TRD工法聯(lián)合伺服鋼支撐在地鐵深基坑中的應(yīng)用

劉成濤

(中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300)

1 引言

隨著城市建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，土地資源日益奇缺，地下空間合理利用的重要性日益顯著，深基坑開挖工程越來越多[1]?；庸こ掏ǔ＞o鄰周邊建筑物、交通要道及各類地下管線，在軟土地區(qū)深度大于6 m的基坑支護(hù)通常采用豎向加水平向支護(hù)，基坑場地的土層性質(zhì)、開挖順序、土體靈敏度等因素在設(shè)計時均需全面考慮[2－6]。基坑開挖過程中會引起天然土體應(yīng)力的重分布，進(jìn)而引起周圍地面沉降、深部地層移動、圍護(hù)與支撐結(jié)構(gòu)過大變形等?；幼冃螌χ苓叚h(huán)境的影響較大，尤其基坑開挖周圍存在重要的管線及需要保護(hù)的構(gòu)筑物時，對基坑變形控制要求較高[7－10]。

在軟土區(qū)地鐵深基坑開挖中，雖然傳統(tǒng)的三軸攪拌樁、SMW工法和地下連續(xù)墻等施工方法使用較多且技術(shù)成熟，但其局限性給施工帶來一些難以克服的問題。TRD工法(Trench cutting Re-mixing Deep wall method)由于其具有優(yōu)異止水性能并可有效控制深層土體位移，對環(huán)境敏感的深基坑工程有較大的優(yōu)勢，且其自身工藝不斷改進(jìn)，較好彌補(bǔ)傳統(tǒng)工法的不足，在地鐵深基坑開挖中得到越來越多使用[11－13]。與此同時，隨著地鐵深基坑開挖過程中對周圍環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，傳統(tǒng)地鐵深基坑鋼支撐在開挖過程中的軸力損失問題也得到了越來越多的重視，伺服鋼支撐軸力補(bǔ)償系統(tǒng)可有效減小開挖過程中鋼支撐軸力損失，因而逐步得到廣泛應(yīng)用[14－15]。

寧波錢湖南路地鐵深基坑位于深厚軟土區(qū)，采用了TRD型鋼水泥土攪拌墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，部分支撐采用了伺服軸力補(bǔ)償系統(tǒng)的鋼支撐。結(jié)合開挖過程中實測數(shù)據(jù)的對比分析，總結(jié)了施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)和深層土體的變形特性，為今后類似基坑工程的施工安全積累經(jīng)驗，更好地指導(dǎo)并完善該地區(qū)類似的基坑施工。

2 工程背景

2.1 工程概況及周邊環(huán)境

錢湖路東下穿通道敞開段位于鄞縣大道與錢湖南路交叉口東側(cè)，沿鄞縣大道東西向設(shè)置，車站為地下三層島式站臺車站，位于鄞縣大道路中，與下穿隧道整體共建，下穿隧道為雙向六車道，車站與隧道同寬。地下一層為下穿通道(沿鄞縣大道東西向與地鐵同向)。錢湖路下穿通道全長549 m，其中暗埋段全長309 m，下穿通道與軌道車站疊建段全長177.8 m，暗埋段下穿錢湖路。西側(cè)敞開段長122 m，暗埋段長72.51 m；東側(cè)敞開段長118 m，暗埋段長58.69 m。

站址周邊建(構(gòu))筑，東北象限為市政廣場，西北象限有中國電信大樓，西南象限有萬里學(xué)院，其8號樓、9號樓與報告廳基礎(chǔ)型式采用沉管灌注樁，樁徑φ426 mm，樁長為20.0～21.5 m，東南側(cè)為公園，內(nèi)有人工湖。中國電信大樓距離基坑為42.6 m外，其余建(構(gòu))筑物與開挖邊界的距離均大于2倍基坑深度；因本車站跨錢湖南路路口設(shè)置，為不影響錢湖南路交通，基坑在錢湖南路路中位置設(shè)置封堵墻，分兩期進(jìn)行施工。一期先施工車站位于錢湖南路西側(cè)部分，錢湖南路交通臨時通過道路東半幅進(jìn)行導(dǎo)改。二期在一期施工完成覆土后，施工車站位于錢湖南路東側(cè)部分，借用道路西側(cè)進(jìn)行交通導(dǎo)改，基坑位置及周邊環(huán)境詳見圖1。

圖1 地鐵深基坑平面位置

2.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)場地勘察報告揭露的地層，工程側(cè)壁主要土層參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐形式的選擇

該地鐵車站主體基坑凈長177.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑凈寬27.90 m，深度23.14～23.43 m；端頭井基坑凈寬31.80 m，西端頭井基坑深度25.16 m，東端頭井基坑深度24.81 m，下穿通道基坑寬30 m，基坑深度7.5～11.5 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用TRD型鋼水泥土墻，支撐結(jié)構(gòu)采用混凝土支撐與鋼支撐兩種支撐形式。

3.1 TRD型鋼水泥土攪拌墻

該地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用TRD型鋼水泥土攪拌墻，該施工方法利用鏈鋸式刀具豎直插入地層中，然后橫向掘削成槽后注入固化劑與原位土體攪拌混合，形成等厚度連續(xù)水泥土攪拌墻體后，在墻內(nèi)插入型鋼形成等厚度型鋼水泥土攪拌墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TRD型鋼水泥土連續(xù)攪拌墻示意

TRD型鋼水泥土連續(xù)攪拌墻按照三工序施工方法由一端向另一端循環(huán)往復(fù)施工，每一循環(huán)可按照8～10 m進(jìn)行施工。掘進(jìn)施工步驟:

(1)先行挖掘。預(yù)定施工位置切割箱下放至設(shè)計深度后，轉(zhuǎn)動切割刀具至施工位置，橫向移動刀具進(jìn)行土體切割，并在切割刀具端頭向土體內(nèi)噴切削液和高壓空氣，先行挖掘土體。

(2)回撤挖掘。先行挖掘至一個進(jìn)尺距離后回刀繼續(xù)切割土體，并在切割刀具端頭向土體內(nèi)噴切削液和高壓空氣，回刀切割至距前一循環(huán)墻體施工接頭300～500 mm位置，保證搭接質(zhì)量。

(3)成墻攪拌。再次回刀切削土體，在切削的同時注入水泥漿和高壓空氣，攪拌成樁。

一段墻體施工完成后，進(jìn)行切割箱的拔除，拔除流程與安裝流程相同，每提升拆除一節(jié)切割箱的同時，尚應(yīng)及時注入水泥漿，防止拆除切割箱產(chǎn)生負(fù)壓影響墻體質(zhì)量。

下穿通道段圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用TRD型鋼水泥土攪拌墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑寬30 m，基坑深度7.5～11.5 m，TRD墻寬850 mm，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻量25%。內(nèi)插型鋼采用HN型鋼，高度為700 mm，寬度為300 mm，腹板厚度為13 mm，翼緣厚度為24 mm，樁長20 m、24 m、30 m。

3.2 支撐結(jié)構(gòu)類型

該地鐵深基坑標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)置七道支撐加一道換撐，第一道支撐和第五道支撐為鋼筋混凝土支撐，其余支撐為鋼支撐，基坑支護(hù)布置平面見圖3。

圖3 支護(hù)型式布置平面圖

因該地鐵深基坑周圍環(huán)境復(fù)雜，基坑開挖過程中，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和變形控制要求更高，應(yīng)該控制基坑開挖所帶來的變形以及產(chǎn)生的坑外地層沉降，以滿足周邊環(huán)境的保護(hù)要求。為此，鋼支撐伺服軸力補(bǔ)償系統(tǒng)成為比較好的一種選擇。

鋼支撐伺服軸力補(bǔ)償系統(tǒng)通過監(jiān)測反饋及時調(diào)控支撐軸力大小，將軸力控制在設(shè)定范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的控制。鋼支撐伺服系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成，通過終端控制、電控柜、控制中心、補(bǔ)償節(jié)等實現(xiàn)對基坑圍護(hù)的24 h自動調(diào)節(jié)。寧波地鐵5號線錢湖南路地鐵深基坑，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度5.01～11.5 m范圍內(nèi)部分采用了鋼支撐伺服系統(tǒng)，典型伺服端頭、結(jié)構(gòu)組成及布置形式如圖4所示。

圖4 伺服鋼支撐

第一道鋼筋混凝土支撐尺寸為高度800 mm、寬度1 000 mm，冠梁、第一道鋼筋混凝土支撐強(qiáng)度等級為C30，墊層采用C30早強(qiáng)混凝土；第五道鋼筋混凝土支撐尺寸為高度800 mm、寬度1 000 mm，壓頂梁、第五道鋼筋混凝土支撐強(qiáng)度等級為C35。第二、三、四道支撐為直徑609 mm的鋼支撐，第六、七道支撐為直徑800 mm的鋼支撐；設(shè)置第六道支撐為直徑609 mm的鋼支撐換撐。其典型支護(hù)剖面如圖5所示。

圖5 支護(hù)型式布置剖面圖

4 工程實測數(shù)據(jù)分析

4.1 基坑監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)基坑開挖實際情況，開展對周邊環(huán)境監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括周邊建筑物垂直位移、傾斜、裂縫監(jiān)測，地下綜合管線水平位移監(jiān)測及周邊地表沉降監(jiān)測。對基坑圍護(hù)體系監(jiān)測，包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移及沉降；圍護(hù)結(jié)構(gòu)深部變形及深層土體水平向變形，支撐軸力變化，立柱樁豎向位移。本文僅選取典型斷面的深部圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

4.2 深層土體位移對比分析

測斜孔CX1位于東下穿通道，開挖過程中未施加伺服軸力，測斜孔CX2位于東下穿通道，開挖過程采用自動伺服軸力補(bǔ)償系統(tǒng)。開挖過程中水平位移沿深度的分布見圖6。

圖6 實測圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移

由圖6分析可知，基坑開挖至坑底時，最大水平位移位于坑底以下15 m左右，為開挖深度的1.5倍左右。開挖到第五道支撐時，未采用伺服軸力補(bǔ)償系統(tǒng)的測斜孔CX1，其最大水平位移為28 mm，深度位于20 m處左右，采用伺服補(bǔ)償軸力鋼支撐的測斜孔CX2最大水平位移為20 mm，深度位于25 m左右。

開挖至坑底時，未采用伺服軸力補(bǔ)償系統(tǒng)的測斜孔CX1，最大水平位移為53 mm，深度位于25 m處左右，同開挖至第五道支撐時相比，最大水平位移位置下移了近5 m；采用伺服補(bǔ)償軸力鋼支撐的測斜孔CX2最大水平位移為35 mm，深度同開挖至第五道支撐時基本位于同一位置。

基于圖6實測數(shù)據(jù)分析可知，基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平最大位移隨開挖深度增加而變大，未采用伺服軸力補(bǔ)償系統(tǒng)的鋼支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)處，其最大位移和結(jié)構(gòu)深部位移在開挖過程中均發(fā)生較大變化，采用伺服軸力補(bǔ)償系統(tǒng)鋼支撐處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移，沿深度變化相對較小。

由此可見，伺服鋼支撐軸力補(bǔ)償系統(tǒng)在基坑開挖過程中，可有效減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，相對于常規(guī)鋼支撐，采用伺服鋼支撐軸力補(bǔ)償系統(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其最大水平位移位置變化較小甚至不變，為保護(hù)周圍建筑物安全的有效措施。

5 結(jié)論和建議

通過對比分析寧波軟土區(qū)地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可得到以下結(jié)論，為該地區(qū)類似工程提供一定的參考價值。

(1)寧波軟黏土地層地鐵深基坑采用TRD型鋼水泥土圍護(hù)結(jié)構(gòu)與伺服鋼支撐系統(tǒng)，可有效減小深層土體位移。

(2)土體變形主要發(fā)生在開挖面以下，沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度呈中間大、兩端小分布的規(guī)律。采用TRD型鋼水泥土攪拌墻鋼支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，最大變形發(fā)生在坑底以下開挖深度的1.0～1.5倍深度范圍內(nèi)。

(3)采用鋼支撐伺服系統(tǒng)，可有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，有利于保護(hù)周圍建筑的安全。

(4)基坑開挖是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，深層土體位移隨開挖過程不斷變化，水平位移隨開挖深度變大而增大，在設(shè)計計算時應(yīng)該考慮基坑開挖的時效性。