紧邻地铁的深基坑支护施工技术

 

0　引　言

 

在深基坑开挖的施工过程中,基坑内外的土体应力状态将发生改变,即由原来的静止土压力状态向被动或主动土压力状态转变,其改变将引起围护结构承受荷载并导致围护结构和土体的变形,围护结构的内力与变形中的任一量值超过容许范围,都将造成基坑的失稳破坏和使周围邻近建筑物及设施失效或破坏。因此基坑稳定及变形对周围已有建筑物的安全有着至关重要的作用,控制基坑变形尤其是复杂环境中的基坑变形成为工程界急需解决的一个难题。

 

1　工程概况

 

星河发展中心位于深圳市福田中心区,中心五路与福华三路交汇处。总建筑面积122357.94m2

 

地下四层建筑面积33879·06m2,裙楼为四层,两座塔楼为酒店及办公楼,酒店24层,办公楼21层,最大高度为99.85m。基坑东西长55.75m、南北长176.0m,深18.6m,面积达8551.2m2。该工程为桩筏基础,地下室底板标高-17.7m,电梯井部分局部开挖深度为22m。

 

基坑周围环境极为复杂(见图1),北边紧邻深圳地铁一号线和会展中心5号出口,西边紧邻深圳地铁四号线和会展中心地铁4号出口,且4号出口已在建筑红线范围内,东侧为金中环商务大厦,其基础埋深15.3m,为桩筏基础。

 

2　工程地质条件

 

场地土层从上至下为①素填土:由粉质粘土堆填而成,层厚6m;②粉土:层厚1.5m;③淤泥质粉细砂:灰黑色,局部夹薄层淤泥和泥炭,层厚4m;④中粗砂:饱和,稍密、含粘土,层厚3.5m;⑤含砾粉质粘土:层厚2m;⑥砾质粉质粘土:层厚6m;⑦全风化中粒花岗岩:层厚7m;⑧强风化中粒花岗岩:层厚5m;⑨中风化中粒花岗岩:层顶埋深约26.5m。土层的物理力等性质指标见表1。地下水赋存于④层中,稳定水位埋深6.2m。3　基坑支护方案

 

1)基坑东西侧支护方案

 

基坑西侧支护采用钻孔咬合桩加内支撑结构支护,桩径1.2m,桩间距1.0m,素砼桩与钢筋砼桩交错咬合搭接。针对基坑东侧金中环基坑,若采用钻孔灌注桩支护,施工机械的行走对土的扰动可能对邻近的基坑支护结构产生影响,为避免本基坑的施工对金中环基坑支护结构造成损害,选用桩径1.2m,桩间距1.15m的人工挖孔咬合桩支护,搭接20cm。此段单独另设置止水帷幕。东侧其余部分,采用桩径1.2m,桩间距1.5m的钻孔桩支护,桩间旋喷止水。基坑东西两侧采用三道混凝土支撑结构,预防地铁支护墙位移。支撑截面为1.0m×1.2m,砼C30浇筑而成。基坑西侧紧邻深圳市4号地铁,西北角处,基坑与地铁距离仅为3.5m,经分析可在地铁支护墙上植筋,形成基坑植筋墙,将内支撑撑到现浇的植筋墙上,以免支撑体系直接与地铁一层支护结构接触。

 

2)基坑南北侧支护方案

 

基坑南侧为高层建筑和道路,采用钻孔咬合桩加四道锚索支撑,角点处增加角撑。基坑北侧距深圳地铁1号线约18m,距会展中心5号出口7m,地铁1号线开挖深度约15.8m,并且存在一条埋深达9m的电缆沟,结合本侧距地铁有一段距离的实际情况,设计考虑做钻孔咬合桩加五道锚索的支撑体系(见图2)。4　基坑支护施工技术

 

为确保基坑变形不超过容许范围,须控制每道工序质量,即支护桩成桩阶段、土方开挖和内支撑施工阶段、内支撑拆除阶段。

 

4.1　支护桩成桩阶段

 

本阶段控制的重点是:西、北侧紧邻地铁处钻孔咬合桩的施工。

 

咬合桩起到挡土止水作用要严格控制其施工质量,具体要求如下:

 

1)A类桩混凝土采用超缓凝混凝土,混凝土缓凝时间≥60h,混凝土强度C15,混凝土坍落度为14cm,混凝土的R3d不大于3MPa。要求必须在A类桩混凝土初凝前完成B类桩。施工顺序为A1→A2→B1→A3→B2→A4→B3(见图3)2)桩定位误差10mm,桩的垂直度偏差0.3%;

 

3)设计咬合厚度为200mm;

 

4)B类桩为钢筋混凝土桩,混凝土强度C30,初凝时间10h。

 

4.2　基坑开挖及内支撑施工阶段

 

基坑开挖和内支撑梁施工交替进行,内支撑主梁的截面为1.0m×1.2m,连系梁为0.6m×0.8m,

 

内支撑柱直径为1m,共68根。

 

1)内支撑柱采用钢筋混凝土柱和部分钢柱,用人工挖孔的方法在土方开挖前做好。

 

2)内支撑梁采用钢筋混凝土结构,施工分三道四榀进行,与土方开挖配合施工,挖一层施工一层。

 

3)锚索施工:基坑北侧五排锚索,基坑南侧四排锚索,配合土方开挖分层施工。

 

本阶段控制的重点是:土方分层开挖、对称支撑和锚索施工以及工序间的配合与协调。

 

4.3　内支撑拆除阶段

 

对于该基坑的内支撑拆除,若单纯用切割,此法对地铁无影响,但基坑内垂直吊运的廻转半径有限制,且机械设备使用频繁施工造价较高。采用固体膨胀挤压静态爆破的方法进行支撑梁的拆除,此法基本无振动,对地铁影响较小,但混凝土清渣量大。综合以上考虑,本工程考虑采用以静爆为主,切割为辅的方法进行支撑梁的拆除作业。沿基坑西侧、基坑东北侧汽车吊站位点廻转半径范围内,尽可能采用切割方法。支撑梁柱结点处采用切割方法,切割点距离支撑柱150mm,防止静爆钻孔振动影响。支撑梁及腰梁采用静爆拆除。

 

拆除作业在下层结构本体(含该层延伸到支护体的梁板)混凝土强度达到设计强度的90%以上后进行,用下层结构本体替换上层水平支撑,即为换撑。换撑是否成功将直接影响基坑的水平位移和基坑支护安全。卸荷顺序:

 

1)每层每片支撑梁的卸荷顺序为跨中系杆卸荷-跨边系杆(对称进行)卸荷-角撑卸荷-主撑卸荷。

 

2)卸荷严格按照对称、平衡约束控制,保持换撑平稳过度,防止支撑柱变形。

 

本阶段控制的重点是:支撑拆除对称、均匀,下层结构本体替换上层水平支撑的换撑。

 

5　基坑监测

 

为确保基坑支护结构的安全运行,在基坑支护施工过程中,对基坑、周围建筑物、周围道路管线的位移进行了监测,以及深层土体位移监测,桩身,锚杆和支撑的应力监测和地下水位监测。

 

5.1　位移监测

 

该基坑共布置了16个水平位移监测点及10个垂直位移监测点(见图4)。基坑深层位移见图5。4个基坑深层水平位移测点其曲线变化均呈两端头小,中间大的特点。由于基坑围护灌注桩顶部受压顶梁的约束作用较大,故在基坑开挖过程中桩顶部的位移始终保持较小值。基坑的深层水平位移由桩顶逐渐沿深度开始增加。10m左右处达到最大值,而后逐渐减小,在距地面约26m处趋于0,说明本工程基坑开挖时位移影响最大深度为基坑开挖深度的约1.4倍,而支护桩长为36m,稍大于位移影响深度,比较合理。图5中CX1桩顶位移出现负值,是因为施加的内支撑轴力大于基坑侧壁土压力。同时CX3中也存在类似的情况,因为预应力锚索的所施加的应力大于基坑的土压力。比较CX1,CX2,CX3,CX4的位移发现,CX1以及CX3测得的最大水平位移大于CX2和CX4测得的最大水平位移,原因是临近地铁出入口位置的监测点位移较小,因为地铁出入口处原基坑开挖的面积大,开挖后的出入口基坑离本工程的基坑支护距离很近,且地铁基坑处的支护为三桩咬合因此整体刚度大,同时,随着开挖的进行,两个支护桩之间的土压力越来越小,因此相对位移较小。桩顶水平位移在开挖期间增长较快,随着开挖和支护的完成,位移增长逐渐变缓,60d以后基本稳定,其中CX3测点的位移最大,约为开挖深度的0.1%。

 

以CX3监测点说明不同工况下的桩顶水平位移的动态变化(见图6)。由图6上各工况下的水平位移曲线可以反映出:

 

1)基坑开始开挖的一段时间到第一道内支撑及预应力锚杆施工完毕并达到强度前位移曲线最陡,位移增长最快。

 

2)每道内支撑及预应力锚杆施工完毕后基坑的位移都有所回弹,表明预应力的施加是成功的。

 

3)第三道内支撑及预应力锚杆施工完成后,基坑的位移基本趋于稳定。

 

2007年2月26日,星河发展中心工程地下室结构全部施工完毕。监测结果汇总(见表2)显示地铁四号线向基坑内最大总位移为0.76cm,地铁一号线向基坑内最大总位移为0.73cm,基坑位移控制在1cm以内,基坑安全稳定,达到了很好的控制目的。6　结　论

 

1)本基坑支护充分考虑基坑特点、土质条件、周围环境及工程要求等因素,选择了与其相适应的支护形式,取得了良好的支护效果和经济效益。在内支撑拆除过程中,应用基坑内支撑换撑体系,用结构本体来代替拆除后的基坑内支撑体系,采用切割卸荷加静爆拆除内支撑体系等工艺,成功保证了复杂环境中基坑支护桩的水平位移在容许范围之内。

 

2)该基坑水平位移曲线呈现两端头小,中间大的特点,土层水平位移在基坑开挖底面处左右达到最大值。基坑最大水平位移值均小于报警值,基坑开挖时水平位移的最大影响深度约为1.4倍的开挖深度,支护桩长取稍大于1.4倍的开挖深度比较合理,保证了围护结构的稳定性,土体深层位移在开挖60天后趋于稳定。

 

3)在基坑的施工管理中,应尽量减少支护结构的暴露时间,对于控制基坑水平位移是相当有意义的。在本工程的施工管理中实现了开挖土方和支撑系统的协调,严格按照“平衡、对称、分块分层、限时”的原则进行,并根据监测结果调整开挖速率,说明整个基坑工程支护是成功的。为以后类似工程提供了范例。

 

参考文献

 

[1]JGJ120—99　建筑基坑支护技术规程[S].

 

[2]DBJ/15—20—97　建筑基坑支护工程技术规程[S].

 

[3]DBJ/15—31—2003　建筑地基基础设计规范[S].

 

[4]余志成,施文华.深基坑支护设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.