地鐵車站大跨度深基坑支護(hù)技術(shù)

1、地鐵車站大跨度深基坑支護(hù)技術(shù) 地鐵車站工程施工中圍護(hù)結(jié)構(gòu)是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。本文以天津地鐵洪湖里車站為例對(duì)灌注樁加攪拌樁內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)計(jì)算、土方開(kāi)挖、支撐架設(shè)、體系轉(zhuǎn)換、信息化監(jiān)測(cè)等進(jìn)行了研究與應(yīng)用介紹。前言隨著經(jīng)濟(jì)水平和城市建設(shè)的迅速發(fā)展地下工程愈來(lái)愈多，開(kāi)發(fā)和利用地下空間的要求日顯重要。地下鐵道、地下車庫(kù)、地下商場(chǎng)、地下倉(cāng)庫(kù)、地下人防工程高層建筑的多層地下室等構(gòu)筑物日益增多。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)興建了許多大型地下設(shè)施，如北京、上海的地鐵、地下停車場(chǎng)、地下變電站和污水處理工程等，伴隨著深基坑工程規(guī)模和深度的不斷加大，開(kāi)挖深度在10m以下的基坑已不少見(jiàn)，地鐵車站的開(kāi)挖深度最大已接近20m。大量

2、深基坑工程的出現(xiàn)，促進(jìn)了設(shè)計(jì)計(jì)算理論的提高和施工工藝的發(fā)展，通過(guò)大量的工程實(shí)踐和科學(xué)研究，逐步形成了基坑工程學(xué)這一新興學(xué)科。在土木工程領(lǐng)域中，目前基坑工程學(xué)是發(fā)展最迅速的學(xué)科之一，也是工程實(shí)踐要求最迫切的學(xué)科之一?；庸こ陶_、科學(xué)的設(shè)計(jì)和施工，配合切實(shí)有效的信息監(jiān)測(cè)手段，能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)加快施工進(jìn)度、保護(hù)環(huán)境發(fā)揮了重要作用，否則將會(huì)招致嚴(yán)重的后果，大量工程實(shí)踐已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。基坑開(kāi)挖的施工工藝一般有兩種：無(wú)支護(hù)開(kāi)挖（放坡開(kāi)挖）和有支護(hù)開(kāi)挖。在城市中心地帶，建筑物稠密地區(qū)，往往不具備放坡開(kāi)挖的條件，只能在支護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)下進(jìn)行垂直開(kāi)挖。對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的要求，一方面是創(chuàng)造條件便于基坑

3、土方的開(kāi)挖，但在建（構(gòu)）筑物及地下管線密集地區(qū)更重要的是保護(hù)周圍環(huán)境，因此對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)和施工，并輔以必要的監(jiān)測(cè)手段，以確?；影踩??；油练介_(kāi)挖是基坑工程的一個(gè)重要內(nèi)容?；油练饺绾谓M織開(kāi)挖，不但影響工期、造價(jià)，而且還影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全和變形，并危及周圍環(huán)境。為此對(duì)較大的基坑工程必須編制詳細(xì)的施工方案，運(yùn)用時(shí)空效應(yīng)理論，確定挖土機(jī)械、挖土工況、挖土順序、支撐架設(shè)方法等。在軟土地區(qū)和地下水豐富的地區(qū)，土方開(kāi)挖還常常輔以基坑降水，以確?；影踩捅阌谑┕?，保護(hù)環(huán)境。在施工過(guò)程中跟蹤施工活動(dòng)，對(duì)周圍土體位移和附近建筑物、地下管線等保護(hù)對(duì)象的變形及受力情況進(jìn)行量測(cè)，所取得的數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值和

4、計(jì)算值相比較，能可靠地反映工程施工所造成的影響，能較準(zhǔn)確地以量的形式反映這種影響程度。在地下工程中，由于地質(zhì)條件、荷載條件、施工方法和外界其它因素的復(fù)雜影響，很難單純從理論上預(yù)測(cè)工程中可能遇到的所有問(wèn)題，而且理論預(yù)測(cè)值還不能全面、準(zhǔn)確地反映工程的各種變化。所以，在理論分析指導(dǎo)下有計(jì)劃地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工程信息檢測(cè)十分必要。1 工程概況天津地鐵洪湖里車站是天津市地鐵一號(hào)線工程組成部分之一，是既有地鐵線路天津西站站點(diǎn)向北延伸新建的車站，車站主體結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)175.3m，單層段長(zhǎng)66.0m，寬19.9m，雙層段長(zhǎng)109.3m，最寬處30.3m,車站設(shè)南北兩個(gè)通風(fēng)道，4個(gè)出入口。車站所通過(guò)地區(qū)為濱海平原，地形平坦

5、，房屋密集，建筑物多為平房，周圍地下管線較多。本段地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土（qh）、上部陸相層（q3h）、第一海相層（q2h）、中上部陸相層（q1h）及更新統(tǒng)海陸交互相堆積層（qp）。本工程地下水類型為第四系孔隙潛水，主要賦存于粘性土及砂類土中。地下水埋深0.92.6m（高程1.12.8m），水位變幅1.02.0m。車站基坑長(zhǎng)177.3m，深12.5m，斷面復(fù)雜，最寬處達(dá)30.7m，屬大跨度、變截面、長(zhǎng)條型深基坑（如圖1所示）。圖1 基坑平面圖2 基坑支護(hù)體系2.1支護(hù)方案洪湖里站采用明挖順作法施工，鉆孔灌注樁加水泥攪拌樁復(fù)合型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，鉆孔灌注樁為主要受力結(jié)構(gòu)，灌注樁直徑0.8m，間距

6、1.0m，采用c20鋼筋砼。500 350水泥土攪拌樁主要用于止水、抗?jié)B。支撐體系：橫撐采用62412鋼管，水平間距3.0m，豎向按基坑深度設(shè)3道；壓頂梁為寬0.9m，高1.2m的c20鋼筋砼梁；腰梁為三拼 i 36組合截面工字鋼。支撐立柱為4008鋼管，立柱基礎(chǔ)為800灌注樁；連系梁為i 36工字鋼。原方案支護(hù)型式如圖2所示，其支撐按國(guó)內(nèi)類似基坑工程的通常做法將層距控制在4.5m左右，即第二層支撐處于雙層段中層板（單層段頂板）之下，在施工側(cè)墻期間，需將第二層支撐下落，這就在側(cè)墻上增加了一道水平施工縫，增加了一步倒撐工序；跨度超過(guò)30m的支撐，為了提高其承載力，通常設(shè)置雙排支撐立柱，跨度在20

7、m左右的支撐，設(shè)置單排支撐立柱，將支撐自由長(zhǎng)度控制在10m左右，但這造成了槽內(nèi)立柱林立，嚴(yán)重制約了土方開(kāi)挖及支撐架設(shè)速度，與深基坑工程“快開(kāi)挖、快支護(hù)”的原則相矛盾。工程實(shí)施中，我們采取可行的技術(shù)措施，采用支撐布置型式如圖3所示。通過(guò)合理調(diào)整三層支撐標(biāo)高，尤其將第二層支撐調(diào)至中層板（頂板）之上，避免了支撐倒換，實(shí)現(xiàn)了側(cè)墻、中層板（頂板）同時(shí)澆注，無(wú)障礙施工，減少了一道水平施工縫，提高了結(jié)構(gòu)的整體性和自防水能力。施工過(guò)程中進(jìn)行支撐體系轉(zhuǎn)換，撤除支撐立柱，實(shí)現(xiàn)底板防水層和底板砼連續(xù)施工，減少滲漏隱患，提高了工程質(zhì)量。工程中在確保安全的前提下將雙排支撐立柱改為單排，擴(kuò)大了基坑工作空間，減少了障礙，便

8、于土方取運(yùn)，也利于改善外包防水層的防水效果，提高結(jié)構(gòu)底板的連續(xù)性與整體性。基坑采用內(nèi)井點(diǎn)降水。圖2 原方案支護(hù)斷面圖圖3 實(shí)施中支護(hù)、監(jiān)測(cè)斷面圖2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算據(jù)洪湖里站工程地質(zhì)勘察報(bào)告，地質(zhì)資料如下表：地層名稱 承載力標(biāo)準(zhǔn)值kpa 滲透系數(shù)m/d 標(biāo)貫nq3h 7.5 18.8 28.5 100 0.21 5.7q2h 13.3 19 23 90 0.22 7.7q1h 7.11 19.9 25.5 140 0.32 11.4qp 13.3 20.1 37.5 200 0.32 14地質(zhì)資料斷面簡(jiǎn)圖如圖4示：圖4 地質(zhì)斷面圖2.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算根據(jù)力學(xué)分析及土壓力的形成過(guò)程，圍護(hù)

9、結(jié)構(gòu)在基坑土方挖至5.9m，第三層支撐尚未架設(shè)和挖土至8.6m，封底砼尚未澆筑形成強(qiáng)度兩個(gè)工況內(nèi)處于最危險(xiǎn)狀態(tài)。故需要對(duì)以上兩種狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。土壓力用郎肯公式計(jì)算，偏安全起見(jiàn)，采用水土分算法。2.2.1.1 挖土至5.9m，安裝第三層支撐前，如圖5、圖6所示：圖6 荷載圖 圖5 工況圖 計(jì)算得：rb=265.4（kn/m）單撐軸力：nb=3rb=796.2（kn）=79.6（t）mmax=645.3(knm)最大彎距發(fā)生在4.3m標(biāo)高處。第二層支撐達(dá)到最大軸力。2.2.1.2成槽驗(yàn)算基坑已挖至設(shè)計(jì)槽底標(biāo)高，但封底砼尚未澆筑形成強(qiáng)度，如圖7、圖8所示：圖8 荷載圖 圖7 工況圖 計(jì)算得：rc=4

10、69.0(kn/m)；單撐軸力：nc=3rc=1407(kn)=140.7(t)mmax=296.4(knm)最大彎距發(fā)生在8.8m標(biāo)高出。第三層支撐達(dá)到最大軸力。內(nèi)力統(tǒng)計(jì)：mmax(knm) nbmax(t) ncmax(t) qmax(t)645.3 79.6 140.7 140.72.2.2抗傾覆穩(wěn)定性根據(jù)抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，灌注樁需要入土深度為8.0m，樁實(shí)際入土深度為8.8m ，故滿足要求。2.2.3基坑底部抗隆起穩(wěn)定性分析基坑的抗隆起穩(wěn)定性分析具有保證基坑穩(wěn)定和控制基坑變形的重要意義，以保證不發(fā)生基底隆起破壞或過(guò)大的基底隆起變形，故需對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算。在以往許多驗(yàn)算抗隆起安全系數(shù)的公式中

11、，很少同時(shí)考慮c、 ，顯然對(duì)于一般粘性土，在土體抗剪強(qiáng)度中應(yīng)包括c、 的因素，因此參照ptandtl和terzaghi的地基承載力公式，并將樁底面的平面作為求極限承載力的基準(zhǔn)面，工程中我們采用了同時(shí)考慮c、 的抗隆起計(jì)算法。如圖9所示。圖9 基坑隆起圖式中 1為坑外地表至支護(hù)墻底各土層天然重度加權(quán)平均值(kn/m3)；2為坑內(nèi)開(kāi)挖面以下至支護(hù)墻底各土層天然重度加權(quán)平均值(kn/m3)； c為支護(hù)墻底處的地基土粘聚力(kn/m2)； q為坑外地面荷載； h為基坑開(kāi)挖深度(m)； d為墻體入土深度(m)；nq，nc為地基承載力系數(shù)； 為支護(hù)墻底處土的內(nèi)摩擦角（度） ks為支護(hù)墻底地基承載力安全系數(shù)

12、。取ks=1.2計(jì)算得：ks=2.181.2 故滿足要求。2.2.4灌注樁配筋計(jì)算基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件為800砼灌注樁，砼強(qiáng)度等級(jí)c20，配筋形式如圖10所示：圖10 灌注樁配筋圖承載力按下列公式計(jì)算：得彎矩承載力標(biāo)準(zhǔn)值為m=800(knm)mmax=645.3(knm)，故：滿足要求。2.3 鋼管支撐計(jì)算洪湖里車站工程基坑跨度達(dá)30.7m，為了減少支撐長(zhǎng)細(xì)比，提高承載力，在基坑中間設(shè)支撐立柱，為了便于土方取運(yùn)，改善外包防水層的防水效果，提高結(jié)構(gòu)底板的整體性與連續(xù)性，將兩排支撐立柱改為一排。計(jì)算時(shí)，取支撐的最不利受力狀態(tài)即雙向偏心壓彎狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算，公式如下：經(jīng)驗(yàn)算，在最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值 即設(shè)計(jì)值n

13、c=168.8(t)時(shí)，62412鋼管支撐自由長(zhǎng)度允許值為l25.0(m)。支撐安裝架設(shè)時(shí)，采取預(yù)起拱、預(yù)設(shè)反向偏心距等措施，以減少支撐自重對(duì)其承載力的影響。3 時(shí)空效應(yīng)理論在基坑土方開(kāi)挖及支撐架設(shè)中的應(yīng)用從國(guó)內(nèi)有流變性的軟土地區(qū)，特別是近十年來(lái)關(guān)于深基坑的施工和試驗(yàn)研究中，人們認(rèn)識(shí)到基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中的每個(gè)分步開(kāi)挖的空間幾何尺寸和圍護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)挖部分的無(wú)支撐暴露時(shí)間，對(duì)基坑圍護(hù)樁體和周邊地層位移有明顯的相關(guān)性，這反映了基坑開(kāi)挖中的時(shí)空效應(yīng)的規(guī)律性。利用時(shí)空效應(yīng)科學(xué)地制定開(kāi)挖和支護(hù)的施工方案，能可靠合理地利用土體自身在開(kāi)挖過(guò)程中控制位移的潛力而達(dá)到控制槽周地層位移、保護(hù)環(huán)境的目的，從而改變目前基坑

14、中為控制槽周地層位移而采用昂貴的地基加固的做法。這是安全經(jīng)濟(jì)地解決開(kāi)挖過(guò)程中穩(wěn)定和變形問(wèn)題的一條有發(fā)展前途的新技術(shù)途徑。洪湖里車站基坑開(kāi)挖以機(jī)械挖土為主，輔以人工清槽，遵循“短開(kāi)挖、快支護(hù)、嚴(yán)治水、勤量測(cè)、分層分段、撐挖結(jié)合”的原則。先取3.6m表層土（至0.0m標(biāo)高處），修好運(yùn)土車下槽坡道，再挖0.0m5.9m標(biāo)高范圍內(nèi)的土，再由另一臺(tái)反鏟挖掘機(jī)倒挖第三層土，挖土過(guò)程中支撐架設(shè)必須及時(shí)跟上，基坑無(wú)支撐暴露時(shí)間控制在12h之內(nèi)，搶在土壓力形成之前完成支撐的安裝工作?；娱_(kāi)挖每25m為一段，成槽后在12h內(nèi)澆筑封底砼，以確?；影踩?。窄槽段采用“中心島”式開(kāi)挖方法，在挖除基坑中心島的同時(shí)，組織人

15、力安裝兩邊的腰梁，這兩步工序要同時(shí)、平行進(jìn)行，取完中心島部位土體后，及時(shí)架設(shè)鋼支撐并施加80%設(shè)計(jì)值預(yù)應(yīng)力，以控制基坑變形。如圖11、圖12所示。圖11 窄槽段挖土工況圖（縱斷面）圖12 窄槽段挖土工況圖（橫斷面）寬槽段采用“兩側(cè)島式”配合“中心盆式”開(kāi)挖，在挖除兩個(gè)“側(cè)島”土體的同時(shí)，組織人力安裝兩邊的腰梁，這兩步工序要同時(shí)、平行進(jìn)行，取完兩“側(cè)島”土體后，及時(shí)架設(shè)鋼支撐并施加80%設(shè)計(jì)值預(yù)應(yīng)力，以控制基坑變形。如圖13、圖14所示。圖13 寬槽段挖土工況圖（縱斷面）圖14 寬槽段挖土工況圖（橫斷面）實(shí)踐證明，運(yùn)用以上開(kāi)挖方法能夠有效地控制圍護(hù)樁體變形及周邊土體滑移，對(duì)減少基坑無(wú)支撐暴露時(shí)間

16、，合理組織挖土與支撐架設(shè)兩道工序的穿插與配合，確?；影踩?，保護(hù)周圍環(huán)境是有顯著效果的。4 支撐體系轉(zhuǎn)換基坑支撐體系轉(zhuǎn)換流程如下：支撐體系轉(zhuǎn)換過(guò)程要嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行，加強(qiáng)基坑監(jiān)測(cè)，保證基坑安全。實(shí)踐證明，上述體系轉(zhuǎn)換方法能夠避免支撐倒換，減少對(duì)基坑的擾動(dòng)，為緊后工序創(chuàng)造了工作面和工作空間，提高了工程質(zhì)量，是一種安全、合理、高效、經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)換方法。5 施工信息化監(jiān)測(cè)地鐵洪湖里車站地處天津市中心地帶，基坑深達(dá)12.5m，由于主體結(jié)構(gòu)的影響，三層支撐標(biāo)高的調(diào)整幅度比較大，故施工過(guò)程中進(jìn)行信息化監(jiān)測(cè)是確?；影踩闹匾h(huán)節(jié)。支護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)主要分為應(yīng)力監(jiān)測(cè)與變形監(jiān)測(cè)。變形監(jiān)測(cè)儀器主要采用經(jīng)緯

17、儀、水準(zhǔn)儀和測(cè)斜儀等，應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器主要采用應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、壓力傳感器和孔隙水壓力計(jì)等。從深基坑施工安全性考慮：灌注樁、鋼支撐是深基坑施工主要的受力構(gòu)件，其受力的大小是否符合理論計(jì)算是進(jìn)行監(jiān)測(cè)的重要目的之一，根據(jù)前述圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分析選擇8.8m標(biāo)高處、4.3m標(biāo)高處位置作為應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由于鋼支撐主要承受壓力，我們?cè)阡撝蔚亩瞬吭O(shè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。深基坑施工中必將引起基坑周圍及坑底土體的變化，其變形量的大小直接影響到周圍建筑物（構(gòu)筑物）的結(jié)構(gòu)安全，因此施工過(guò)程中在基坑周圍及坑底設(shè)立數(shù)個(gè)變形量監(jiān)控點(diǎn)。工程中的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及結(jié)構(gòu)斷面測(cè)點(diǎn)布置圖如圖15所示：圖15 監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置圖監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一覽表在這里，我們

18、選取dk1+612.00、dk1+659.00、dk1+684.00斷面測(cè)點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得出如下規(guī)律：實(shí)測(cè)值較理論計(jì)算值偏小，原因有：計(jì)算方法尚需進(jìn)一步完善；計(jì)算取值及邊界條件皆偏安全；監(jiān)測(cè)方法及手段尚需改進(jìn)；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的游離性；施工時(shí)支撐架設(shè)的及時(shí)性有差異；挖土工況與計(jì)算模型之間存在差異；現(xiàn)場(chǎng)堆載、車輛行駛、地下水、雨季及其它不確定因素的影響。在澆筑封底砼后，隨著基坑兩側(cè)土體的重新固結(jié)穩(wěn)定，灌注樁內(nèi)力、支撐內(nèi)力變化趨于平穩(wěn)且略有下降。支撐軸力在支撐安裝后72小時(shí)左右達(dá)到最大值，此后開(kāi)始略有下降。拆除第三層支撐后，灌注樁內(nèi)力及第二層撐軸力增加幅度不大，約為10%左右。地表沉陷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)歷時(shí)較長(zhǎng)，約為半個(gè)月左右，但直到回填土完成后，沉陷依然略有發(fā)展。地表沉陷量最大點(diǎn)距基坑邊緣距離近似等于基坑深度。在水泥攪拌樁截水帷幕止水效果理想的情況下，地下水位變化、基坑回彈容易控制在允許范圍之內(nèi)。在止水帷幕滲漏水量較大處，或只有八字角撐處灌注樁位移量及地面沉陷量可成倍增加。6 結(jié)論城市地鐵車站及類似的大跨度、深基坑中應(yīng)用灌注樁加攪拌樁內(nèi)撐式支護(hù)體系是切實(shí)可行的支護(hù)方案。