金 建 申

(中交投資有限公司， 北京 100029)

明挖法作為一種常用的地鐵車站施工工法，在地鐵工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，已積累了豐富的施工和安全風(fēng)險(xiǎn)管理經(jīng)驗(yàn)[1-2]。北京、蘭州等地質(zhì)條件較好地區(qū)，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)多采用灌注樁加鋼管內(nèi)支撐體系。上海、寧波等南方軟土地區(qū)，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)大都采用地下連續(xù)墻結(jié)合多道鋼筋混凝土支撐和鋼支撐組合內(nèi)支撐體系。文獻(xiàn)[3-12]通過實(shí)際工程現(xiàn)場監(jiān)測資料或數(shù)值模擬技術(shù)，研究基坑開挖方式、無支撐暴露時(shí)間、降水方式等的變化與基坑自身、周邊環(huán)境變形的關(guān)系。但是不同的地質(zhì)條件、支護(hù)體系、施工方案，施工引起的基坑自身和周邊環(huán)境變形規(guī)律也存在一定差別。

太原軌道交通2號線一期工程為山西省第一條軌道交通工程建設(shè)線路，如何快捷有效的積累經(jīng)驗(yàn)意義重大。太原市地下水位埋深淺，車站基坑開挖深度范圍內(nèi)土層主要為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土和粉細(xì)砂，其中局部粉質(zhì)黏土層和粉細(xì)砂層具有液化性，土體自穩(wěn)能力介于北京、上海兩者之間。同時(shí)，受“三面環(huán)山、北高南低、中間地層屬河漫灘和I級階地”地形地貌特點(diǎn)影響，區(qū)域水文地層性質(zhì)差異較大。本文以某站基坑監(jiān)控量測數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過反復(fù)驗(yàn)證，在基坑采用懸掛式止水帷幕+坑內(nèi)疏干降水的截排水方式下，研究該類型地層地鐵車站基坑開挖施工引起的基坑自身及周邊環(huán)境變形特點(diǎn)，為后續(xù)地鐵車站設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測工作提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

某車站結(jié)構(gòu)形式為地下兩層雙柱三跨矩形鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)島式車站[13]，采用明挖順作法施工?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)形式，輔以基坑內(nèi)疏干降水，地連續(xù)插入比在1∶0.4～1∶0.5之間，地下水位埋深3.1 m～4.5 m，屬懸掛式止水。

車站地下連續(xù)墻厚度為800 mm，車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段第3～13軸部位采用三道Φ800 mm鋼管內(nèi)支撐；標(biāo)準(zhǔn)段第13～16軸部位采用三道Φ800 mm鋼管內(nèi)支撐+一道倒撐；標(biāo)準(zhǔn)段第16～26軸部位采用四道Φ800 mm鋼管內(nèi)支撐+一道倒撐；盾構(gòu)端頭井均采用第一道混凝土斜支撐+三道Φ800 mm鋼管內(nèi)支撐+一道倒撐。車站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面圖見圖1。

圖1車站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)段3～13軸橫斷面圖

1.2 水文地質(zhì)情況

1.2.1 地層情況

本站站位屬汾河?xùn)|岸I級階地區(qū)，地勢北高南低，地面高程為794 m～797 m，鉆探揭露深度范圍的地層為第四系全新統(tǒng)填土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂土和第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、砂質(zhì)粉土和細(xì)圓礫土透鏡體[14]。

車站底板主要坐落于2-2-1粉質(zhì)黏土、2-3-1黏質(zhì)粉土。

1.2.2 水文情況

地下水為第四系松散層孔隙潛水，含水層為第四系全新統(tǒng)人工填土、沖積粉土及砂、礫石層，水位埋深3.1 m～4.5 m，高程790.024 m～793.415 m，主要靠大氣降水及側(cè)向徑流和城市供水、排水滲漏補(bǔ)給，排泄方式以蒸發(fā)、人工抽取地下水及側(cè)向徑流補(bǔ)給為主。

勘察期間穩(wěn)定水位埋深3.1 m～4.5 m，地下水位變幅0.8 m～1.4 m。

2 基坑開挖監(jiān)控量測結(jié)果及分析

2.1 監(jiān)測平面圖

監(jiān)測數(shù)據(jù)分析應(yīng)結(jié)合監(jiān)測主斷面上所有監(jiān)測項(xiàng)目對基坑的整體穩(wěn)定性和周邊環(huán)境變形情況進(jìn)行分析，由于測點(diǎn)布設(shè)原因，該站主斷面上監(jiān)測項(xiàng)目布設(shè)不全，本文就墻體水平位移、墻頂水平位移、周邊地表(管線)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

本文對該站1～13軸基坑土方開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形監(jiān)測情況進(jìn)行分析。監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖見圖2。

圖2某站主體基坑1～13軸監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖

2.2 施工進(jìn)展情況

2016年9月22日該站主體基坑開始土方開挖，開挖方向由南向北，采用中拉槽開挖方式。2016年9月22日至2016年11月29日土方開挖對應(yīng)工況見表1。

表1 主體基坑土方開挖工況表

2.3 典型測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果及分析

2.3.1 墻頂水平位移/墻體水平位移

1) 墻頂水平位移監(jiān)測結(jié)果見表2。

2) 墻體水平位移時(shí)程曲線：在此選擇三個(gè)有代表性的墻體水平位移監(jiān)測點(diǎn)ZQT-01、ZQT-03、ZQT-23隨著土方開挖的變形時(shí)程曲線進(jìn)行分析，三個(gè)測點(diǎn)的變形時(shí)程曲線見圖3～圖5。

圖3 ZQT-01監(jiān)測時(shí)程曲線

3) 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。

(1) 監(jiān)測點(diǎn)ZQT-01變形情況分析

① 該點(diǎn)墻體變形情況：該點(diǎn)處在基坑南端頭墻的中部，端頭墻總長26.2 m，兩端陰角，沿基坑深度設(shè)4道斜支撐(其中第一道為鋼筋混凝土支撐)，該種支護(hù)體系應(yīng)能較好的限制連續(xù)墻(特別是短邊)的水平位移，但是該測點(diǎn)在深度15 m處向基坑內(nèi)位移達(dá)到66.87 mm，變形值過大，且變形最大部位較正常情況偏下。

表2 樁頂水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

注：“+”值代表向基坑內(nèi)變形。

② 墻頂水平位移情況：測斜管測得的墻體變形時(shí)程曲線反映墻頂向基坑外位移10.08 mm。

③ 墻體變形過大原因分析：支撐架設(shè)滯后(且未完全到位)，每道鋼支撐架設(shè)都存在滯后情況；土方開挖過程，基坑內(nèi)積水情況較嚴(yán)重，基坑內(nèi)(含基坑外)的積水沿連續(xù)墻向下滲透，造成土體含水率增加，土體的工程性能降低，特別是造成嵌固端的土體嵌固力減弱，因而墻體向基坑內(nèi)的變形過大。

圖4 ZQT-03監(jiān)測時(shí)程曲線

圖5 ZQT-23監(jiān)測時(shí)程曲線

④ 監(jiān)測點(diǎn)ZQT-01墻頂向基坑外位移原因分析：墻頂向基坑內(nèi)水平位移監(jiān)測值最大0.2 mm(見表2)，而測斜管測得的墻體變形時(shí)程曲線反映墻頂向基坑外位移10.08 mm，分析認(rèn)為墻頂水平位移監(jiān)測值是可靠的。墻體變形時(shí)程曲線反映的墻頂向基坑外位移值存在錯(cuò)誤，分析如下：

(2) 監(jiān)測點(diǎn)ZQT-03、ZQT-23變形情況分析。

11月10日該兩測點(diǎn)所在部位土方僅開挖到基坑深度的中部，且已經(jīng)停止土方開挖，墻體變形雖然暫時(shí)穩(wěn)定，但是已經(jīng)產(chǎn)生的變形量過大，主要是施工因素所致。

① 墻體變形情況分析：兩測點(diǎn)深度12.5 m部位向基坑內(nèi)位移接近60 mm；墻頂向基坑內(nèi)位移接近20 mm，兩處變形值均過大。

圖6 第一道支撐缺失情況

圖7下兩道支撐缺失情況

2.3.2 地表(管線)沉降

地表(管線)沉降監(jiān)測結(jié)果見表3。

基坑周邊地面沉降量隨著土方開挖深度而增加，9月29日1～3軸開挖深約5 m時(shí)，變斷面以北基坑兩側(cè)的地面沉降值均很小，10月11日1～3軸開挖深8 m～12 m時(shí)，變斷面以北基坑兩側(cè)的地面沉降值開始增加，11月29擴(kuò)大端底板結(jié)構(gòu)混凝土澆筑完成，變斷面以北基坑兩側(cè)的地面沉降值達(dá)到最大值，停止土方開挖后上述地面沉降趨于穩(wěn)定(見表3)。

表3 地表(管線)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

基坑周邊地面沉降變形值遠(yuǎn)大于設(shè)定的控制值，除地質(zhì)條件因素外，主要由施工原因造成：

(1) 南端采用大鍋底形土方開挖(見圖8)方法，不符合設(shè)計(jì)要求的分段、分層開挖的要求，導(dǎo)致土方開挖過程中基坑及周邊環(huán)境急劇變形。

(2) 每步土方開挖均存在支撐架設(shè)滯后的現(xiàn)象，均未按照先撐后挖的設(shè)計(jì)要求實(shí)施(因挖掘機(jī)及運(yùn)土車輛均在基坑內(nèi)作業(yè))，擴(kuò)大端內(nèi)對撐未及時(shí)架設(shè)，不能封閉成環(huán)，起不到支撐作用，且土方超挖后，局部支撐架設(shè)仍然滯后(見圖9)。

圖8 鍋底形開挖

圖9支撐架設(shè)情況

3 監(jiān)測值超標(biāo)原因分析

通過對每日安全風(fēng)險(xiǎn)巡視情況及對應(yīng)基坑變形監(jiān)控量測結(jié)果的分析，本站基坑監(jiān)測值超標(biāo)原因?yàn)椋?/p>

(1) 支撐架設(shè)不及時(shí)。每道鋼支撐架設(shè)都存在滯后情況，擴(kuò)大端內(nèi)支撐未及時(shí)封閉成環(huán)，未按照設(shè)計(jì)圖紙要求及時(shí)預(yù)加軸力或預(yù)加軸力過小。

(2) 土方開挖方式不合理。采用鍋底土方開挖，挖掘機(jī)及渣土車均在基坑內(nèi)作業(yè)，導(dǎo)致大面積缺撐。

(3) 坑內(nèi)疏干降水效果不佳。積水沿連續(xù)墻向下滲透，造成土體含水量增加，土體的工程性能降低，基坑內(nèi)被動區(qū)土壓力減小，嵌固端向基坑內(nèi)位移。

(4) 坑邊動靜荷載影響?；觾蓚?cè)距離市政道路距離較近，東側(cè)僅2.5 m，全線北段大多數(shù)渣土及混凝土運(yùn)輸車輛從該路段通過。同時(shí)，兩側(cè)淺基礎(chǔ)建筑距離基坑南段水平距離約12 m，靜載對基坑變形存在一定影響。

(5) 工序銜接因素。施工組織不合理，土方開挖、支撐架設(shè)、結(jié)構(gòu)施作未形成流水作業(yè)。從土方開挖開始后2個(gè)月，才澆筑完成第一流水段底板澆筑，基坑大面積開挖，暴露時(shí)間過長。

(6) 水文地質(zhì)因素。車站底板主要坐落于2-2-1粉質(zhì)黏土、2-3-1黏質(zhì)粉土，其中2-2-1粉質(zhì)黏土層在呈軟塑狀，在遇水情況下，抗地連墻側(cè)向變形能力嚴(yán)重降低。

(7) 地連墻嵌固深度不足。地連續(xù)插入比在1∶0.4～1∶0.5之間，加之坑底土體本身自穩(wěn)性差，監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋地連墻墻趾向基坑內(nèi)產(chǎn)生較大位移。

4 采取的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施

為準(zhǔn)確分析引起基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形過大的主要原因，分階段采取如下措施：

措施一：基坑第二道支撐以上土方開挖采用中拉槽放坡開挖(第一道支撐由于為便于渣土車駛?cè)牖?，挖掘機(jī)能通行，局部架設(shè)不及時(shí))，第二道支撐以下土方采用垂直出土方式開挖；鋼支撐及時(shí)架設(shè)，并按照設(shè)計(jì)要求預(yù)加軸力；提前開啟基坑內(nèi)降水井抽水，盡最大可能保證坑內(nèi)疏干效果。

措施二：對基坑周邊進(jìn)行限載，限制基坑兩側(cè)重型運(yùn)輸車輛通行；加強(qiáng)現(xiàn)場施工組織管理，合理組織施工節(jié)拍，形成流水作業(yè)，在具備基坑封底條件下，及時(shí)完成底板施作，負(fù)二層側(cè)墻、中板、負(fù)一層側(cè)墻、頂板施工緊密銜接。

5 結(jié) 論

(1) 通過信息化施工管理得出支撐架設(shè)及時(shí)性及軸力預(yù)加、土方開挖方式、坑內(nèi)疏干降水效果、坑邊動靜荷載是類似地層區(qū)基坑自身及周邊環(huán)境變形控制重點(diǎn)，施工過程中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)管理。

(2) 太原地區(qū)地層性質(zhì)更接近軟土地層，基坑樁(墻)體水平位移監(jiān)測，應(yīng)以管頂為起算點(diǎn)，并將對應(yīng)墻頂水平位移值代入進(jìn)行修正。

(3) 基坑工程土方開挖作業(yè)，不宜采用中拉槽土方開挖方式，宜采用分層分段短臺階法開挖。對于較厚填土層、粉質(zhì)黏土層等不良地層土方開挖作業(yè)宜采用垂直出土方式。盡可能避免運(yùn)土車輛進(jìn)入基坑內(nèi)作業(yè)，以免影響支撐架設(shè)。

(4) 類似水文地質(zhì)基坑工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)考慮第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐、增加基坑圍護(hù)樁(墻)體嵌固深度的必要性。