徐州轨道交通控制中心综合开发地块基坑设计与研究

2018-11-02 06:47程春驰詹佳硕

中国锰业 2018年5期

程春驰，詹佳硕

(环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082)

1 概况

徐州市城市轨道交通线网控制中心综合开发地块建设场址位于徐州市新城区，和平大道以北、汉源大道以西地块内，综合开发地块用地面积约为3.49公顷。场地现状为控制中心临建设施、一号路站临建设施及其钢筋加工区；一般地表绝对标高约为33.000～34.000 m。

2 不良地质及特殊岩土评价

场地范围内的特殊岩土包括表层填土、浅部的膨胀土和局部分布的强风化岩，不良地质主要为下伏可溶岩的岩溶发育等[1]。场地内未见滑坡、崩塌、区域地面沉降、采空区等不良地质作用。

1)填土

场地内分布的杂填土由黏性土、碎石为主组成，均匀性差、结构松散、压缩性高、易变形。基坑开挖施工前需清除杂填土，杂填土较厚地段建议采用放坡开挖+挂网喷浆处理。

2)膨胀土

场地内广泛分布有第四系晚更新统黏土，据室内试验，部分钻孔的土样自由膨胀率44%～64%，平均55.4%，具弱膨胀潜势。老黏土遇水易产生膨胀，对基坑支护结构产生一定膨胀压力。同时遇水易崩解，其强度将迅速降低，可能导致基坑边坡的坍塌或增加对支护结构的压力，设计施工时宜采取放缓坡率，加强支护或防水保湿等针对性措施[2]。

3)岩溶

场区主要不良地质为岩溶，下伏基岩石炭系灰岩为可溶岩，岩溶属弱—中等发育。根据钻探揭露岩溶未出现掉钻现象，溶洞均被黏土混碎石充填，场地内岩溶发育形式以溶蚀裂隙为主，多沿层面发育，为沿裂隙、层面溶蚀扩大化的岩溶裂隙和小型溶洞，溶蚀在竖向较强烈，在水平方向不甚发育，以竖向顺层溶沟、溶槽为主。在采取适当的处理措施后，该场地岩溶不会对场地的稳定性构成影响[3]。

3 综合开发地块临近地铁围护结构

3.1 围护结构体系

综合开发地块基坑南段紧邻地铁一号线学一区间和一号路站，学一区间盾构隧道预计17年4月结构完成，基坑范围内一号路站主体结构预计17年6月底封顶。从现有工程安排上，在学一区间和一号路站主体结构施工完成后，再进行综合开发地块基坑开挖，并在学一区间和一号路站运营前基坑回填完毕。学一区间采用管片拼装支护，一号路站采用桩撑支护。

综合开发地块南段东部与地铁一号路站紧邻段。一号路站围护桩为φ1 000@1 200 mm钻孔灌注桩，桩长19.35 m。一号路站主体结构为钢筋混凝土结构，钢筋混凝土等级C35，底板厚900～1 000 mm，中板厚400 mm，顶板厚700 mm，侧墙厚900 mm，结构柱尺寸为700 mm×1 100 mm。此段综合开发地块地下结构距一号路站护坡桩外皮2.0～5.8 m，基坑侧壁安全等级为一级，利用一号路站已施工的围护结构及其主体结构作为该段的围护结构，基坑深度9.25 m，随着土方分步开挖，及时施做桩间护壁。临近2#住宅楼位置，有一号路站尚未施工的消防水池，经与业主及相关单位协商，土方分步开挖至综合开发地块基底设计标高，及时施做桩间护壁，消防水池结构与开发地块二期主体结构共同施工。

综合开发地块南段西部及西段南部临近学一区间盾构隧道，盾构隧道采用6块管片拼装支护，管片外径6 200 mm，内径5 500 mm，管片厚度350 mm，管片宽度1 200 mm。此段综合开发地块地下结构外边线距盾构隧道外边缘水平距离约5.2 m，基坑安全等级为一级，基坑深度9.35m，采用桩+内支撑+止水帷幕支护体系，围护桩为φ1 000@1 200 mm钻孔灌注桩，桩顶绝对标高为31.000 m，桩底绝对标高为16.000 m，桩长15.0 m，桩顶采用1 000 mm×1 000 mm冠梁，桩顶距地面2.0 m采用混凝土挡墙进行支护，设置一道钢筋混凝土内支撑，支撑断面尺寸为宽800 mm×高1 000 mm，立柱为φ1 000 mm，桩长10.0 m，连系梁断面尺寸为600 mm×600 mm。在围护桩外侧设置止水帷幕φ850@600(三轴搅拌桩)。在基坑南段西部范围内采用注浆加固处理，设置6道注浆管φ89，管长4.0 m，角度10度，水平距2.4 m，竖向距1.0 m。

3.2 结构材料

本围护结构的冠梁、围护桩、混凝土支撑、混凝土立柱、混凝土撑板、桩顶挡土墙及其余混凝土构件所采用混凝土强度等级均为C30；围护桩水下灌注时混凝土强度等级为C35。混凝土垫层材料为C20素混凝土，坡面喷射混凝土材料为C20混凝土。

3.3 计算模型与主要计算结果

南段临近一号路站支护段，计算方法采用荷载—结构模型，按平面杆系有限元法进行计算。基坑开挖阶段，把基坑支护视为侧向地基上的梁，采用m法计算。

桩+内支撑支护段结构计算方法，结合施工步序，计算模拟了分步开挖过程。计算程序采用理正深基坑支护结构设计软件7.0版。

拟建场地地层起伏不大，地层按照钻孔所示地层取加权值。施工阶段局部地层变化较大处，再增加计算剖面。坑边超载均取20 kPa。

3.3.1 南段临近一号路站支护段计算

1)计算模型简图1

图1 有限元计算模型

本模型采用荷载—结构法计算，将板、墙、柱简化成一维梁单元，各结构构件的尺寸采用实际截面尺寸。模型几何尺寸为宽26.7 m×高15.9 m，两个结构柱距各边侧墙均9.45 m，基坑深度9.25 m，一号路站主体结构钢筋混凝土等级C35，底板厚900 mm，中板厚400 mm，顶板厚700 mm，侧墙厚900 mm，结构柱尺寸为700 mm×1 100 mm。

由于侧墙外有一排围护桩(φ1 000@1 200 mm钻孔灌注桩，C30)，依据《基坑工程手册》，目前设计计算时，一般将桩墙按抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度的壁式地下连续墙进行内力分析，仅考虑桩体竖向受力与变形，此法称为等刚度法。

围护桩转成连续墙，根据等刚度转换，设钻孔桩径为D，桩净距为t，如图所示，则单根桩应等价为长D+t的壁式地下墙，若等价后的地下墙厚为h，则由等刚度转换的原则可得：

若采用一字相切排列，t<

所以模型侧墙厚度约为一号路站主体结构侧墙厚度+一号路站基坑围护桩等效后的墙厚。

施加荷载边界条件，先施加结构自重荷载，上部施加20 kPa荷载，左侧施加土压力、水压力，对地下水位以下黏性土采用水土合算方法，右侧仅在底部设置土弹簧(弹簧刚度系数根据所在土层基床系数计算得到)，上部基坑开挖部分9.25 m不施加任何荷载、约束，底部设置土弹簧(弹簧刚度系数根据所在土层基床系数计算得到)。

2)计算结果

沿X方向最大位移为4.15 mm，满足一号路站主体结构设计单位铁四院提供的车站结构水平位移要求3～5 mm。沿Y方向最大位移为3.24 mm，也满足一号路站主体结构设计单位铁四院提供的车站结构沉降位移要求3～10 mm。

3)结果分析

在二维有限元模型计算中，因未考虑一号路站围护桩的嵌固段的存在，也未考虑到结构底部与土体之间的摩擦力，同时，也未考虑基坑开挖内侧剩余土体对主体结构的保护作用，而这三部分均有利于减小一号路站主体结构的变形，所以，在满足变形要求的基础上，本模型计算的变形结果偏大，基坑开挖对一号路站主体结构的影响不大。

3.3.2 南段西部临学一区间桩+撑支护段

从支护底部开始，逐层验算抗隆起稳定性，结果如下：

支护底部，验算抗隆起：

Ks=4.894≥1.800，抗隆起稳定性满足。

深度122.100处，验算抗隆起：

Ks=8.229≥1.800，抗隆起稳定性满足。

从上述计算结果总结得出，地表沉降最大位移9 mm，围护结构最大水平位移4.44 mm，满足由学一区间设计单位铁三院提供的区间变形控制值。

4 基坑开挖对临近地铁结构的保护措施

4.1 基坑开挖对一号路站的保护措施

综合开发地块基坑南侧紧邻一号路站车站，该区段长约175.0 m，基坑深度9.25 m，基坑侧壁安全等级为一级。利用一号路站已施工的围护结构及其主体结构作为该段的围护结构，随着土方分段分步开挖，及时施做桩间护壁。在理论上，基坑开挖引起一号路站车站结构的变形量很小[4]，满足一号路站设计单位铁四院提供的车站变形控制值要求；在基坑实际开挖过程中，还应采取以下保护措施[5]：

1)该段基坑及主体结构采用分段法施工，分4～5段，更有效地控制一号路站结构变形；

2)加强对一号路站主体结构和围护结构的各项监测指标的监测频率，及时反馈信息；

3)施工单位须制定相应应急预案，针对反馈的信息，做出及时有效的应急保护措施。

4.2 基坑开挖对学一区间盾构隧道的保护措施

综合开发地块基坑南段西部及西段南部临近学一区间盾构隧道，此段形状为“L”形，长约64.0 m，南段西部综合开发地块地下结构外边线距盾构隧道外边缘水平距离5.278 m，基坑安全等级为一级，基坑深度9.35 m，采用桩+角撑+止水帷幕支护体系，南段西部围护桩外侧外皮距盾构隧道外边缘4.078 m，在南段西部范围内采用注浆加固处理。在理论上，基坑开挖引起盾构隧道的变形量很小，满足由学一区间设计单位铁三院提供的区间变形控制值要求。

在基坑设计中，为控制盾构隧道结构的变形，对围护结构进行了加强处理：

1)加强了围护桩设计，方案同地铁围护桩，设置内支撑；

2)对南段西部桩后土体进行注浆加固；

3)在南段西部，综合开发地块主体结构采用内贴法施工，使围护桩尽可能远离盾构隧道。

在基坑实际开挖过程中，还应采取以下保护措施[6]：

1)针对南段西部围护桩，须采用人工挖孔桩施工工艺，隔桩开挖；

2)加强对盾构隧道主体结构、基坑围护结构的各项监测指标的监测频率，及时反馈信息；