邻近地铁深基坑钢管斜撑支护与土方开挖技术*

贾 飞

(陕西建工基础建设集团有限公司,陕西 西安 710016)

0 引言

随着城市地下空间的大规模开发与利用,越来越多的基坑工程紧邻甚至紧贴运营地铁,基坑开挖必然会打破邻近地铁线路的原有地应力平衡,从而引起地铁车站产生相应的变形。地铁车站结构对变形的要求极其严格,为保证地铁车站的安全和正常使用,基坑在施工过程中须采取严格的工程措施。因此,地铁周边深基坑的支护与开挖已成为城市建设过程中亟需面对的问题,解决城市建设发展与已有地铁保护双重需要的矛盾具有重要意义。

本文以西安咸阳国际机场三期扩建工程GTC及轨道预留项目基坑支护工程为例,针对邻近在运营地铁线路两侧基坑,讨论实际施工关键技术。

1 工程概况

1.1 项目概况

本项目为西安咸阳国际机场三期扩建工程GTC及轨道预留项目,包括GTC换乘中心、GTC南北停车楼及地铁车站等。基坑分为东、西2个区,在运营地铁线路从项目中间穿过。

基坑东西长约390m,南北长约460m,面积约138 000m2,开挖深度为6.3～21.5m。项目包括南北过夜用房(H1,H2区)、换乘中心(G2,G4区)、南北停车楼(P1-1,P2-1),在运营的机场14号线由南向北下穿通过GTC,项目分区如图1所示。

图1 项目分区Fig.1 Project sub-region

1.2 基坑与地铁位置关系

换乘中心段基坑与地铁14号线车站主体结构最小水平净距为3.2m,地铁预留工程基坑与地铁14号线车站主体结构最小水平净距为3.8m;南过夜用房基坑与地铁14号线主体结构最小水平净距为7.1m。位置关系如图2所示。

图2 基坑与地铁车站关系Fig.2 Relationship between foundation excavation and subway station

北过夜用房基坑与地铁14号线盾构区间正线隧道最小水平净距为6.25m,地铁预留工程基坑与地铁14号线盾构区间正线隧道最小水平净距为6.70m。位置关系如图3所示。

图3 基坑与地铁隧道关系Fig.3 Relationship between foundation excavation and subway tunnel

1.3 工程地质条件

该项目场地地貌单元属黄土塬,根据现场勘察及室内试验结果,场地湿陷性等级为Ⅱ级,湿陷性黄土受浸水作用后结构弱化,其强度会大幅度降低,产生增湿剪切破坏现象。

2 工程重难点

2.1 紧邻运营地铁,变形控制要求高

项目基坑紧邻地铁线路,相关附属结构包括机房、电梯预留井口、泵房、出风口等,均位于地铁结构上方,结构周边有挡土墙、挡水墙,上部有排水沟,北过夜楼北侧有消防水池。车站内部局部已存在裂缝、渗漏等情况。因此,对变形控制的要求极高。

基坑开挖导致既有地铁线路变形的因素有很多,如基坑开挖的时空效应、基坑与地铁隧道的相对距离等,其中基坑与地铁隧道的相对距离对既有地铁线路变形影响最大[1]。

2.2 基坑规模大,工程难度大

基坑为最大深度达21.5m的超深基坑,在运营地铁从场地中间穿过,现场作业空间有限,同时作业单位多,且基坑位于在运营地铁线路东西两侧,导致施工现场管理、平面协调与交通组织难度较大。

3 基坑支护形式

车站为地下1层六柱五跨箱形结构。车站总长约432.8m,标准段宽60m,底板埋深约17.65m。车站两端均设置暗挖区间。

各区域基坑支护形式如图4所示。

图4 各区域支护形式Fig.4 Support form in each area

换乘中心(G2区)支护深度为10.33m,采用护坡桩+钢管斜支撑。北旅客过夜用房(H1区)支护深度9.47m,采用护坡桩+钢管斜支撑。基坑北端进入车站端头及区间影响区范围,围护桩直径为1.2m,水平间距1.5m,设3道水平斜撑和1道换撑,第1道为800mm×800mm混凝土支撑,其余3道均为φ800×20钢支撑。南旅客过夜用房(H2区)支护深度9.47m,采用护坡桩+钢管斜支撑。基坑南端进入车站区间影响区范围,采用护坡桩+钢支撑。

换乘中心(G4区)支护深度12.1m,采用护坡桩+钢管斜支撑、倒撑。北停车楼(P2-1区)支护深度12.1m,采用护坡桩+钢管斜支撑、倒撑。基坑北端进入车站端头及区间影响区范围,围护桩直径为1.2m,水平间距1.5m,设3道水平斜撑和1道换撑,第1道为800mm×800mm混凝土支撑,其余3道均为φ800×20钢支撑。南停车楼(P1-1区)支护深度12.1m,采用护坡桩+钢管斜支撑、倒撑。

4 工程影响分析

基坑开挖过程即基坑卸荷的过程,由于卸荷而引起坑底土体产生向上隆起、基坑围护结构侧向变形及坑周地层的移动,从而导致地面沉降及坑外地铁隧道的变形,如图5所示。

图5 基坑开挖卸荷后的变形Fig.5 Deformation of foundation excavation after excavation unloading

在基坑开挖过程中,随着支护结构的水平位移和坑底土层的隆起,紧邻深基坑的在运营地铁隧道会产生水平和竖向位移。隧道变形呈不均匀性,从而产生一定的弯曲变形。当隧道变形超过一定值时,易对其正常运营产生影响。利用有限元软件对该工程的开挖进行模拟,分析不同工况对地铁线路及支护结构的影响。计算模型如图6所示。

图6 有限元计算模型Fig.6 Finite element calculation model

4.1 基坑开挖对地铁线路影响分析

4种不同开挖工况下的地铁车站侧墙变形如图7所示。由图7可知,开挖过程中是否预留反压土对地铁车站的水平变形影响相对较大,当开挖过程中预留反压土时,地铁车站的水平变形最小。相较于非对称开挖,地铁车站两侧对称开挖也能有效减小车站结构的水平变形。当采用对称开挖时,地铁车站结构呈两侧对称式的水平变形;当采用非对称开挖方式时,地铁车站有整体向开挖侧变形的趋势。

图7 地铁车站侧墙变形Fig.7 Deformation of side wall of subway station

不同开挖工况下地铁车站两侧的差异沉降量如图8所示。由图8可知,非对称开挖且无预留反压土的情况下,地铁车站的差异沉降量较大,而有预留反压土的情况下,地铁车站的差异沉降量较小。

图8 地铁车站两侧差异沉降Fig.8 Settlement difference on both sides of subway station

4.2 基坑开挖对支护结构影响分析

不同开挖工况下支护桩桩身水平变形如图9所示。由图9可知,开挖时预留反压土,能较好地限制桩身水平变形,其原因是反压土提供的被动土压力能限制支护结构后主动土压力区的发展,从而减小支护结构的水平变形。此外,采用对称式开挖也能在一定程度上减小支护结构的水平变形,因对称式开挖在支护结构后侧产生主动土压力区,减小了作用在对侧支护结构上的附加应力。

图9 桩身水平变形Fig.9 horizontal deformation of pile

5 工程关键技术

基坑开挖是一个动态过程,开挖方式及顺序的选择对周围环境影响较大[2],既有地铁结构距基坑越近,或两侧基坑开挖面高差越大,结构产生的位移也越大[3]。因此,需针对工程实际条件制定完善的开挖及支护对策。隧道两侧深基坑开挖常采用分区开挖、紧邻地铁隧道区域地下室减层设计、坑内土体加固[4]等施工措施。

5.1 土方开挖

5.1.1分区分段开挖

地铁线路结构的变形主要由深大基坑坑底隆起和基坑支护结构变形所引起,且与基坑卸荷量大小及卸荷时间长短有关。因此,将大面积卸荷区域划分为若干个独立的卸荷区域,分阶段、分时段进行开挖卸荷可减小对地铁线路的影响。施工区域分块如图10所示。

图10 施工区域分块Fig.10 Construction area block

地铁影响区土方开挖及支护阶段,既有线两侧共分为18个板块(西侧9个板块,东侧9个板块),开挖高差≤2m,由远离地铁方向向靠近地铁方向分层施工。地铁影响区主体施工阶段,既有线两侧按设计后浇带共分为22个板块(西侧10个,东侧12个)。北旅客过夜用房和北停车楼(P2-1)由北向南施工;换乘中心(G2/G4)由两侧向中间施工;南旅客过夜用房和南停车楼(P1-1)由南向北施工。

5.1.2对称同步开挖

紧贴地铁隧道单侧基坑开挖引起车站结构上抬,并产生不对称变形[5],基于时空效应理论,通过优化土方开挖步序,依据不同基坑深度,合理分层分块,针对深基坑土方工程对地铁变形的影响,采取限量、限时、平衡、对称等开挖原则,确保土方施工时的地铁及围护结构变形可控[6]。因此,本工程地铁线附近土方开挖时应注意对正在运行地铁线的保护,地铁两侧土方开挖区域分为8仓,分仓、分段、两侧对称同步开挖,开挖过程中加强监测频率。相较于非对称式开挖,基坑对称式开挖对地铁车站结构的变形影响较小,主要是因为对称开挖是同时卸荷,地铁车站部分侧向位移会相互抵消[7]。

5.2 基坑支护

5.2.1对称施工

基坑支护设计及施工过程中需特别注意对地铁隧道的保护,为保证既有地铁线路的正常运营,本工程采用钢管斜撑支护,钢管斜撑应就近在平坦场地分节拼接,以确保拼接质量,拼接完成后转运至施工现场。地铁两侧对称开挖后,钢管斜撑应在东西两侧对称施工,两侧同时施加预应力,防止因受力不对称引起既有地铁线路变形。

5.2.2预留土体

为优化支护效果,应尽可能减小地铁结构的变形,施工斜撑前,需保留一部分反压土,减小围护结构的弯矩,从而减小其变形。同时,预留土体可减小对地基承载力的影响,减小地铁结构的沉降,也可减小因基坑开挖卸荷引起的基坑附近土体隆起,减小围护结构及地铁原有支护结构的竖向变形,加强围护效果,原有地铁基坑和现基坑支护结构共同作用,形成了较大的支护刚度,能较好地控制开挖变形的发展[1]。

5.2.3拆撑换撑

斜撑会占用一部分主体结构的建筑空间,因此当主体结构侧墙及筏板混凝土支座强度达到设计强度的75%后,应进行换撑,以保证控制变形的同时给主体结构留有足够的施工空间。

支护结构施工步骤如图11所示。

图11 支护结构施工步骤Fig.11 Construction steps of supporting structure

1)第1步 主体围护桩施工完成后,两侧基坑分层、分段、对称开挖,开挖过程中保留反压土(见图11a)。

2)第2步 开挖至底板后,施作地基处理桩基、褥垫层,浇筑垫层、底板及抗剪蹬(见图11b)。

3)第3步 架设斜向钢支撑,并对称施加预应力(见图11c)。

4)第4步 开挖反压土,施工剩余底板及侧墙抗剪蹬,并架设钢换撑(见图11d)。

5)第5步 拆除斜向钢支撑,施工剩余侧墙及顶板,待施工结束后拆除钢换撑(见图11e)。

5.3 施工协调

支护桩、土钉墙、喷锚支护的施工应穿插进土方开挖过程中,土方开挖与支护工程施工交替进行,每层开挖至锚索或钢支撑位置下50cm时,立即施工锚索或钢支撑,减少土体暴露时间。待锚索或钢支撑达到设计要求后再进行下层土方开挖。钢支撑在夏季高温季节会产生胀缩现象,故在施工过程中应严密监测其轴力、应力及变形,当监测值接近预警值时,应采取草垫遮盖、洒水等降温措施,以保证钢支撑轴力在安全范围内。

6 监测情况

为准确判断基坑在土方开挖及结构施工过程中的稳定性,本工程委托第三方专业监测机构对施工全过程中的支护结构及周边环境变形进行了监测,并及时整理观测数据,以便指导现场施工。监测内容包括:护坡桩顶部水平及竖向位移、支护结构深部水平位移、周边道路沉降、坑边地面沉降等。监测结果表明,基坑围护结构及地铁隧道变形控制稳定,该实施方案效果较好。

7 结语

本文以西安咸阳国际机场三期扩建工程GTC及轨道预留项目为例,针对邻近地铁钢管斜撑支护及土方开挖施工,详细分析了工程重难点及工程影响,探讨了支护形式、开挖方式、施工整体部署及关键技术要点。通过灵活调整土方开挖及基坑支护施工部署,实现多阶段施工同步开展,提高施工效率。针对邻近运营地铁的深基坑,采用钢管斜撑的支护形式并在开挖过程中预留反压土的支护效果较好,可减小基坑施工对邻近地铁线路的影响,具有较好的安全性和实用性,可为今后城市建设中的相关工程提供借鉴和参考。