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天津地鐵下瓦房車站深基坑施工技術(shù)論文
【摘 要】 在天津軟弱的地層和林立的建筑群間進(jìn)行深基坑施工，為確保深基坑的施工安全，必須要有科學(xué)、合理及完善的施工技術(shù)，文章介紹了天津地鐵1號(hào)線基坑開挖最深的下瓦房地鐵車站的深基坑施工技術(shù)，為今后天津地鐵及更多的地下工程深基坑施工提供參考。
【關(guān)鍵詞】 深基坑圍護(hù) 基底加固 降水 支撐 開挖 環(huán)境監(jiān)測(cè)
一、工程概況
天津地鐵1號(hào)線下瓦房車站位于寧波道以南、瓊州道以北的大沽南路下，是1＃線與5＃線之間的換乘車站，1＃線與5＃線在大沽南路與奉化道交口成“十”字相交(交角為83°，1＃線在上，5＃線在下)。
車站為雙層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層，地下三層為換乘段節(jié)點(diǎn)部分。
車站主體結(jié)構(gòu)基坑長(zhǎng)204.3m，寬19.3～21.55m，開挖深度為16.5～23.553m，并設(shè)4個(gè)出入口、2條風(fēng)道，見圖1。
大沽南路是天津的主要交通干道，基坑周圍建筑多，如鴻起順飯店與主體結(jié)構(gòu)圍護(hù)間距僅7.5m，10層樓的下瓦房距南端頭井10m，受車站基坑施工影響的還有瓊州道和奉化道交口的6層居民樓、北段基坑西側(cè)的3幢7層居民樓以及在建的恒華大廈高層建筑等。為此，設(shè)計(jì)要求主體基坑施工安全保護(hù)等級(jí)為一級(jí)。
二、工程地質(zhì)和地貌
基坑開挖深度為16.5～23.553m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度為27.5～39.0m。天津地區(qū)是沖積平原，地形平坦開闊，表覆第四系全新人工填土層(雜填土)，主要土層有粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂等；土質(zhì)松軟，結(jié)構(gòu)松散，見表1。
表1 主要軟土物理力學(xué)指標(biāo)
本場(chǎng)地地下水類型為第四系孔隙潛水， 賦存于第四系粘性土、 粉土及砂類土中， 地下水較豐富。 地下水位深1.0～2.4m(高程+0.8～+2.0m)，水位變幅在1.0～2.0m，地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，在第Ⅲ陸相層中粉土及砂類土層中的地下水具微層壓性。
三、主要施工工藝
天津地鐵1號(hào)線下瓦房車站為長(zhǎng)大型深基坑，基坑施工包括基坑圍護(hù)、基底加固、坑內(nèi)降水、基坑開挖、支撐和基坑監(jiān)測(cè)等。
1. 基坑圍護(hù)
當(dāng)基坑開挖深度超過(guò)10m、基坑平面超過(guò)1000m2時(shí)，鋼板樁、混凝土板樁、攪拌樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，一般難以抵抗側(cè)向土水壓力，而采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)是最適宜的，因?yàn)樗哂惺┕ふ駝?dòng)小、噪音低、對(duì)周邊環(huán)境無(wú)擾動(dòng)、墻體剛度大、阻水性能好、能適應(yīng)多種地基條件、施工安全等眾多優(yōu)點(diǎn)。
本主體結(jié)構(gòu)基坑采用國(guó)家級(jí)工法“地下連續(xù)墻液壓抓斗工法”施工的地下連續(xù)墻作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其規(guī)格及數(shù)量見表2。
表2 連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明表
2. 基底加固
為改善基底土體，提高基坑開挖階段被動(dòng)區(qū)土體的側(cè)壓力和基底的上涌，對(duì)深基坑的基底土體進(jìn)行加固處理，目前可采用的土體加固主要手段有分層壓密注漿加固或水泥攪拌樁加固，由于采用水泥攪拌樁加固施工周期較長(zhǎng)，對(duì)基坑內(nèi)的土體擾動(dòng)大，易產(chǎn)生基坑失穩(wěn)、縱坡不穩(wěn)等現(xiàn)象，而采用分層壓密注漿進(jìn)行加固，則施工中成孔孔徑小(鉆孔孔徑為73mm)，對(duì)基坑內(nèi)土體擾動(dòng)小，施工周期短；當(dāng)采用雙液漿加固時(shí)，漿體進(jìn)入土體后，早期固結(jié)快，漿液不易流失(經(jīng)測(cè)試，3天即可達(dá)到70%的加固強(qiáng)度)，為基坑開挖創(chuàng)造條件。因此，下瓦房車站采用了雙液注漿加固方法。在主體結(jié)構(gòu)基坑內(nèi)基底位置(南、北2個(gè)端頭井和換乘段肋部及地下連續(xù)墻底部)進(jìn)行地基加固處理，注漿孔間距為1.0～1.2m。加固后效果明顯，經(jīng)檢測(cè)，土體強(qiáng)度超過(guò)設(shè)計(jì)的加固技術(shù)要求指標(biāo)Ps=1.2MPa。
3. 基坑降水
天津地區(qū)地下水豐富，土體顆粒大，透水性強(qiáng)，在深基坑施工時(shí)，降水可提高基坑開挖施工過(guò)程中的邊坡穩(wěn)定和防止基底涌土、涌水現(xiàn)象的產(chǎn)生。
根據(jù)在基坑開挖區(qū)鉆探的7只鉆孔(ZXWF-1、3、7、10、19、21、25)的資料綜合分析，施工場(chǎng)區(qū)地形平坦，各孔孔口標(biāo)高相差不大，故以ZXWF-7鉆孔資料作為布置深井降水的主要依據(jù)。
基坑開挖要穿越上部粉土層，座落在粉質(zhì)粘土層中，由于粉土、粉質(zhì)粘土同屬含水地層，地下水較豐富，根據(jù)每口井的有效抽水面積(約130m2)，需在開挖面積約4210m2的主體結(jié)構(gòu)基坑中布置32口降水深井，深井埋設(shè)深度比挖土基底深4.5m。同時(shí)基坑內(nèi)設(shè)置3口水位觀測(cè)井(標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)設(shè)置2口，深17.0m；換乘段設(shè)置1口，深24.0m)；在基坑圍護(hù)外布置4口水位觀測(cè)井，深10.0m，用于觀測(cè)基坑內(nèi)降水對(duì)基坑外地下水位的影響，根據(jù)坑內(nèi)外水位變化，確定降水的速率和抽水量。
(1)深井施工
采用鉆機(jī)成孔，井徑為705mm，井深為基底以下4.5m，成孔為6.0m，井管材料為φ500/400mm水泥礫石濾水管，井口下部3m的濾水管外包一層40目尼龍網(wǎng)�；靥顬V料高度是從孔底填到地面以下1.5m范圍內(nèi)，回填粒徑3～7mm濾料，孔頂處1.5m深度用粘土封堵。在每口深井內(nèi)放入1臺(tái)深井潛水泵作重力排水。
(2)降水控制
降水使基坑內(nèi)的土體排水固結(jié)，并具有一定強(qiáng)度，從而提高坑內(nèi)土體的水平抗力，減少基坑的變形量。根據(jù)下瓦房站的土體滲透性和基坑的周圍環(huán)境，嚴(yán)格控制基坑內(nèi)的降水速度和降水量非常重要，若基坑內(nèi)過(guò)早或過(guò)量降水，則會(huì)使基坑外地下水位太低，而產(chǎn)生過(guò)大沉降，影響周圍環(huán)境的安全。因此，基坑降水必須和開挖密切配合，施工中采取分段、快速、集中降水的方法，并且依據(jù)土體滲水速率、基坑內(nèi)土體疏干情況和基坑開挖的速度進(jìn)行降水，主體結(jié)構(gòu)深基坑是采用分層降水法，在基坑開挖前5～7天開始進(jìn)行降水，由深井內(nèi)的水泵位置來(lái)控制降水深度，由調(diào)節(jié)抽水時(shí)間來(lái)控制基坑內(nèi)的出水量。通過(guò)基坑內(nèi)的觀測(cè)井，掌握水位變化情況，其控制高度應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定，既不要抽水過(guò)深引起地面沉降，也不要抽水過(guò)淺危及坑底安全�；緦⒌叵滤抵粱娱_挖面下1.0m左右，即滿足開挖該層土體的要求。結(jié)構(gòu)段施工完畢，隨即停止抽水。
4. 基坑開挖
下瓦房站主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)長(zhǎng)大型基坑，兩端設(shè)盾構(gòu)工作井，中間有與5＃地鐵線相連的換乘段(比標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)多一層)，在基坑周圍有數(shù)十棟的建筑物，距基坑最近的鴻起順飯店僅7.5m，而且交通車輛僅靠基坑一側(cè)的道路通行，給基坑施工帶來(lái)較大困難。
(1)合理劃分開挖段
車站主體結(jié)構(gòu)基坑長(zhǎng)204.3m、寬19.3～23.8m，根據(jù)地鐵車站施工特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)施工要求，將基坑劃分為10個(gè)開挖段，即1個(gè)換乘段、2個(gè)盾構(gòu)工作井、7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段，每段長(zhǎng)度約20m，見圖2。
(2)挖土
在基坑開挖施工時(shí)，貫徹集中、快速施工的原則，嚴(yán)格控制基坑暴露面積和深度。在基坑開挖時(shí)，分層、分步進(jìn)行。每層土體的開挖深度以設(shè)計(jì)的支撐位置為準(zhǔn)，確保在基坑開挖后能及時(shí)進(jìn)行支撐安裝，減少圍護(hù)墻的位移。根據(jù)實(shí)際情況，確定每單元土體的開挖順序，基本原則為：先中間，后兩側(cè)，確保兩側(cè)預(yù)留土堤護(hù)壁，減少圍護(hù)墻的懸臂長(zhǎng)度和懸壁時(shí)間，見圖3。
深基坑開挖是從上到下分段、分層、分單元進(jìn)行，分層開挖施工時(shí)，根據(jù)施工區(qū)域的地質(zhì)情況，臨時(shí)邊坡控制在1∶2以上，每層設(shè)3.0m寬平臺(tái)，保證開挖機(jī)械設(shè)備的運(yùn)作�；娱_挖到坑底標(biāo)高時(shí)，總體基坑縱向坡度控制為1∶3，確保邊坡的穩(wěn)定。由于主體結(jié)構(gòu)施工是根據(jù)總體施工計(jì)劃進(jìn)行的，在北側(cè)3段施工后，進(jìn)行南側(cè)的基坑施工，北側(cè)邊坡需要暴露一段時(shí)間，為了減少坡面受雨水的沖刷，在北側(cè)邊坡上采用鋼絲網(wǎng)和50mm厚的細(xì)石混凝土進(jìn)行保護(hù)，在坡底設(shè)置300mm×300mm的排水溝，保證雨水、地表水能夠及時(shí)排除。
(3)挖土設(shè)備
基坑需開挖約80 000m3的土方量，開挖時(shí)又受到支撐的影響；基坑開挖有5～7層不等，開挖深度為16.5～23.553m，故配備了1m3挖掘機(jī)2臺(tái)、12m臂長(zhǎng)的挖掘機(jī)1臺(tái)、20m臂長(zhǎng)的挖掘機(jī)1臺(tái)、0.2m3挖掘機(jī)2臺(tái)，保證基坑開挖施工的需要。
根據(jù)每層開挖土體位置，在開挖第一層時(shí)采用1m3挖掘機(jī)，快速進(jìn)行挖土；在開挖下層土體時(shí)，采用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)在地面上取土，可以減少對(duì)支撐的碰撞；小型挖掘機(jī)可以穿越在基坑下面，挖掘支撐下部和角落的土體，形成立體開挖作業(yè)，縮短挖土?xí)r間。同時(shí)采用小型液壓挖掘機(jī)水平挖土、伸縮長(zhǎng)臂液壓挖掘機(jī)垂直輸送的方法，使水平挖掘和垂直運(yùn)輸分離，并做到縱向放坡，隨挖隨刷坡，防止發(fā)生縱坡滑坡。
5. 支撐
主體結(jié)構(gòu)基坑采用的支撐體系為φ609mm(壁厚16mm)的組合鋼管支撐和部分現(xiàn)澆鋼筋混凝土撐。組合鋼管支撐基本為排撐，基坑端部為斜撐，設(shè)置在圍護(hù)拐角處的角撐為現(xiàn)澆鋼筋混凝土撐�；訕�(biāo)準(zhǔn)段為4道支撐，南、北端頭井布置5道斜支撐，換乘段為6道支撐，上下道支撐間距在2～4m不等。
(1)施工要求
當(dāng)開挖出一道支撐的位置時(shí)，即按要求在支護(hù)樁兩側(cè)斷面上測(cè)定出該道支撐兩端與支護(hù)樁的接觸位置，以保證支撐位置準(zhǔn)確(嚴(yán)格控制支撐端部的中心位置)，且與支護(hù)結(jié)構(gòu)面垂直，接觸位置應(yīng)平整，使之受力均勻�；娱_挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，及時(shí)安裝支撐，并按設(shè)計(jì)要求施加預(yù)應(yīng)力。
(2)鋼支撐安裝及施加預(yù)應(yīng)力
由于基坑中部無(wú)支撐立柱，支撐跨度達(dá)19.5～21.8m，經(jīng)我公司確定，在設(shè)計(jì)支撐軸力大于2200kN的部位，應(yīng)采用上下雙榀φ609鋼支撐，為保證支撐的穩(wěn)定，鋼支撐將以設(shè)計(jì)支撐為中心上下布置，間距控制在30cm左右。
鋼支撐安裝前，根據(jù)支撐位置的實(shí)際長(zhǎng)度進(jìn)行拼裝，施工中使用的組合鋼支撐長(zhǎng)度規(guī)格有0.1～13m不等，并有可伸縮調(diào)節(jié)的活絡(luò)支撐，鋼支撐一端為固定段，另一端為活絡(luò)段，中間由不同長(zhǎng)度的直支撐組成，兩支承點(diǎn)間的中間段一般控制在3節(jié)。
當(dāng)開挖至支撐土面時(shí)，立即進(jìn)行支撐安裝，標(biāo)準(zhǔn)段支撐兩端不設(shè)預(yù)埋鋼板，施工時(shí)在支撐兩端將槽壁鑿出主筋，然后再焊小三角牛腿(其尺寸為20mm×200mm×350mm)。端頭井端頭位置的支撐均設(shè)計(jì)為斜撐，支撐受力點(diǎn)必須預(yù)埋鋼板(其外形尺寸為200mm×1000mm×1000mm)，以備焊接斜牛腿，斜牛腿用厚20mm鋼板按實(shí)際角度預(yù)制，外形尺寸為700mm×700mm×500mm的三角形。
鋼支撐采用50t吊機(jī)安裝就位，并同時(shí)施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力應(yīng)達(dá)設(shè)計(jì)軸力的40%～80%不等，其偏差值不大于50kN。當(dāng)在第一次施加預(yù)應(yīng)力后12h內(nèi)，觀測(cè)預(yù)應(yīng)力損失及墻體水平位移。當(dāng)晝夜溫差過(guò)大，導(dǎo)致支撐預(yù)應(yīng)力損失時(shí)，應(yīng)復(fù)加預(yù)應(yīng)力至設(shè)計(jì)值；當(dāng)墻體水平位移速率超過(guò)警戒值時(shí)，可適量增加支撐軸力，以控制變形。
鋼支撐拼裝要確保直線度，其允許誤差≯1.5‰，且≯50mm，活絡(luò)伸縮頭伸出長(zhǎng)度≯200mm。支撐端面必須與地下連續(xù)墻緊貼，空隙處填C20細(xì)石混凝土或塞鐵。
(3)混凝土三角撐
由于基坑轉(zhuǎn)角處采用的是斜撐，而斜撐距離短，無(wú)法使用伸縮支撐段(一般伸縮支撐段長(zhǎng)2.8m)，若采用型鋼等，則影響預(yù)應(yīng)力的施加，因而轉(zhuǎn)角處支撐成為薄弱環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生圍護(hù)墻變形；再則轉(zhuǎn)角處圍護(hù)地下墻的兩個(gè)面大小不等，所受土壓力也不等，會(huì)造成轉(zhuǎn)角幅地下墻的旋轉(zhuǎn)。采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土角撐，可不受轉(zhuǎn)角處的形狀差異、轉(zhuǎn)角處兩邊長(zhǎng)度不等的影響，從而增強(qiáng)了基坑支撐的穩(wěn)定性。
主體結(jié)構(gòu)基坑的轉(zhuǎn)角處，按照設(shè)計(jì)支撐高度的要求，設(shè)置了厚600mm的鋼筋混凝土角撐，角撐大小由圍護(hù)地下端支撐點(diǎn)的位置決定，采用早強(qiáng)C40混凝土澆注。
6. 施工監(jiān)測(cè)
施工監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括：基坑內(nèi)外的情況觀察、地表及周邊建筑物沉降、連續(xù)墻位移、橫撐內(nèi)力、連續(xù)墻內(nèi)力、地下水位觀測(cè)和基坑回彈。
監(jiān)測(cè)工作根據(jù)各個(gè)施工階段進(jìn)行動(dòng)態(tài)同步監(jiān)測(cè)，施工期間監(jiān)測(cè)頻率為1～2次/d；施工后期，每間隔1～3d進(jìn)行1次后期變化監(jiān)測(cè)。根據(jù)每日監(jiān)測(cè)情況，及時(shí)對(duì)基坑開挖的速度和深度、降水的速度和降水量、支撐安裝的及時(shí)性和施加預(yù)應(yīng)力情況等進(jìn)行調(diào)整，使深基坑施工在監(jiān)控信息指導(dǎo)下，正確、合理地進(jìn)行。
四、小結(jié)
下瓦房地鐵車站主體結(jié)構(gòu)基坑施工，由于采取了科學(xué)合理的技術(shù)措施和嚴(yán)格的施工管理，達(dá)到一級(jí)基坑安全保護(hù)等級(jí)的要求，周圍地表沉降控制在允許范圍內(nèi)，周圍建筑物未發(fā)生過(guò)量下沉及開裂、破損。
1．基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下墻的垂直度均在1/300以上，墻面平整，接縫密貼，無(wú)明顯漏水，地下墻墻趾注漿量充足，控制了基坑內(nèi)外滲水通道。
2. 由于在基坑施工時(shí)確定了正確的降水方案，控制了降水速度和降水量，基坑內(nèi)的水位始終保持在開挖面以下�；觾�(nèi)開挖的是干土，既保證了基坑開挖的安全，又保證了環(huán)境的整潔，同時(shí)使基坑外的水位穩(wěn)定(基坑外觀測(cè)井的水位變化均在500mm以內(nèi))。
3. 對(duì)基坑底部土體進(jìn)行有效的加固，既達(dá)到設(shè)計(jì)要求，又未對(duì)基坑內(nèi)的開挖土體產(chǎn)生過(guò)大的擾動(dòng)，確保深基坑開挖施工的安全，同時(shí)加快了施工進(jìn)度。
4. 充分運(yùn)用深基坑施工的“時(shí)空效應(yīng)”原則，將長(zhǎng)大型深基坑分段、分層、分單元進(jìn)行開挖、支撐，使基坑開挖和支撐兩道工序有機(jī)地結(jié)合，有效地控制了深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移量，經(jīng)監(jiān)測(cè)，圍護(hù)地下墻的位移量控制在15mm左右。
5. 正確、及時(shí)的監(jiān)測(cè)，對(duì)深基坑施工進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，獲到了完整的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了信息化施工，保證了深基坑和周圍環(huán)境的安全。
下瓦房地鐵車站深基坑施工的成功，為在天津地區(qū)進(jìn)行大型深基坑或超深基坑的施工積累了經(jīng)驗(yàn)，可供今后天津地鐵深基坑施工參考。
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