鄰近敏感建筑基坑開挖施工技術(shù)

黃 鋒

(中鐵十六局集團第一工程有限公司,北京 101300)

隨著國內(nèi)城市公路、軌道交通以及基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，道路工程將會出現(xiàn)復(fù)雜情況特別是多條不同類型線路立體交叉，而且周邊建筑物情況更趨復(fù)雜[1-3]。大多數(shù)在軟土地層中開挖的基坑，按照一般的常用理論對施工方法、圍護結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定性分析即可解決工程建設(shè)中出現(xiàn)的問題。

在建深圳機場站設(shè)計起點里程為DK82+949.0，終點里程為DK83+861.0。車站基坑長約912 m，標準段基坑寬度為23.34 m，深度為19.9 m，為地下雙層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，采用明挖法施工，現(xiàn)場情況如圖1所示。

圖1 二號基坑現(xiàn)場情況

蓄冷水罐影響范圍內(nèi)基坑(以下簡稱二號基坑)位于深圳機場站整體基坑的中部，該基坑?xùn)|臨深圳寶安機場領(lǐng)航四路(最近距離1.8 m)，西臨機場能源中心蓄冷水罐(最近距離3.4 m)。二號基坑全長152.5 m，里程DK83+244.5～DK83+397。基坑深度約19.9 m，標準段寬度23.34 m，擴大段寬度24.86 m(長約44.4 m)。該區(qū)域共有4組蓄冷水罐，每組蓄冷水罐直徑為26.5 m，高度為30 m，每組運行總重為14 500 t。蓄冷水罐距離車站側(cè)墻最近距離約3 m，其基礎(chǔ)形式為預(yù)應(yīng)力管樁，樁長30 m左右，進入全風(fēng)化不小于3 m，或進入強風(fēng)化不小于0.6 m。

二號基坑比較復(fù)雜，具有其他基坑沒有的特點，這些因素可能會使得在基坑開挖過程體現(xiàn)出與其他不具備此特性的基坑的力學(xué)行為特征，而且其作用效果并非僅為簡單的疊加效應(yīng)，而是有可能成幾何級數(shù)增加，從而不但大大增加施工過程的工程本身邊坡穩(wěn)定的不確定性，還嚴重影響周邊道路及建筑物特別是蓄冷水罐的安全。如何施工才能確?；娱_挖安全，是急需要解決的一大難題。

1 工程施工條件難點分析

1.1 地質(zhì)條件極差

工程區(qū)域主要為濱海堆積平原地貌，后成為深圳寶安機場擴建區(qū)，現(xiàn)場址為機場出場路。本場地地表普遍分布人工填土，其構(gòu)成主要有黏性土、砂土以用碎、塊石等三種成份，其性質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)松散，為不良地基土。

1.2 基坑規(guī)模大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜

深圳機場站開挖基坑長約912 m，標準段基坑寬度為23.34 m，深度為19.9 m，為地下雙層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，采用明挖法施工。由此可知，開挖規(guī)模龐大，尤其值得注意的是，開挖后除了會使基坑及周邊建筑的樁基周圍土體力學(xué)指標發(fā)生弱化會影響諸如蓄冷水罐基礎(chǔ)承載力以外，還會在一定時間內(nèi)發(fā)生蓄冷水罐出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象，進一步加重不均勻受力，這給開挖施工、結(jié)構(gòu)圍護、地基穩(wěn)定造成極大影響，稍不注意就難以保證基坑施工和建筑結(jié)構(gòu)的安全。因此對支護結(jié)構(gòu)提出兩個要求：第一，保證支護結(jié)構(gòu)的隔水效果，控制罐體周邊地下水位的穩(wěn)定。第二，保證支護結(jié)構(gòu)的強度，控制支護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。

1.3 基坑側(cè)向偏壓嚴重

因砂性土層的滲透系數(shù)較大，將水、土壓力分開計算，土壓力采用朗肯土壓力，水壓力則采用全水壓力，結(jié)合以往經(jīng)驗[4-5]，計算如下

Pa=∑rihitg2(45°-φ/2)-2citg(45°-φi/2)

=2×19×tg2(45°-15/2)-2×18×tg(45°-15°/2) +

10×20×tg2(45°-40°/2) =15 kPa

(1)

式中：ri為地下水位以上的土層用天然重度，地下水位以下的土層用浮重度，kN/m3；

hi為各層土的厚度，m；

ci為各層土的粘聚力， kPa；

φi為各層土的內(nèi)摩擦角，°。

水壓力：地下水位穩(wěn)定的地下結(jié)構(gòu)物的側(cè)向水壓力可按靜水壓力確定,水壓力強度根據(jù)帕斯卡定理計算：

pw=hwγw=9.8×10=98 kPa

(2)

式中：pw為側(cè)向靜水壓力的強度值；

hw為水頭高度，即地下水位到計算點的垂直距離；

γw為水的重度。

附加荷載為：

基底附加壓力：

p0=P/A=39181/(12.5×8.2)=382.25 kPa

(3)

附加土壓力：

=(20+382.25×0.5/20)×12×

tg2(45°-15/2)-2×18×tg(45°-15°/2)

=181.2 kPa

(4)

基坑側(cè)向土壓力：p=15+98+181.2 =294 kN

通過理論計算，計算基坑開挖條件下，不同支護參數(shù)的支護效果，提出合理的支護方案。

1.4 砂卵地層降水及流沙條件下的強度損失

基坑降水過程中，很可能對蓄冷水罐一側(cè)造成流沙現(xiàn)象的發(fā)生，使持力層強度損失，罐體沉降增加。因此，需要控制基坑單側(cè)降水時對另一側(cè)的影響，避免流沙現(xiàn)象的發(fā)生，保證持力層的強度，減少蓄冷水罐沉降量。

2 基坑降排水施工

2.1 基坑頂截水施工

2.1.1 基坑頂截水布置原則

基坑開挖過程中，做好基坑頂?shù)呐潘ぷ鳎谟昙臼┕r準備足夠的抽水設(shè)備，并做好基坑外的排水、截水工作。

為防止地表水流入基坑，擋土墻高出地面0.3 m，基坑?xùn)|側(cè)頂部高于領(lǐng)航四路，設(shè)置擋土墻高于地面30 cm，雨水經(jīng)過沉淀后排入領(lǐng)航四路市政管道。

在地表的四周沿施工便道環(huán)形設(shè)置明排水溝300 mm×300 mm(深×寬)，并經(jīng)過三級沉淀池(尺寸為1 000 mm×1 000 mm)沉淀后，集中排入市政污水管線內(nèi)。基坑西側(cè)在便道外側(cè)設(shè)置截水溝，地表雨水流入西側(cè)沿著便道設(shè)置的排水明溝，在施工圍擋東西兩端各設(shè)置一組三級沉淀池，將截水先排至沉淀池使基坑內(nèi)排水經(jīng)過三級沉淀后，排入市政污水管網(wǎng)中。

2.1.2 截水溝構(gòu)造及施工方法

按照深圳市相關(guān)氣象記錄，日降雨量(12 h)超過140 mm，即為特大暴雨計算。

排水溝斷面尺寸0.3 m×0.3 m，采用磚砌，墻厚0.1 m。沉淀池采用三級沉淀的形式，尺寸9.96 m×4.48 m×1.5 m。墻體采用磚砌，厚度為0.24 m，蓄水量36 m3。沉淀池與雨水管的出水連接管采用d500雙壁波紋管。

2.1.3 坑外排水及防止基坑灌水措施

為了保證基坑支護的安全，確保正常施工，雨期施工前，需進行以下措施：

(1) 完善施工場地的排水系統(tǒng)，保證排水通暢，并采取良好的擋水措施，以阻止地面水流入基坑內(nèi)。

(2) 基坑導(dǎo)墻施工時施做截水溝，防止雨水進入坑內(nèi)，隔一定距離設(shè)置沉淀池，基坑四周匯集過來的水經(jīng)過截水溝流入沉淀池，再由沉淀池排至雨污水管網(wǎng)系統(tǒng)。

(3) 在雨期期間，加強值班及收聽天氣預(yù)報，下雨之前清理集水坑及排水溝，預(yù)備好潛水泵等抽水工具，雨后及時組織人力、物力進行坑內(nèi)抽、排水工作及基坑四周積水的疏通工作。

2.2 基坑內(nèi)降水施工

基坑開挖前20天應(yīng)采取內(nèi)井點對坑底進行預(yù)降水、疏干，以加固坑內(nèi)土體，基坑降水深度應(yīng)控制在坑底以下1.5 m。本段基坑范圍內(nèi)降水井施工參數(shù)參照相鄰1#基坑降水井，井內(nèi)降水設(shè)備采用4 kW潛水泵，揚程38 m。降水與基坑開挖同步，分層降水。

2.2.1 降水井位置及數(shù)量設(shè)計

根據(jù)合同文件提供的地質(zhì)資料得知深圳機場站需要布置109口降水井，其中二號基坑需布置17口降水井，機場站降水井平面布置見圖2所示。

圖2 降水井平面布置

2.2.2 降水井施工

2.2.2.1 結(jié)構(gòu)尺寸

鋼筋籠內(nèi)徑采用φ400 mm鋼筋籠，外包鐵絲網(wǎng)和60目尼龍網(wǎng)2層，并用12#低碳鋼絲扎緊；井管底部用數(shù)條鋼筋焊死，并包兩層鐵絲網(wǎng)。主筋與箍筋、加強箍筋之間點焊，連接成骨架。濾管與井壁間用粒徑5～15 mm的圓形、亞圓形砂卵石濾料填放至距地面500 mm后，用水沖洗，以保證濾料下沉密實。深井深度基本在基坑底板下1.5 mm，必須保證降水效果。井口500 mm范圍內(nèi)用黏土回填夯實。降水井管井安裝及構(gòu)造如圖3所示。

圖3 降水井管井安裝及構(gòu)造

2.2.2.2 施工工藝

(1)定井位：根據(jù)降水設(shè)計方案提供的井位圖、地下管線分布圖的位置，在保證降水效果的情況下，對井位和井間距做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。正常情況下井位偏差不大于50 mm，若遇特殊情況(比如地下障礙、地面或空中障礙)需調(diào)整井位時，應(yīng)及時調(diào)整。為保證安全，定井位后挖探坑以查明井位處有無地下管線、地下障礙物，深度以挖(或釬探)到地層原狀土為準。

(2)埋設(shè)護筒：為避免鉆進過程中循環(huán)水流將孔口回填土沖塌，鉆孔前埋設(shè)鋼護筒。深度視地層情況而定。在護筒上口設(shè)進水口，并用黏土將護筒外側(cè)填實。護筒必須安放平整，護筒中心即為降水井中心點，當(dāng)上部回填土顆粒較大時，則采用人工挖孔護壁，防止鉆孔內(nèi)漿液的流失，保證鉆進正常進行。

(3)鉆機就位、調(diào)整：鉆機就位時調(diào)整鉆機的平整度和鉆塔的垂直度，對位后用機臺木墊實，以保證鉆機安裝平穩(wěn)。

(4)鉆孔：在鉆孔過程中保證孔內(nèi)泥漿液面高度與孔口平，嚴防塌孔。在地層條件允許的情況下，盡量使用地層自造泥漿成孔，若鉆孔通過易塌孔的流砂層或泥漿漏失嚴重的地層時，采用人工造漿護壁鉆進，泥漿比重調(diào)至1.1～1.3。

(5)換漿：鉆孔至設(shè)計深度以下0.5 m左右，將鉆頭提高0.5 m，然后用清水繼續(xù)反循環(huán)操作替換泥漿。

(6)下鋼筋籠：鋼筋籠下方前檢查鋼筋籠是否已按設(shè)計要求包纏尼龍紗網(wǎng)和鐵絲網(wǎng)，以防地層中細砂層流失，造成地面下沉。鋼筋籠確保在井孔居中不歪斜。

(7)填濾料：填料從井四周均勻緩慢填入，避免造成孔內(nèi)架橋現(xiàn)象，洗井后如發(fā)現(xiàn)濾料下沉及時補充濾料，填料高度嚴格按設(shè)計要求執(zhí)行。減壓井井點從井底向上至濾水管頂部均填濾料；在濾水管以上采用優(yōu)質(zhì)粘土，并做好井口封閉工作。

(8)洗井： 采用壓風(fēng)機洗井，當(dāng)井內(nèi)存水不夠時及時注入清水。對于不同含水段采用雙隔離塞水氣方法沖洗，達到水清砂凈為止。

(9)安裝潛水泵及管路系統(tǒng)：安裝前檢查電機和泵體，確認完好無誤后方可安裝，潛水電機、電纜和接頭的絕緣安全可靠，并配有保護開關(guān)控制，以確保安全運行。注意在抽水過程中電纜與管道系統(tǒng)不被挖掘機、吊車等碾壓、碰撞損壞，現(xiàn)場在這些設(shè)備上進行標識。

(10)試抽：洗井后，對降水井進行單井試抽，如有異常情況，重新洗井，并再次進行抽水試驗。洗井結(jié)束后，待水位恢復(fù)可按設(shè)計下泵，下入深度宜在濾水管下半部分，以保證足夠的降深。排水管道及電源線路一定要先連接好，試抽3 h，測定井內(nèi)水位及觀測孔水位變化，安裝水表測流量，預(yù)估降水試驗運行途徑，等水位恢復(fù)后，進行抽水試驗，確定降水能力、降水速度。

2.2.2.3 基坑內(nèi)排水

由于降水不可能將土層中所有地下水均疏干，所以在車站明挖施工時，每個集水井配備一臺水泵，保證做到隨集隨排，排水溝、集水井如圖4所示。

圖4 排水溝、集水井布置

3 土方開挖及支護

基坑開挖采用明挖法，開挖要在蓄冷水罐保護加固及圍護結(jié)構(gòu)施工完成后進行。開挖過程中始終堅持分層、分塊、對稱、平衡、限時開挖、隨挖隨撐的原則，盡可能減少基坑開挖面上圍護結(jié)構(gòu)的無支撐暴露時間及變形。

(1) 土方開挖和支撐架設(shè)方案根據(jù)基坑周邊環(huán)境允許的變形限度來控制。

(2) 根據(jù)“時空效應(yīng)”的原理來確定基坑開挖與支撐架設(shè)采用分層、分步、對稱、平衡、隨挖隨支的施工方案，盡可能減少開挖過程中土體擾動的范圍以及圍護結(jié)構(gòu)無支撐暴露的時間。

(3) 基坑開挖施工為二號基坑施工中一個最重要的工序，施工中必須嚴格按照施工規(guī)范操作，在開挖過程中掌握好“分層、分步、對稱、平衡、限時”五個要點，遵循“豎向分層、縱向分區(qū)分塊、隨挖隨支”的施工原則。

(4)基坑開挖從上到下分層、分段、分塊進行。分層開挖厚度以各道支撐深度方向的間距和抽槽機械最小限高為依據(jù)，分塊長度根據(jù)土方開挖能力及支撐安裝速度確定。

4 結(jié)論

深圳機場站工程項目是一個典型的在復(fù)雜地質(zhì)地層中修建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的綜合型工程，由于地質(zhì)條件復(fù)雜且偏弱、施工空間狹小以及施工工期等因素影響?；诖耍Y(jié)合本工程開挖的地質(zhì)、工程本身結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境等工程實際情況，運用地下工程、基坑開挖與圍護理論及方法，所得結(jié)論如下：

(1) 工程處于含水軟土地層，地下水對基坑開挖施工有很大不利影響，采用旋噴樁不僅隔水效果好，而且兼做圍護結(jié)構(gòu)強度大，且首次在軟土地層使用，對以后類似工程地質(zhì)施工有借鑒意義。

(2)基于特殊條件和鄰近敏感建筑的安全標準，滿足大規(guī)模基坑明挖施工要求的降排水技術(shù)非常復(fù)雜且困難，一旦處理不當(dāng)則會加大土層不均勻沉降造成高敏感建筑結(jié)構(gòu)損傷或運營不安全。

(3)由于工程施工工況條件復(fù)雜，施工難度大，自身穩(wěn)定及周邊建筑物保護要求高，對工程施工過程技術(shù)還有待于今后進一步研究。

[1] 賈夫子,王立峰,逯武全, 等.基坑開挖對近鄰地鐵車站和隧道的影響[J].巖土力學(xué),2016,37(S2):673-678+714.

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