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      富水砂層區(qū)地鐵車站基坑變形過(guò)大原因分析

      2019-01-05 01:32:54
      關(guān)鍵詞:墻頂架設(shè)粉質(zhì)

      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(guò)實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料或數(shù)值模擬技術(shù),研究基坑開(kāi)挖方式、無(wú)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(hào)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(kāi)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(jí)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(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),通過(guò)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(kāi)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(cè)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。基坑圍護(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(jiàn)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(jí)階地區(qū),地勢(shì)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(kāi)挖監(jiān)控量測(cè)結(jié)果及分析

      2.1 監(jiān)測(cè)平面圖

      監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析應(yīng)結(jié)合監(jiān)測(cè)主斷面上所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)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(cè)點(diǎn)布設(shè)原因,該站主斷面上監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

      本文對(duì)該站1~13軸基坑土方開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行分析。監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖見(jiàn)圖2。

      圖2某站主體基坑1~13軸監(jiān)測(cè)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(kāi)始土方開(kāi)挖,開(kāi)挖方向由南向北,采用中拉槽開(kāi)挖方式。2016年9月22日至2016年11月29日土方開(kāi)挖對(duì)應(yīng)工況見(jiàn)表1。

      表1 主體基坑土方開(kāi)挖工況表

      2.3 典型測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(cè)結(jié)果見(jiàn)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(cè)點(diǎn)ZQT-01、ZQT-03、ZQT-23隨著土方開(kāi)挖的變形時(shí)程曲線進(jìn)行分析,三個(gè)測(cè)點(diǎn)的變形時(shí)程曲線見(jiàn)圖3~圖5。

      圖3 ZQT-01監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線

      3) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。

      (1) 監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)斜管測(cè)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(guò)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(kāi)挖過(guò)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(guò)大。

      圖4 ZQT-03監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線

      圖5 ZQT-23監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線

      ④ 監(jiān)測(cè)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(cè)值最大0.2 mm(見(jiàn)表2),而測(cè)斜管測(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)ZQT-03、ZQT-23變形情況分析。

      11月10日該兩測(cè)點(diǎn)所在部位土方僅開(kāi)挖到基坑深度的中部,且已經(jīng)停止土方開(kāi)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(guò)大,主要是施工因素所致。

      ① 墻體變形情況分析:兩測(cè)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(guò)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(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

      基坑周邊地面沉降量隨著土方開(kāi)挖深度而增加,9月29日1~3軸開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)挖后上述地面沉降趨于穩(wěn)定(見(jiàn)表3)。

      表3 地表(管線)沉降監(jiān)測(cè)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(kāi)挖(見(jiàn)圖8)方法,不符合設(shè)計(jì)要求的分段、分層開(kāi)挖的要求,導(dǎo)致土方開(kāi)挖過(guò)程中基坑及周邊環(huán)境急劇變形。

      (2) 每步土方開(kāi)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(duì)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(jiàn)圖9)。

      圖8 鍋底形開(kāi)挖

      圖9支撐架設(shè)情況

      3 監(jiān)測(cè)值超標(biāo)原因分析

      通過(guò)對(duì)每日安全風(fēng)險(xiǎn)巡視情況及對(duì)應(yīng)基坑變形監(jiān)控量測(cè)結(jié)果的分析,本站基坑監(jiān)測(cè)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(guò)小。

      (2) 土方開(kāi)挖方式不合理。采用鍋底土方開(kāi)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(dòng)區(qū)土壓力減小,嵌固端向基坑內(nèi)位移。

      (4) 坑邊動(dòng)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(guò)。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(duì)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(kāi)挖、支撐架設(shè)、結(jié)構(gòu)施作未形成流水作業(yè)。從土方開(kāi)挖開(kāi)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(kāi)挖,暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

      (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(cè)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(duì)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(guò)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(kāi)挖采用中拉槽放坡開(kāi)挖(第一道支撐由于為便于渣土車駛?cè)牖樱诰驒C(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(kāi)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(kāi)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(duì)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(chǎng)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(guò)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(kāi)挖方式、坑內(nèi)疏干降水效果、坑邊動(dòng)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(guò)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(cè),應(yīng)以管頂為起算點(diǎn),并將對(duì)應(yīng)墻頂水平位移值代入進(jìn)行修正。

      (3) 基坑工程土方開(kāi)挖作業(yè),不宜采用中拉槽土方開(kāi)挖方式,宜采用分層分段短臺(tái)階法開(kāi)挖。對(duì)于較厚填土層、粉質(zhì)黏土層等不良地層土方開(kāi)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。

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