地铁车站基坑施工工法比选与开挖变形特性分析

朱凯强,何 岩,刘帅磊,杨 涛

(1.中交二公局第三工程有限公司,陕西 西安 710016;2.西安工程大学,陕西 西安 710048)

0 引言

地铁车站施工工法的选择需考虑多方面因素的影响,如经济效益、技术难度及工期限制等;且基坑开挖变形直接影响施工安全,需严格控制其沉降变形[1]。

李少波[2]依托厦门某基坑工程,针对施工过程中地铁深基坑的变形特征问题,采用统计分析和数据挖掘的方法,开展基坑围护结构水平位移和墙后地表沉降变形分析研究;李炜明等[3]以城市地铁典型车站为工程背景,研究不同开挖深度下的车站基坑地下连续墙变形;焦武阳等[4]结合杭州实际基坑工程,从工程施工难点出发,总结软土地区深大基坑开挖变形控制技术。虽不少学者对地铁车站的监测分析进行了一定研究,但对盖挖半逆作车站基坑监测的分析研究相对较少。

本文以西安地铁10号线某地铁车站基坑工程为背景,通过工法比选,结合实际工程选出合理的施工工法;同时进行现场监测分析,研究基坑开挖对围护结构及周边地表的变形影响,总结出基坑开挖变形规律,为今后类似工程项目提供工程经验参考,确保施工安全。

1 工程概况

1.1 车站概况

西安地铁10号线一期工程东风路站位于阳光大道和东风路交叉路口,车站沿阳光大道南北向布置于道路下方,如图1所示。东风路站为地下2层岛式车站,采用明挖顺作法及局部顶板盖挖半逆作法施工。车站基坑设计长度为228m,标准段基坑宽19.9m,盾构扩大段宽度为24.4m;底板埋深16.0～17.5m,顶板覆土厚度为3.55m。

图1 区间下穿概况

1.2 地质条件

拟建东风路站区间地貌单元属渭河一级阶地及渭河漫滩区,场地地形平坦,周边未发现影响场地稳定性的滑坡、泥石流及崩塌等不良地质作用。地面高程一般为370.620～373.850m。拟建场地地下水属第四系孔隙潜水,其含水层主要为强透水性砂层,属第四系全新统及上更新统。勘察期间为平水位期。地下水位埋深6.8～14.8m,根据现场调查和勘探结果分析,考虑到渭河、灞河的水位涨幅影响,渭河河漫滩水位年变幅1.66～2.34m。场地土层与半逆作车站如图2所示,土层信息如表1所示。

表1 场地土层信息汇总

2 施工工法比选

对于地下工程施工来说,埋深较深,不允许长时间占用地面交通路面,因此常规的明挖法等不适合此工程,而盖挖法可避免长时间占用交通路面,已成为较中意且技术成熟的工法选择。根据地下工程结构施工工序和盖板施工范围的不同,将盖挖法分为:盖挖逆作法、盖挖半逆作法和盖挖顺作法。

2.1 技术特点对比

1)盖挖顺作法 开挖前根据现有路面宽度,完成围护桩或地下连续墙等挡土围护结构后,施作盖板支撑覆盖在围护结构之上,组成围护+盖板的结构,包括纵、横梁和路面板置于挡土结构上维持交通,盖板相当于临时路面[5-6]。在盖板下进行土体开挖和加设横撑到底板标高;待开挖到基坑底部后,再由下至上修筑主体结构部分和防水设施;将原临时结构拆除并回填上部覆土至地面标高。

2)盖挖逆作法 利用地下工程主体结构的全部或部分作为支护结构,采用自上而下的施工工序:①施作中间柱,在施作立柱时,应将车站主体的围护结构修建完成;②施作顶板,顶板一般由地面上方盖板及梁组成;③施作中板与侧墙,地下1层土方开挖后进行中板结构的施工;④施工底板与底层侧墙,地铁车站基坑开挖面大且埋深较浅,采用盖挖逆作法施工可解决恢复路面交通的问题,占道时间短,安全性高,但其施工作业面小,进度较慢。

3)盖挖半逆作法 一般用于结构宽度较大且有中间桩、柱存在的情况,其施工工序为:①施作围护结构的同时进行中间桩和柱的施作,承受上部结构自重和施工荷载;②完成顶板后立即回填覆土,避免对地面的二次开挖;③自上向下逐层开挖土体,直至底板封底,再按顺作顺向施工车站主体,减少结构应力转换,提升了结构的整体性和防水性能。

2.2 工法比选确定

以上施工方法各有特点,从不同的施工条件出发选择合理的施工工法,需综合考虑所选工法对路面交通的影响,并对经济效益、施工难度、工期限制等指标加以控制。

1)首要考虑对路面交通的影响。采用盖挖顺作法时,主体结构施工完成后需拆除施工临时路面并恢复填土,会对交通带来二次影响,比逆作法和半逆作法对路面交通的干扰更大,交通恢复进度最慢。

2)对于经济效益,盖挖逆作法和半逆作法两者的施工成本相差不大,但盖挖顺作法需施作临时顶板和路面,且后期要拆除,施工成本更高。

3)3种工法施工难度侧重点不同:盖挖逆作法各工序连接施工质量较好,半逆作法对立柱与围护结构差异沉降控制方面要求较高,而盖挖顺作法要注意监测支撑的变化、维护临时路面,施工难度较小。

4)盖挖顺作法开挖施工进度快;盖挖逆作法由于施工空间狭小,进度最慢;盖挖半逆作法没有临时路面系统,且施工难度相对合理,施工速度最快[7]。

结合东风路车站实际工况,车站位于阳光大道与东风路交叉位置,该地段为城市主干道,对交通疏解要求高且交通流量大,优选盖挖逆作法和半逆作法;在施工成本相近的前提下盖挖半逆作法施工工期更短,施工进度更快;半逆作法技术难度高但随着施工水平的不断提升,技术问题可快速解决。因此,从路面交通影响、经济效益、技术难度及工期限制等多因素考虑,东风路车站施工工法宜选择盖挖半逆作法。

2.3 方案设计

盖挖半逆作段顶板以上区域采用钢板桩+钢支撑支护,φ609钢支撑,t=16mm,水平间距约为6m;顶板以下区域采用围护桩+2道内支撑支护,钢支撑水平间距约为3m;盖挖半逆作顶板承载力由板下格构柱、格构柱桩基础及盖挖半逆作段主体基坑围护桩共同提供。半逆作顶板下设600mm×600mm格构柱(兼作抗拔桩),格构柱间距5.5～6.0m,桩基长度为25m。围护桩之间采用喷射混凝土进行封闭,喷射混凝土面层平均厚度为80mm,挂网钢筋采用植筋。

3 结果分析

沿基坑周边靠近土体的围护结构内侧布设围护桩监测点,间距为30m,分别布设在基坑各边中间部位、阳角部位、深度变化部位与地质条件复杂部位等。平行于基坑边缘布设地表监测点,不少于2排;第1排测点距基坑边≤2m,每排测点间距10～20m;在具有代表性的基坑部位布置基坑横向监测断面,每个监测断面测点≥5个;起始监测断面与围护桩顶位移监测初始断面接近,约每隔30m设置一监测断面。部分监测点位如图3所示。

图3 部分监测点位

盖挖半逆作段选取多个代表性监测点进行分析,地表监测取3个测点进行分析。

3.1 围护桩变形分析

围护桩作为主要围护结构,与钢支撑共同作用,为基坑提供结构支撑,保证基坑周边土体变形稳定。选取ZQC1,ZQC2,ZQC3,ZQC4 4个代表性时间节点的监测点数据进行分析。

围护桩桩顶竖向位移曲线如图4所示。由图4可知,桩顶竖向位移以沉降为主,其中测点ZQC4范围的基坑开挖落后于其他部位,土应力释放滞后,造成其他部位出现沉降时,此部位沉降量多为正,反而出现隆起现象;最大沉降出现在ZQC1处,值为2.34mm,除ZQC4外,各测点在此时间节点均出现明显沉降后又隆起,结合施工可知,此阶段先完成中部土体的开挖,土应力释放造成围护桩沉降,后施加钢支撑,提供支撑力,维护应力平衡[8]。在整个开挖过程中,围护桩桩顶竖向位移远小于桩顶竖向位移累计变形控制值,且沉降差异正常,满足施工控制要求。

围护桩桩顶水平位移曲线如图5所示。由图3,5可知,围护桩桩顶水平位移测点ZQC1,ZQC2与ZQC3,ZQC4分别位于基坑南北两侧,围护桩整体位移以基坑中心轴为基准向基坑内侧偏移,呈现对称变化规律。最大变形值为4.12mm,位于ZQC4测点处,且小于预警值。对比测点ZQC1,ZQC3发现,随着基坑开挖的进行,围护桩桩顶水平位移不断增大,这是由于半逆作工法在基坑开挖完成后便进行了车站底板等结构的施工,及时提供支撑刚度,在外侧土压力作用下,桩顶向基坑内侧偏移;位移变形在0～4mm间浮动,基坑开挖对桩顶水平位移的影响较小。

图5 桩顶水平位移曲线

位移变形值骤减均发生在3次钢支撑架设的时间节点上,说明在基坑开挖施工过程中,支撑架设对位移控制十分重要,因此在施工过程中要及时架设支撑,有效控制围护结构的变形[9]。

3.2 地表变形分析

图3中的12个监测点沿基坑纵向分布,其中DBC1-2,DBC2-2,DBC3-3,DBC4-3 4个测点的竖向位移随基坑开挖以隆起为主,其余测点的竖向位移以沉降为主,选取DBC2,DBC3的位移值进行分析,如图6,7所示。测点越靠近基坑,竖向位移下沉幅度越大,最大变形点为DBC3-1,沉降值为4.46mm;基坑南侧隆起位置比北侧更靠近基坑,排除周边建筑物、地质条件等其他因素影响,由于北侧测点以北的地下管线改迁施工也进行了部分土体开挖,使其北侧DBC3测点部位土应力释放多于南侧,造成土体隆起不明显且位移变形值更小;每一步工序的进行都会相互产生影响,在施工中要提前对有关因素进行多方面考虑,保证施工安全[10]。

图6 监测点DBC2位移

由图6,7可知,2022年4月16号前,前期基坑土体多次开挖,地表沉降变形明显快速增大,当基坑底部土体开挖完成,沉降达到最大值,在之后的车站底板等结构施工过程中,基坑变形有所回升,车站结构对地表沉降变形有很大的限制作用。从监测资料统计分析,这12处及周边其他测点的地表累计沉降变形值均小于5mm,远小于变形控制值。

4 结语

1)结合实际基坑开挖工程,要考虑路面交通影响、经济效益、技术难度及工期限制等多因素的影响,从不同的施工环境出发选择最合理的施工工法。

2)通过现场监测分析,基坑开挖施工造成围护结构向基坑内部偏移,整个开挖过程中,土应力释放造成围护桩沉降及周边地表产生隆起与沉降。因此,支撑架设要及时跟进,维护应力平衡;同时,半逆作施工速度快,车站结构及时施工发挥出了对开挖变形的限制作用,保证施工安全。

3)基坑开挖安全至关重要,结合西安地铁某车站基坑工程,施工工序之间联系紧密,相互影响,因此施工中要提前对有关因素进行多方面的考虑。