材料為玻璃纖維筋,裂縫長度2.6 m～3.1 m,寬度0.5 mm～0.8 mm,深度15 cm～20 cm。

案例二與案例三因場地限制采用龍門吊吊裝作業,坑邊無重載。而案例一采用150 t履帶吊吊裝作業,因此受坑邊重載影響較大。履帶吊經常碾壓基坑南側地表,造成地表最大沉降-105.55 mm,平均沉降-45 mm。基坑北側無車輛通過,地表沉降相對較小,最大沉降在-18.93 mm。基坑臨邊荷載影響見圖15,圖16。

針對地連墻接縫滲漏水及變形問題,可以采取以下補救措施,從而提高風險管控能力,保證基坑安全施工。具體方式如下:

1)滲漏水問題控制措施。a.地連墻墻后注漿止水;b.地連墻接縫處打設旋噴樁;c.地連墻接縫處聚氨酯堵漏;d.接縫處選用工字鋼接縫。

2)地連墻裂縫及變形控制措施。a.增設支撐或減小支撐間距;b.規范土方開挖,隨挖隨撐,適當增加支撐預加軸力;c.拆撐階段采取先卸力,根據變形監測情況再拆撐;d.盾構始發區域地連墻外側改為普通鋼筋。

4.2 600 mm厚地連墻共性特點及控制難點

本文三個案例地連墻均為600 mm厚,采用鎖口管接頭形式,基坑開挖范圍均為細顆粒地層且地下水豐富,基坑盾構端頭玻璃纖維筋與普通鋼筋搭接范圍易發生橫向裂縫,裂縫寬度一般約為0.7 mm～2.3 mm,深度約11 cm～15 cm。

地連墻滲漏水控制難點為:

1)地連墻接縫質量較差;2)基坑采用地連墻止水,坑內疏干工藝,基坑外側未采取降水,墻外水土壓力較大;3)鎖口管接頭工藝固有缺點,滲流路徑較短。

5 結語

本文通過對北京地區軌道交通工程薄壁地連墻基坑進行綜合研究發現一些規律,總結如下:

1)結合基坑施工至目前階段的變形特點,地連墻厚度600 mm,抗變形能力弱是客觀外部條件。施工過程,加強開挖與反壓土、開挖與架設支撐之間的協調關系,可有效控制開挖階段地連墻變形,大開槽斷與規范開挖及架撐段相比,測斜變形平均增大16.8 mm,施工過程建議加強施工規范性管控。

2)150 t履帶吊吊裝鋼支撐作業,長期對路面碾壓,造成基坑附近地面沉陷和墻體變形,造成多次鄰近墻體測斜監測點及地表點階段變形較大。

3)基坑盾構端頭玻璃纖維筋與普通鋼筋搭接范圍易發生裂縫。

4)地連墻接縫滲漏水易造成墻外水土流失,影響基坑圍護結構穩定性;地連墻墻后注漿止水易造成墻體變形較大,短時間內超過變形控制值。

5)基坑在拆撐過程中會有5 mm～8 mm變形,因此應控制好拆撐范圍,可以先將部分支撐卸力,根據變形情況再拆除。

建議:1)協調土方開挖與支撐架設之間關系,隨挖隨撐。2)使用龍門吊吊裝作業,合理規劃場地范圍,避免重型機械長時間停留。3)減小支撐間距,適當增加預加軸力值。4)盾構始發區域地連墻外側改為普通鋼筋。5)接縫處選用工字鋼接縫,控制注漿壓力,合理選擇注漿材料。