地鐵車站基坑施工工法比選與開挖變形特性分析

朱凱強,何 巖,劉帥磊,楊 濤

(1.中交二公局第三工程有限公司,陜西 西安 710016;2.西安工程大學,陜西 西安 710048)

0 引言

地鐵車站施工工法的選擇需考慮多方面因素的影響,如經濟效益、技術難度及工期限制等;且基坑開挖變形直接影響施工安全,需嚴格控制其沉降變形[1]。

李少波[2]依托廈門某基坑工程,針對施工過程中地鐵深基坑的變形特征問題,采用統計分析和數據挖掘的方法,開展基坑圍護結構水平位移和墻后地表沉降變形分析研究;李煒明等[3]以城市地鐵典型車站為工程背景,研究不同開挖深度下的車站基坑地下連續墻變形;焦武陽等[4]結合杭州實際基坑工程,從工程施工難點出發,總結軟土地區深大基坑開挖變形控制技術。雖不少學者對地鐵車站的監測分析進行了一定研究,但對蓋挖半逆作車站基坑監測的分析研究相對較少。

本文以西安地鐵10號線某地鐵車站基坑工程為背景,通過工法比選,結合實際工程選出合理的施工工法;同時進行現場監測分析,研究基坑開挖對圍護結構及周邊地表的變形影響,總結出基坑開挖變形規律,為今后類似工程項目提供工程經驗參考,確保施工安全。

1 工程概況

1.1 車站概況

西安地鐵10號線一期工程東風路站位于陽光大道和東風路交叉路口,車站沿陽光大道南北向布置于道路下方,如圖1所示。東風路站為地下2層島式車站,采用明挖順作法及局部頂板蓋挖半逆作法施工。車站基坑設計長度為228m,標準段基坑寬19.9m,盾構擴大段寬度為24.4m;底板埋深16.0～17.5m,頂板覆土厚度為3.55m。

圖1 區間下穿概況

1.2 地質條件

擬建東風路站區間地貌單元屬渭河一級階地及渭河漫灘區,場地地形平坦,周邊未發現影響場地穩定性的滑坡、泥石流及崩塌等不良地質作用。地面高程一般為370.620～373.850m。擬建場地地下水屬第四系孔隙潛水,其含水層主要為強透水性砂層,屬第四系全新統及上更新統。勘察期間為平水位期。地下水位埋深6.8～14.8m,根據現場調查和勘探結果分析,考慮到渭河、灞河的水位漲幅影響,渭河河漫灘水位年變幅1.66～2.34m。場地土層與半逆作車站如圖2所示,土層信息如表1所示。

表1 場地土層信息匯總

2 施工工法比選

對于地下工程施工來說,埋深較深,不允許長時間占用地面交通路面,因此常規的明挖法等不適合此工程,而蓋挖法可避免長時間占用交通路面,已成為較中意且技術成熟的工法選擇。根據地下工程結構施工工序和蓋板施工范圍的不同,將蓋挖法分為:蓋挖逆作法、蓋挖半逆作法和蓋挖順作法。

2.1 技術特點對比

1)蓋挖順作法 開挖前根據現有路面寬度,完成圍護樁或地下連續墻等擋土圍護結構后,施作蓋板支撐覆蓋在圍護結構之上,組成圍護+蓋板的結構,包括縱、橫梁和路面板置于擋土結構上維持交通,蓋板相當于臨時路面[5-6]。在蓋板下進行土體開挖和加設橫撐到底板標高;待開挖到基坑底部后,再由下至上修筑主體結構部分和防水設施;將原臨時結構拆除并回填上部覆土至地面標高。

2)蓋挖逆作法 利用地下工程主體結構的全部或部分作為支護結構,采用自上而下的施工工序:①施作中間柱,在施作立柱時,應將車站主體的圍護結構修建完成;②施作頂板,頂板一般由地面上方蓋板及梁組成;③施作中板與側墻,地下1層土方開挖后進行中板結構的施工;④施工底板與底層側墻,地鐵車站基坑開挖面大且埋深較淺,采用蓋挖逆作法施工可解決恢復路面交通的問題,占道時間短,安全性高,但其施工作業面小,進度較慢。

3)蓋挖半逆作法 一般用于結構寬度較大且有中間樁、柱存在的情況,其施工工序為:①施作圍護結構的同時進行中間樁和柱的施作,承受上部結構自重和施工荷載;②完成頂板后立即回填覆土,避免對地面的二次開挖;③自上向下逐層開挖土體,直至底板封底,再按順作順向施工車站主體,減少結構應力轉換,提升了結構的整體性和防水性能。

2.2 工法比選確定

以上施工方法各有特點,從不同的施工條件出發選擇合理的施工工法,需綜合考慮所選工法對路面交通的影響,并對經濟效益、施工難度、工期限制等指標加以控制。

1)首要考慮對路面交通的影響。采用蓋挖順作法時,主體結構施工完成后需拆除施工臨時路面并恢復填土,會對交通帶來二次影響,比逆作法和半逆作法對路面交通的干擾更大,交通恢復進度最慢。

2)對于經濟效益,蓋挖逆作法和半逆作法兩者的施工成本相差不大,但蓋挖順作法需施作臨時頂板和路面,且后期要拆除,施工成本更高。

3)3種工法施工難度側重點不同:蓋挖逆作法各工序連接施工質量較好,半逆作法對立柱與圍護結構差異沉降控制方面要求較高,而蓋挖順作法要注意監測支撐的變化、維護臨時路面,施工難度較小。

4)蓋挖順作法開挖施工進度快;蓋挖逆作法由于施工空間狹小,進度最慢;蓋挖半逆作法沒有臨時路面系統,且施工難度相對合理,施工速度最快[7]。

結合東風路車站實際工況,車站位于陽光大道與東風路交叉位置,該地段為城市主干道,對交通疏解要求高且交通流量大,優選蓋挖逆作法和半逆作法;在施工成本相近的前提下蓋挖半逆作法施工工期更短,施工進度更快;半逆作法技術難度高但隨著施工水平的不斷提升,技術問題可快速解決。因此,從路面交通影響、經濟效益、技術難度及工期限制等多因素考慮,東風路車站施工工法宜選擇蓋挖半逆作法。

2.3 方案設計

蓋挖半逆作段頂板以上區域采用鋼板樁+鋼支撐支護,φ609鋼支撐,t=16mm,水平間距約為6m;頂板以下區域采用圍護樁+2道內支撐支護,鋼支撐水平間距約為3m;蓋挖半逆作頂板承載力由板下格構柱、格構柱樁基礎及蓋挖半逆作段主體基坑圍護樁共同提供。半逆作頂板下設600mm×600mm格構柱(兼作抗拔樁),格構柱間距5.5～6.0m,樁基長度為25m。圍護樁之間采用噴射混凝土進行封閉,噴射混凝土面層平均厚度為80mm,掛網鋼筋采用植筋。

3 結果分析

沿基坑周邊靠近土體的圍護結構內側布設圍護樁監測點,間距為30m,分別布設在基坑各邊中間部位、陽角部位、深度變化部位與地質條件復雜部位等。平行于基坑邊緣布設地表監測點,不少于2排;第1排測點距基坑邊≤2m,每排測點間距10～20m;在具有代表性的基坑部位布置基坑橫向監測斷面,每個監測斷面測點≥5個;起始監測斷面與圍護樁頂位移監測初始斷面接近,約每隔30m設置一監測斷面。部分監測點位如圖3所示。

圖3 部分監測點位

蓋挖半逆作段選取多個代表性監測點進行分析,地表監測取3個測點進行分析。

3.1 圍護樁變形分析

圍護樁作為主要圍護結構,與鋼支撐共同作用,為基坑提供結構支撐,保證基坑周邊土體變形穩定。選取ZQC1,ZQC2,ZQC3,ZQC4 4個代表性時間節點的監測點數據進行分析。

圍護樁樁頂豎向位移曲線如圖4所示。由圖4可知,樁頂豎向位移以沉降為主,其中測點ZQC4范圍的基坑開挖落后于其他部位,土應力釋放滯后,造成其他部位出現沉降時,此部位沉降量多為正,反而出現隆起現象;最大沉降出現在ZQC1處,值為2.34mm,除ZQC4外,各測點在此時間節點均出現明顯沉降后又隆起,結合施工可知,此階段先完成中部土體的開挖,土應力釋放造成圍護樁沉降,后施加鋼支撐,提供支撐力,維護應力平衡[8]。在整個開挖過程中,圍護樁樁頂豎向位移遠小于樁頂豎向位移累計變形控制值,且沉降差異正常,滿足施工控制要求。

圍護樁樁頂水平位移曲線如圖5所示。由圖3,5可知,圍護樁樁頂水平位移測點ZQC1,ZQC2與ZQC3,ZQC4分別位于基坑南北兩側,圍護樁整體位移以基坑中心軸為基準向基坑內側偏移,呈現對稱變化規律。最大變形值為4.12mm,位于ZQC4測點處,且小于預警值。對比測點ZQC1,ZQC3發現,隨著基坑開挖的進行,圍護樁樁頂水平位移不斷增大,這是由于半逆作工法在基坑開挖完成后便進行了車站底板等結構的施工,及時提供支撐剛度,在外側土壓力作用下,樁頂向基坑內側偏移;位移變形在0～4mm間浮動,基坑開挖對樁頂水平位移的影響較小。

圖5 樁頂水平位移曲線

位移變形值驟減均發生在3次鋼支撐架設的時間節點上,說明在基坑開挖施工過程中,支撐架設對位移控制十分重要,因此在施工過程中要及時架設支撐,有效控制圍護結構的變形[9]。

3.2 地表變形分析

圖3中的12個監測點沿基坑縱向分布,其中DBC1-2,DBC2-2,DBC3-3,DBC4-3 4個測點的豎向位移隨基坑開挖以隆起為主,其余測點的豎向位移以沉降為主,選取DBC2,DBC3的位移值進行分析,如圖6,7所示。測點越靠近基坑,豎向位移下沉幅度越大,最大變形點為DBC3-1,沉降值為4.46mm;基坑南側隆起位置比北側更靠近基坑,排除周邊建筑物、地質條件等其他因素影響,由于北側測點以北的地下管線改遷施工也進行了部分土體開挖,使其北側DBC3測點部位土應力釋放多于南側,造成土體隆起不明顯且位移變形值更小;每一步工序的進行都會相互產生影響,在施工中要提前對有關因素進行多方面考慮,保證施工安全[10]。

圖6 監測點DBC2位移

由圖6,7可知,2022年4月16號前,前期基坑土體多次開挖,地表沉降變形明顯快速增大,當基坑底部土體開挖完成,沉降達到最大值,在之后的車站底板等結構施工過程中,基坑變形有所回升,車站結構對地表沉降變形有很大的限制作用。從監測資料統計分析,這12處及周邊其他測點的地表累計沉降變形值均小于5mm,遠小于變形控制值。

4 結語

1)結合實際基坑開挖工程,要考慮路面交通影響、經濟效益、技術難度及工期限制等多因素的影響,從不同的施工環境出發選擇最合理的施工工法。

2)通過現場監測分析,基坑開挖施工造成圍護結構向基坑內部偏移,整個開挖過程中,土應力釋放造成圍護樁沉降及周邊地表產生隆起與沉降。因此,支撐架設要及時跟進,維護應力平衡;同時,半逆作施工速度快,車站結構及時施工發揮出了對開挖變形的限制作用,保證施工安全。

3)基坑開挖安全至關重要,結合西安地鐵某車站基坑工程,施工工序之間聯系緊密,相互影響,因此施工中要提前對有關因素進行多方面的考慮。