地铁工程基坑围护方案的设计与施工

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  【摘 要】 文章结合具体工程实例,针对其地铁工程条件,主要探讨了地铁工程基坑围护方案的设计与施工。
  【关键词】 基坑围护;设计与施工
  1 基坑围护方案比较确定
  根据工程地质条件,周边环境,结合当地类似工程经验,受地铁隧道对变形控制的限制,工程采用的围护体系应满足如下三个方面的要求:
  一是应严格控制变形,宜采用变形较小的刚性支护体系,保护地铁盾构隧道;
  二是应尽量保持地下水位,地下水位不得有过大的上升及下降,以消除地下水位的变化对地铁盾构隧道的影响;
  三是围护体系本身的施工应尽量减少对地基土的扰动。
  本着上述要求,经济合理、安全可靠的原则,重点对排桩加一道支撑及土钉墙(或放坡开挖)进行了对比分析。分析结论如下:
  以典型的粉土地区为例,在5米左右的開挖深度,在类似的中密粉砂土区域,采用土钉墙(或放坡开挖)柔性支护结合降水的体系变形一般都不大,虽然不同项目有不同的变形,但经类比分析,边坡变形一般10mm左右,甚至更小。通过对放坡开挖结合适度降水进行有限元模拟分析,隧道变形也基本能控制在5mm以内,认为采用放坡结合适度降水的方案能满足本工程基坑开挖和地铁隧道变形控制的要求。但放坡后,在水平方向上,基坑边坡已处于地铁隧道5m的红线范围内,但根据地铁的相关管理要求,距地铁5m范围内,不得进行深基础开挖等工程建设活动,因而临近地铁一侧,放坡开挖结合适度降水的方案也就不具备可行性。
  各方案简图详见下页。
  从类似工程经验,曾重点对SMW工法加一道砼支撑的方案和钻孔灌注桩加一道砼支撑的方案进行了经济技术比较。
  1)钻孔灌注桩+止水帷幕
  该法特点是:桩体刚度大,控制基坑变形较好、施工工艺简单、桩体可以作为永久结构的一部分。其对各种土层的适应性强、无挤土效应、无震害、无噪音、刚度较大、施工作业面要求低等优点,尤其适用于建筑物包围的狭小场地施工。钻孔桩机械市面上很多(有利工作面展开),对地下障碍物的适应性好,且工程造价较小。
  2)SMW工法(型钢水泥土挡墙)
  该工法是利用搅拌设备就地切削土体,然后注入水泥系混合液搅拌在地层中形成连续水泥土挡体,最后以一定形式在其中插入型钢(一般为H型钢),形成刚度较大、防渗性能好的劲性复合围护结构。优点:施工速度很快,每台机械每日施工的平面长度可达15m;施工质量易保证、造价较低;沿墙体无接缝,止水效果好;无泥浆污染。缺点:围护墙刚度相对较弱,施工作业面要求高,对地下障碍物的适应性差。
  经过分析并进行了相关的验算后,SMW工法结合一道钢支撑及钻孔灌注排桩均能满足相关技术要求,SMW工法在节约造价方面由于钻孔桩。但因型钢拔除时的震动及扰动均会或多或少的对隧道产生影响。而若基坑完工后,型钢不拔除,则造价又明显高于钻孔灌注桩,若北侧靠近地铁处,型钢不拔除,则综合围护桩及止水帷幕对地基土的扰动、以及工期的因素,SMW工法相对较好。
  因此,在“安全可靠、技术先进、经济合理、方便施工”的原则下,最终采用Φ850SMW工法的支护体系,虽然变形控制要求较低,采用Φ650SMW工法的支护体系相对节约造价。但若项目工程量很小,调用过多的设备,可能设备的进出场费实质上已经超过了节约工程量的造价,因而基坑各侧均采用Φ850SMW工法的支护体系。
  2 支撑体系的设计
  由于受桥墩混凝土浇筑的要求、以及桥墩上部预埋件的影响,致使对支持杆件的平面及竖向布置的位置所限制,支撑的竖向布置只能设置在桥墩面上方,且需避开大量的牛腿等预埋件。
  在支撑的材料选择上,基坑围护支撑形式常用有两种:钢筋砼支撑、钢管支撑。下表为支撑材料的优缺点:
  支撑材料 优点 缺点
  钢支撑 1.轻,拆装方便且速度快,可加快施工进度,缩短围护结构无支撑时间;
  2.据围护结构变形发展时间及时调整预应力值以控制其变形;
  3.制式结构,钢支撑可多次重复使用;
  4.不受基坑周围土质的影响,适用性好。 1.刚度较钢筋混凝土支撑小,围护结构变形稍大;
  2.撑按安装误差对支撑强度及稳定影响较大;
  3.于宽大基坑时,应采取可靠措施防、止支撑失稳;
  4.由于支撑的存在,对机械化开挖作业有干扰。
  钢筋混凝土支撑 1.支撑整体刚度大,围护结构变形小,安全可靠;
  2.对基坑平面形状的适应性好,可应用于各类基坑;
  3.不受周围土质的影响,适用性好。 1.混凝土现场浇筑时间长;
  2.用作临时支撑时拆除工作量大,造价高;
  3.由于支撑的存在,对机械化开挖作业有干扰。
  综合分析两种支撑的优缺点,结合本基坑工程平面形状,为加强围护体系整体刚度采用钢筋砼支撑。
  3 基坑工程施工
  3.1 SMW三轴水泥搅拌桩
  1、本围护结构采用三轴Ф850@600水泥土搅拌桩作止水帷幕及土体加固,水泥土搅拌桩采用标准连续方式施工,搭接形式为全断面套打。水泥土养护时间28天,无侧限抗压强度不小于1.5Mpa。
  2、水泥土搅拌桩采用42.5普通硅酸盐,水灰比1.5,水泥体积掺入比20%。
  3、桩身采用一次搅拌工艺,水泥和原状土须均匀拌和,下沉及提升均为喷浆搅拌,为保证水泥土搅拌均匀,必须控制好钻具下沉及提升速度,钻机钻进搅拌速度一般在0.5m/min,提升搅拌速度一般在1.0m/min,在桩底部分重复搅拌注浆。提升速度不宜过快,避免出现真空负压、孔壁塌方等现象。
  4、搅拌桩成桩应均匀、持续、无颈缩和断层,严禁在提升喷浆过程中断浆,特殊情况造成断浆应重新成桩施工。垂直偏差不大于L/250(L为桩长)。   5、深层水泥搅拌桩主要起到止水帷幕的作用,因此应确保水泥搅拌桩的施工质量。基坑开挖前应对水泥搅拌桩的成桩质量及其搭接效果进行检验。检验内容包括取芯、渗透系数测试(水泥土渗透系数不大于1×10-7cm/s)等,检验数量不小于总桩数的1%,具体取样位置由有关各方根据实际施工情况共同商定。
  3.2 H型钢
  1、型钢应采用Q235B,型钢须保持平直,若有焊接接头,接头处须确保焊接可靠,且型钢拼接需在车间内完成再运输至现场,型钢接头应错开不小于1m;且必须位于开挖面下超过5m;图纸中未注明处参见钢结构施工规范和钢结构焊接规程;
  2、型钢插入定位误差不得大于10mm,宜与搅拌桩居中定位,垂直度偏差不大于1/250,底标高误差不大于30mm;
  3、型钢必须在搅拌桩施工完毕后30分钟内插入,施工方应有可靠措施保证型钢的插入深度;型钢减摩剂应做试验,暂定采用石蜡;
  4、桥墩混凝土达到80%设计强度,与围护桩之间回填密实后,方可拔除型钢,型钢采用跳孔拔除,考虑到北侧拔除型钢时振动等对地铁隧道的影响,北侧靠近地铁处的型钢保留;
  5、拔型钢的同时,搅拌桩空隙内跟踪灌浆C20纯水泥浆封孔;
  3.3内支撑体系及竖向立柱
  1、冠梁、围檩、支撑砼强度等级均为C30,主筋为HRB400;未注明钢筋锚固长度均为35d,压顶梁、围檩及支撑受力钢筋的混凝土保护层厚度不小于钢筋的公称直径、最外层钢筋的混凝土保护层厚度不小于20mm。
  3、支撑体系竖向立柱桩垂直度要求偏差小于1/200,上部井字桁架要求伸入立柱桩2.5m,桩身混凝土强度等级C25,混凝土超灌高度2.0m,桩位水平偏差要求<50mm,沉渣厚度<50mm;施工时应采取有效措施,防止机械设备对井字桁架的碰撞;桁架穿越底板处,施工底板时应加焊止水片;立柱井字桁架由角钢和缀板焊接,角钢与缀板钢材型号为Q235B,焊條采用E43型,要求四周满焊,焊缝形式为直角角焊缝、焊缝质量等级二级;施工时先将桁架与下部钻孔灌注桩钢筋笼主筋焊接牢固,然后整体吊入钻孔中;施工单位在施工支墩桩前应复核桩位,并确认立柱桩避开主体结构墙体、柱、承台及地梁。
  4、桩主筋连接采用焊接,双面焊缝长度≥7d,单面焊缝长度≥14d,主筋接头间距应≥1000,在同一截面内的接头数量不应超过主筋总数的50%,桩箍筋采用螺旋箍。
  4 土方开挖及施工工况
  本方案主要采用带撑桩排支挡结构,土方开挖前施工单位应根据图纸和设计计算的基坑施工工况进行详细的土方开挖施工组织设计,必须根据支撑形式和周围运输道路情况合理安排挖土路线和设计下坑坡道,并应注意严格遵循分块、分层的土方开挖原则,尽量减少无支撑暴露时间,并杜绝由于土面高差过大而使工程桩倾斜、移位的事故或导致基坑变形过大。
  基坑施工方案应按照以下基坑施工工况来制定:
  1、开挖前应对场地标高、周围建筑、道路管线的现状进行普查并作详细记录,并平整场地使其标高不得高于相应的设计标高。
  2、施工围护桩。
  3、打设管井,埋设监测点(地铁隧道的监测应从围护桩施工开始)并进行试抽水。
  4、待围护桩到达养护龄期后,开挖至第一道支撑梁底标高,施工冠梁及第一道支撑。
  5、待第一道支撑混凝土达到80%设计强度后,分层、分块、对称开挖土方至设计坑底标高,并及时施工相应范围的基础垫层和桥墩混凝土,尽量缩短基坑暴露时间。
  6、进行桥墩混凝土结构施工。
  7、基坑回填。
  5 基坑现场监测
  5.1.监测目的
  为确保基坑、基坑周边建筑物的安全及工程地下室结构施工顺利进行,基坑开挖前对周边道路、构筑物及管道的沉降、裂缝作全面调查。施工过程中应及时获取基坑开挖过程中支护结构和周围土体的变形信息,以求掌握基坑开挖对环境的影响,作出安全预报,实行信息化施工,及时调整施工进度,有效控制围护结构及坑后土体变位,应作基坑原位监测。应选择具有相应资质且有类似工程监测经验的监测单位,地下管线应委托相应产权单位监测。
  5.2.监测内容
  基坑监测内容包括两个方面,一是基坑围护结构的监测,二是地铁盾构隧道的监测,监测点的布置详见基护-11图,图中的监测布点可根据现场实际情况调整。
  1、围护(体系)结构的监测,具体内容及相关参数见下表:
  2、地铁盾构隧道的监测
  5.3.监测要求
  1、SMW三轴水泥搅拌桩的质量检测:基坑开挖前应对水泥搅拌桩的成桩质量及其搭接效果进行检验。检验内容包括取芯、渗透系数测试等,检验数量不小于总桩数的3%,具体取样位置由有关各方根据实际施工情况共同商定。
  2、施工监测:基坑开挖前应请相关专业单位对基坑周边建构筑物缺陷及沉降、倾斜情况做一次全面检查及记录,应高度重视监测工作,按规范及设计要求严格执行;包括监测项目、测点布置、监测频率、监测预警指标。
  3、基坑北侧地铁隧道的监测,应按地方地铁管理部门的要求以及工程施工图设计技术要求进行监测,建议监测内容及监测频率、预警值等,监测应委托有相关经验的专业单位进行,应按主管部门要求编制专项监测方案,并经专家论证并报主管部门方可实施。
  6 应急措施
  在监测过程中,如遇紧急情况,须及时采取应急措施。根据本工程工作内容及地质状况,可能发生的危情,拟定如下抢险应急对策:
  1、开挖过程中围护体系变形过大或变形发展速率过快,应立即停止相应范围内的土方开挖,调整挖土方案,必要时采取回填土或设置应急支撑,以控制围护体系的变形发展。
  3、.场地内应保证一台挖土机可以随时调用,平时备好一定数量的编织袋,一旦发现位移增大或不稳定,可用砂袋回填反压。
  4、为确保基坑及其周边建筑物的安全,施工现场应配备一定数量的抢险应急用设备及材料,如型钢、草包、钢管、水泥、水玻璃等。
  紧急情况往往具有突发性,为应对紧急情况,必须做好备战工作,居安思危,将一切准备工作做在施工前。
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