乐思韬
浅析高铁车站内的深基坑围护施工
乐思韬
西南交通大学
高铁车站与城市地铁、公交的无缝连接,加快构建了便捷、高效的城市轨道交通网络,更加有效地发挥城市对周边地区的辐射作用,便捷了旅客的出行。高铁地下空间的开发也带来了深基坑围护施工安全的课题。该文结合高铁厦门北站内地铁1、4号线深基坑围护工程的成功实施,为其它类似工程提供借鉴与参考。
深基坑围护 降水 支撑 开挖 变形监测
厦门北站位于厦门市集美区后溪镇,站区南侧有天山路、孙坂路及集美大道等城市主干道与厦门本岛相连,东侧有厦安高速连接线和城市西环快速路辐射北部城区,规划地铁1号线和4号线穿过站区。地铁1号线呈南北走向,为地下一层车站;地铁4号线呈东西走向,为地下两层车站。1号线车站总长约354m,标注段宽分别为26m、71.8m、21.6m。4号线车站为东西向,总长为176.5m,标准段宽度为21.1m,1号线与4号线呈十字相交。目前地铁上部的站房结构及刚架桥已经施工完毕,动车组已经开行,在1号线左右两侧的出站通道均要具备旅客通行的条件,地铁1号线开始施工时,东西出站通道及顶部的刚架桥已经启用,供地铁的施工空间仅有站房中跨的33m,挖土作业的表面距桥底的净高仅为7.5m,大型打桩机械及汽车吊均不能施工。4号线位于站房结构的北高架桥下方,南侧靠近站房结构的北站房,4号线的开挖深度大,基坑底标高为-29.5m(相对标高)左右,场地标高为-7.0m左右,自冠梁以下开挖深度达17m左右,如何保证施工安全是我们研究的课题。
图1 地铁围护平面示意图
根据钻探揭露地质情况,自上而下分别为素填土(Qml)①厚度0.6~6.1m,耕植土(Qml)②,揭露厚度为0.3~1.3m。粉质粘土(Q3al-pl)③厚度为1.2~6.3m,粗砂(Q3al-pl)④厚度为0.6~2.3m,粉质粘土(Qdl)⑤厚度为1.5~6.5m,残积砂质粘性土(Qel)⑥厚度为3~42.8m,全风化花岗岩(r52(3)c)⑦埋深11~33m,砂砾状强风化花岗岩(r52(3)c)⑧厚度为0.45~23.1m。
水文地质条件:拟建工程场地地下水主要赋存和运移于粗砂④的孔隙中及下部残积土⑥、全风化⑦、砂砾状强风化岩⑧及微风化岩⑨的孔隙、网状裂隙中。地下水类型在粗砂④为承压水;在下部残积土和风化带基岩中为潜水~微承压水。地下水主要接受大气降水、相邻含水层的侧向补给和渗流,并总体随地形由东北向西南渗流、排泄。场地内除粗砂④属强透水层和主要含水层,富水性较好外,下部基岩裂隙的导水性和富水性主要受构造裂隙特征所控制,差异较大且具各向异性,因场地内基岩裂隙大多呈闭合状态,故其透水性和富水性总体较差,其余各土层均属弱~微透水、弱含水层或相对隔水层,富水性差。
根据拟建工程沿线地形、地貌特征、地区气候特点以及工程施工后沿线水文地质条件将产生改变的情况,地铁工程最高地下水位按室外设计地面以下1m考虑。
厦门北站地铁1、4号线工程开挖为长大型深基坑,基坑施工包括基坑围护、坑内降水、基坑开挖、支撑和基坑监测等。
基坑围护顺序:一区→二区→三区→四区→六区,土方开挖顺序:一区→二区→三区→四区;同时五区、七区→六区。基坑围护施工根据厦门北站房总体进度要求,先进行一区的基坑围护,一号线土方开挖自南向北,分段开挖,一区土方开挖完成后立即进行结构施工,二区土方开始施工,形成流水作业。一区自南至北最后在六区土方收口,四号线土方五区、七区土方同时施工,最后在六区收口土方。遵循“先撑后挖,边挖边撑”的原则,确保基坑稳定。
图2 围护桩施工工艺流程图
测量定位:由专业测量人员根据给定的控制点按规范和施工图纸测放桩位并标明。
钻机就位:钻机就位必须平正、稳固,确保在施工中不倾斜、移动。
埋设护筒:根据场地条件,必要时埋深护筒。埋设过程中用十字拴桩法确保护筒中心与桩位中心重合。
钻进:钻进过程中必须控制好钻斗的升降速度,以防产生“活塞效应”。
清孔:在下钢筋笼之前用钻斗排除沉渣。灌注混凝土前应测量沉渣厚度。
钢筋笼制作与吊装:钢筋连接采用直螺纹套筒连接,上节采用半丝,下节采用全丝,待孔口对接时将套筒向上节旋转拧紧。钢筋的材料、加工、接头和安装,符合要求。
清孔完毕,经检查孔深、孔径和竖直度检查符合要求后,即进行钢筋笼施工。
钢筋笼在现场集中分节预制,设专人负责,确保钢筋骨架的几何尺寸和绑扎质量。为保证在运输过程中不变形,钢筋笼内用十字支撑加固。钢筋笼用吊车或钻机本身吊装装置吊入孔内,在孔口接头焊接或机械连接,并保持上下节在一条轴线上。钢筋骨架的保护层厚度由圆形与桩身混凝土同强度细石混凝土垫块或耳朵形钢筋来保证,按竖向每隔2m设一道,每一道沿圆周设4个呈梅花型布置。钢筋笼下到设计标高后,用悬挂器将其与护筒或平台连接牢固,防止钢筋笼发生掉笼或浮笼现象。
水下混凝土灌注:
钢筋笼吊装完毕后,进行隐蔽工程验收,合格后应立即浇注混凝土。导管采用φ300钢管,每节2~3m,配1~2节1~1.5m的短管。下导管后,二次清孔,确保孔底沉渣厚度符合规范要求。
对灌注导管要检查其圆满度、垂直度及其连接密封性,按期对导管进行水封试验。
隔水塞用与导管口径相符的皮球或隔水板、隔水塞。保证足够的初灌量,保证导管埋深0.8~1.5m,连贯灌注时埋深2~6m,灌注应连续进行。
及时测量导管的埋入深度,并做好记录,灌注混凝土过程中,要经常探测混凝土面上升高度,检查埋管深度。
导管提升应保持居中,防止挂碰钢筋笼,拆下的导管要及时冲清干净。
灌注砼时,弃盈系数控制在1.15左右。
接近桩顶时,由于导管内砼高度减少,压力降低,管外泥浆稠度比重增加,出现灌注困难,应提高漏斗高度。
砼灌注完成时,适时拔出护筒,并做好孔内防护,防止发生意外事故。
施工工序:
技术要求:
3.2.1桩头钢筋插入帽梁内不小于38d,数量不少于桩主筋1/2。
3.2.2桩头要清理干净,凿除浮浆,槽支护采用钢模板。
3.2.3浇筑砼后用振捣棒振捣密实,保证帽梁表面平整、光滑、顺直。
3.2.4混凝土支撑要与冠梁一起浇注,形成一个整体。
施工工艺流程:
测量定位:首先采用全站仪根据高压旋喷桩的里程桩号放出试验区域的控制桩,然后使用钢卷尺和麻线根据桩距传递放出旋喷桩的桩位位置,用小竹签做好标记,并撒白灰标识,确保桩机准确就位。
机具就位:采用起重机悬吊搅拌机到达指定桩位附近,利用桩机底部步覆装置,缓慢移动至施工部位,由专人指挥,用水平尺和定位测锤校准桩机,使桩机水平,导向架和钻杆应与地面垂直,倾斜率小于1.5%。对不符合垂直度要求的钻杆进行调整,直到钻杆的垂直度达到要求。为了保证桩位准确,必须使用定位卡,桩位对中误差不大于5cm。
启动钻机边旋转边钻进,至设计标高后停止钻进:采单管旋喷法施工。该方法插管与钻孔两道工序合二为一,即钻孔完成时插管作业同时完成。在插管过程中,为防止泥砂堵塞喷嘴,高压水喷嘴边射水、边插管,水压力一般不超过1MPa,至设计标高后停止钻进。
喷射注浆:在插入旋喷管前,先检查高压设备和管路系统,设备的压力和排量必须满足设计要求。各部位密封圈必须良好,各通道和喷嘴内不得有杂物,并做高压水射水试验,合格后方可喷射浆液。
旋喷作业系统的各项工艺参数都必须按照预先设定的要求加以控制,并随时做好关于旋喷时间、用浆量、冒浆情况、压力变化等的记录。
施工注意事项:施工前,要求检查旋喷管的高压水与空气喷射情况,各部位密封圈是否封闭,合格后方可喷射浆液;喷射时,先应达到预定的喷射压力、喷浆量后,再逐渐提升注浆管。中间发生故障时,应停止提升和旋喷,以防桩体中断,同时立即进行检查排除故障;旋喷过程中,冒浆量控制在10%~25%之间;高压喷射注浆完毕后,应迅速拔出喷射管。
降水使基坑内的土体排水固结,并具有一定强度,从而提高坑内土体的水平抗力,减少基坑的变形量。根据厦门北站的土体渗透性和基坑的周围环境,严格控制基坑内的降水速度和降水量非常重要,若基坑内过早或过量降水,则会使基坑外地下水位太低,而产生过大沉降,影响周围环境的安全。因此,基坑降水必须和开挖密切配合,施工中采取分段、快速、集中降水的方法,并且依据土体渗水速率、基坑内土体疏干情况和基坑开挖的速度进行降水,主体结构深基坑采用分层降水法,在基坑开挖前5~7天开始进行降水,由深井内的水泵位置来控制降水深度,由调节抽水时间来控制基坑内的出水量。通过基坑内的观测井,掌握水位变化情况,其控制高度通过计算确定,既不要抽水过深引起地面沉降,也不要抽水过浅危及坑底安全,将地下水降至基坑开挖面下1.0m左右,即满足开挖该层土体的要求,结构段施工完毕,随即停止抽水。
根据岩土工程勘察报告显示,基坑开挖受到地下水位的影响,土方施工之前需进行人工降低地下水位。根据该场区现查明的潜水、层间水和承压水,采用管井降水,一般采用井径600mm,管井的深度1号线16.7m(进入槽底以下4.74m);4号线28.5m(进入槽底以下7.0m)。
图3 降水计算地层剖面图
土方开挖根据现场条件划分为七个区,根据围护形式,1号线开挖深度9.73m(以混凝土支撑梁顶始以下),分为三步开挖顺序,第一步开挖至第一道混凝土支撑梁的底部,标高为+10.01m,开挖深度为1m,在此标高下出土净高为7.5m左右,可采用大型挖掘机施工,开挖完成后开始混凝土支撑梁的施工,完成后梁间的距离为6m,混凝土支撑梁达到设计强度后开始第二步土方的开挖,第二步土方通长开挖至+5.81m的标高(距钢支撑80cm的距离),当第二步土方距离顶部混凝土支撑梁的底部净高为4.2m,作业宽度为26m,采用3台小型挖机PC100型号在基坑内施工倒运土方,顶部采用2台大型挖掘机进行装土作业。第二步土方开挖完成后,东侧钢支撑组装进行,同时第三步土方开挖从南侧开始至北侧单独对立柱桩西侧开挖一道出土道路,深为2.8m,底标高为+3.01m。道路两侧采用1:1放坡开挖,采用挂钢筋网并喷射混凝土支护,厚度为10cm。在出土道路底部铺设建筑渣土一层,厚度为50cm,宽度为6m,详见图5。当西侧道路施工完毕后,开始剩余钢支撑的安装,具体安装方法参照钢支撑安装方案。第二道钢支撑的支撑间距为4m。第二步钢支撑架设完成后开始第四步土方的开挖,直接开挖至基坑底部。
4号线的土方开挖深度为19.35m(自混凝土支撑梁顶以下),周围场地开阔,可采用汽车吊进行吊装,因此在土方开挖过程中不采用单侧开槽的施工方法,直接将土方开挖至钢支撑的下侧80cm处,共分为4步进行开挖,第一步开挖至冠梁底(标高+12.084m)处的标高,第二步开挖至钢管支撑底80cm处(标高+5.084m),第三步开挖至设计标高-0.768m,第四步开挖至基坑底部标高为-5.448m。在开挖深度内,根据现场可施工区域的分布,及时分层、分步布置挖土机械,多台挖土机上下、左右齐头并进,为保持多机作业工作面,充分利用空间和时间,采用昼、夜两班交替,以保持持续高产。
图5 1号线竖向开挖分布图
图6 4号线竖向开挖分步图
开挖注意事项:
3.5.1该阶段土方及基础桩施工全面展开,工程量较大,工序多,机械设备多,要解决好工作面与日产量、工序间工作面相互制约的矛盾,各工序间需采用交叉流水作业。每个工作面都要采用定机械设备、定日产量、定工期等三定措施,确保工程顺利进行。
3.5.2本工程的施工关键是土方运输,因此要合理布置现场道路和出入口,合理规划卸土场地、优化运土路线,安排好作业时间,做好车辆分流,减少道路拥挤,行车路线尽量用循环路。
3.5.3尽量采用反铲挖土,充分利用挖土半径,提高效率,尽量抓紧时间,保证按期完成任务。
3.5.4严格按开挖线进行开挖,严禁超挖,测量工作随时配合。
3.5.5清土与挖土应与别的工序紧密配合,不可超前或滞后。
钢支撑架设紧跟土方开挖,遵循“先撑后挖、限时支撑、分层开挖、严禁超挖”的原则进行施工,钢支撑现场整体拼装,拟配液压千斤顶在钢管支撑活动端分级预加轴力并锁定。钢腰梁现场加工,提前安设钢牛腿。
图7 钢支撑安装流程
图8 预应力锚杆工艺流程
注意事项:
3.7.1钻孔前定位:根据设计要求定出孔位,做出标记。
3.7.2钻孔:钻机就位、开机,钻机钻入地层。套管跟进式钻进时,护壁套管同时跟进,冲洗介质通过钻杆和钻头的通道输入钻孔,将钻孔废渣沿钻杆和套管间排出;干钻成孔时,可使用小螺旋钻机或其他成孔方法。
3.7.3清孔、杆体制作和安放:安放锚杆前,湿式钻孔应用清水清洗干净。钢绞线根据设计长度加上张拉长度截好,用绑扎丝绑在隔离架上,隔离架之间的间距控制在2.0m左右,杆体自由段用软塑料管包裹,与锚固段相交处的塑料管管口用绑丝绑紧。杆体制作好后,应将注浆管随锚杆一同放入孔,注浆管端部距离孔底宜为50cm左右。
3.7.4制浆:水泥浆水灰比控制在0.45~0.50之间,用搅浆机搅拌均匀。
3.7.5灌浆:灌浆采用M35水泥砂浆,配合比通过现场试验确定,锚索推送就位后可进行第一次灌浆,灌浆未饱满,可进行二次灌浆。灌浆应慢、稳、连续进行,直到孔内的液体和气泡全部排出孔外,出口处溢出的泥浆与新浆相同后,再延续1min即可停止。
3.7.6预应力张拉、锁定:钢腰梁制作安装好后,将垫板放入,然后安放好锚具。当注浆体的强砂浆龄期达到7天后,方可进行张拉。张拉应分3级张拉,至设计值锁定。
为确保基坑施工和使用过程中的安全和稳定及基坑周边临时道路安全,应做好基坑围护施工的监测工作。
3.8.1监测项目
①监测基坑坡顶的水平位移。
②监测基坑周边一倍坑深范围内的路面及地下管线(如果有)的沉降。
③定期巡视检查基坑外周边环境变化情况。
3.8.2监测方法及精度要求
①基准点布置:根据现场实际情况进行基准点及方向点的布置,应布置在监测期限内不被扰动。
②变形观测点布置:采用沿基坑周边布置观测点,布点原则是在通长的基坑边间隔设置观测点,在变形最大、受力最大及局部地质条件最为不利的地段增加观测点。现场实际布置时根据通视条件、现场布置等可以适当调整测点位置。
3.8.3监测频率及时限
(1)基坑施工过程中的监测
①开挖前,观测3次,记录初始值,以3次平均值作为初始值。
②基坑每开挖一步应观测不少于1次,且每天应观测1次。
③雨天过后,应至少4h观测1次,如连续3次观测数据相同(或在误差允许范围内),可按②继续观测。
④基坑开挖完7天内,仍应每天观测1次。
⑤基坑开挖完7~15天,每3天观测1次,如观测数据变化大,应每天观测1次。
⑥基坑开挖完15~30天,每7天观测1次,如观测数据变化大,应每天观测1次。
⑦基坑开挖完30天,如果最后连续3次的观测数据相同或在误差允许范围内,可停止施工过程的监测。
(2)监控预警
本工程的坡顶位移预警值应为坑深的3‰,对于开挖过程中出现的变形量大或变形加剧等现象,应及时向设计人员反馈,以便及时调整方案。
厦门北站内地铁1、4号线主体结构基坑施工,由于采取了科学合理的技术措施和严格的施工管理,达到一级基坑安全保护等级的要求,周围地表沉降控制在允许范围内,周围建筑物未发生下沉及开裂。充分运用了深基坑施工的“时空效应”原则,将长大型深基坑分段、分层、分单元进行开挖、支撑,使基坑开挖和支撑两道工序有机结合,有效控制了深基坑围护结构的位移量,正确、及时的监测,对深基坑施工进行动态管理,获到了完整的数据,实现了信息化施工,保证了深基坑和周围环境的安全。厦门北站内地铁1、4号线深基坑施工的成功,为在厦门地区进行大型深基坑或超深基坑的施工积累了经验,可供今后类似深基坑施工参考。