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地铁车站深大基坑围护结构设计

2020-01-11 01:07:12 工业技术创新 2020年6期

摘? ?要: 以邻近河流城市的某地铁车站为研究对象,开展深大基坑围护结构设计。结合车站所处位置的工程地质和水文条件,归纳整理围护结构设计面临的问题,研究问题并提出解决措施,形成设计方案。针对河岸线距离车站最小距离仅为3 m左右的现状,提出将柔性粘土咬合桩作为止水体系,使其与内部刚性咬合桩相互咬合,显著降低地基的渗透系数;针对近江侧为有限土体、远江侧为无限土体的现状,合理调整水荷载,抵消土荷载的差异,使得基坑仅向远江侧变形,保护原有河堤。经计算模型构建和模拟验证,“刚+柔”双重止水体系隔绝了城市水系与基坑的联系,对混凝土浆液起到了反向隔绝作用,避免了渗透所造成的环境污染,为类似工程的设计和施工提供了宝贵的借鉴价值。

关键词: 邻近河流城市;深大基坑;围护结构;止水体系;粘土咬合桩

中图分类号:TU318? ? 文献标识码:A? ? 文章编号:2095-8412 (2020) 06-141-09

工业技术创新 URL: http://gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI: 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.025

引言

近年来,随着城市地铁线网的发展,地铁进入深基坑、超深基坑建设时期[1-2],基坑周边邻近各种建构筑物与河流的工况层出不穷,对基坑的支护设计、止水效果、安全性能等提出了严格的要求[3-4],尤其是邻近城市水系的深大基坑,对基坑的止水效果提出的要求更为严苛[5]。

当前较为常用的基坑止水措施有:地下连续墙、咬合桩、搅拌桩和旋喷桩。大部分止水工艺在粘土等地层有较好的效果。但是,在孤石、飘石、砂卵石层,搅拌桩和旋喷桩并不适用,采用地下连续墙进行水下成槽又存在塌孔的风险,同时泥浆护壁和灌注凝土亦存在污染城市水系的风险。

在本文先容的某地铁车站围护结构设计案例中,地铁线网距离河道仅3 m左右。初期采用旋喷桩试桩,发现混凝土浆液向水系反向渗漏,遂推断如采用泥浆护壁,泥浆有较大可能性向江内渗漏,造成环境污染。因此,围护结构形式仅剩咬合桩可供选择。但是,基坑自身在不对称土压力影响下会导致偏载,河水水位反复变动等因素也会导致基坑受力不稳定,使得围护结构始终处于一种动态受力的状态下,那么咬合桩的咬合部分就存在开裂分叉的风险。针对这一工程的特殊性,有必要寻找一种能够有效辅助止水的柔性支护体系,旨在隔绝水系与基坑的联系,同时保证在咬合桩施工期间反向隔绝混凝土浆液,阻止它们随着地下水涌入河道,避免造成环境污染。

本文首先先容地铁车站周边的工程地质与水文条件;然后归纳整理围护结构设计面临的问题,总结出设计重难点;最后对止水工艺、基坑偏载趋势进行研究,形成一种“刚+柔”双重止水体系设计方案。

1? 工程地质与水文条件

本地铁车站标准段宽度为21.1 m,长度为225.3 m,顶板有效覆土厚度约为3.2 m,底板埋深为17.79 m。站址周边有22层商住楼、17层小区等建构筑物,同时站位位于城市大型河流西侧。河岸线距离车站最小距离约3 m。车站周围环境条件复杂,站位平面图如图1所示,河道断面图如图2所示。

根据钻孔信息来看,场地范围内上覆第四系人工填土层(Q4ml),其下为第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)中砂及卵石,下伏基岩为白垩系上统灌口组泥岩(K2g)。车站基坑范围内土层自上而下分布为:杂填土、素填土、松散卵石土、稍密卵石土、中密卵石土、密实卵石土、强风化泥岩、中等风化泥岩。砂卵石层渗透系数为22 m/d;强风化泥岩层渗透系数为0.4 m/d,属弱—中等透水层。车站底板位于密实卵石土层、强风化泥岩及中风化泥岩中。车站地质断面图如图3所示。

根据试验统计结果,砂卵石层渗透系数为24.86~27.26 m/d,平均值为26.06 m/d。结合整个地层情况,建议本场地砂、卵石渗透系数k值取为22 m/d。

对抽水井进行两次降深,两观测井与抽水井距离相同,1#近河侧观测孔水位降深低于2#远河侧观测孔水位,判断该河流对场地地下水有补给,河流与地下水之间存在水力联系。

2? 围护结构设计面临的问题及设计重难点分析

2.1? 面临的问题

本基坑的围护结构设计主要面临如下问题:

(1)围护结构如何保证在水位变动的情况下安全有效地工作?

(2)在施工允许偏差范围内,围护结构如果开裂渗水,是否可以及时高效地进行封堵?

(3)近江侧为有限土体,远江側为无限土体,那么如何控制基坑向远江侧变形,以保护原有河堤?

2.2? 设计重难点

(1)车站端头井最近位置距离河道仅3 m左右,基坑深度为17.4~18.6 m,须严格控制基坑变形及地下水对基坑开挖的影响。

(2)近江侧为有限土体,远江侧为无限土体,需考虑基坑的偏载,并减小对河堤的影响。

(3)基坑在开挖期间,桩体存在变形,而钢筋砼桩+素砼咬合桩隔一布一的方式又为刚性结构,可能会使桩体由于变形产生劈叉,且垂直度控制存在一定的困难。近江侧的地下水可能击穿咬合桩薄弱部位,使近江侧的河水及地下水大量涌入基坑,产生透水事故风险。

3? 止水工艺研究

参照其他站址周围基坑施工经验,某地块基坑距离河道约56 m,基坑深度为22.60~25.90 m,基坑支护形式为锚拉排桩、内支撑及锚拉双排桩,围护结构施工期间,在地下约14 m处存在水的渗漏情况,现场照片如图4a所示。再如,某美食城基坑距离江岸边最小距离约20 m,基坑深度约10 m,采用围护桩支护,坑外管井降水,河水向基坑渗水较大,施工期间曾造成临近江侧基坑侧壁出现侧壁管涌,现场照片如图4b所示。

结合以往经验,在距离河岸50 m处采用间隔柱桩仍存在渗漏水事故风险,且本站距离河道仅3 m左右,无法采用间隔柱桩。由于泥浆存在向江内渗漏的情况,地下连续墙与旋喷桩亦无法施工,且搅拌桩不适用于带孤石的砂卵石地层,遂止水方案初步拟定为桩径1 200 mm、间距900 mm的咬合桩,咬合段宽度为300 mm,厚度为794 mm。按照本站基坑深度18 m,嵌固深度4 m,进入中风化泥岩约2 m等参数,第一道支撑采用混凝土支撑,刚性连接整个基坑。

同时考虑施工期间土压力不对称、水位反复变动等因素,围护桩存在变形风险。因此,除了咬合桩的刚性防护外,增加一道可以与刚性围护桩共同作用的柔性支护体系,辅助咬合桩进行止水,旨在保证隔绝江水与基坑的联系,同时保证在咬合桩施工期间反向隔绝混凝土浆液,阻止它们经地下水涌入河道,避免造成环境污染。外侧桩体采用辅助止水措施,最好可以具备一定的压缩性,对混凝土咬合桩咬合部位进行加强,达到刚性咬合桩加柔性可压缩粘土桩双重止水帷幕的效果。

根据上述基本引导方案,考虑在桩外使用旋喷桩或粘土桩进行柔性加固,成桩与止水效果根据试验桩质量确定。

(1)根据现场旋喷桩现场试验结果显示:旋喷桩机在下钻至9 m深左右后发生了较为严重的卡钻。经过协调,现场继续下钻,在下钻至10 m深左右时,旋喷桩机身由于卡钻导致机身晃动,并造成金刚石钻头损坏。更换钻头后,依然存在此现象,遂放弃旋喷桩方案。

(2)粘土咬合桩。初步拟定采用φ1 200 mm @900 mm的一组共计3根试桩。粘土桩成桩拟采用套筒内重锤夯击。

根据相关文献[5],初步确定试验工艺流程为:定位截渗轴线、孔位布置、钻机运行、终孔检验、清除孔底沉淀物、安顿导料管、分层回填粘土进行锤击、提升导料管、回填粘土锤击。

试桩完成后,全桩长范围内咬合部位垂直取芯,观察孔内水位情况,以监测咬合桩止水效果。取芯观察后,钻孔采用素混凝土回填。取出芯样,送专业机构检测抗渗系数。

1#桩:此桩在拔管拆管过程中发现有水渗入套管内,根据提升上来的重锤判断,夯击套管内粘土发生了弹簧现象,成桩质量欠佳。

3#桩:用快放钩夯击8次就发现有弹簧现象。停止夯击,拔管过程中发现粘土在套管内被挤密压实后,随套管一起被带出,初步判定成桩质量欠佳。

2#桩:2#桩成桩期间土弹簧现场与1#、3#桩基本一致,同时拔管过程中发现粘土在套管内被挤密压实后,随套管一起被带出。由于拔桩负压导致1#、3#桩产生较大沉陷,遂推测本组试验桩成桩效果均不理想。

经过试验发现,现场采用纯粘土回填夯实的实验方案存在如下问题:

(1)分层夯实时如分层厚度较薄,则多次夯实会导致粘土与地下水搅拌后形成泥浆,无强度、无止水效果。

(2)分层厚度达到3 m左右,单次夯实在8~15次后,容易导致粘土在导管内抱死,发生粘土无法脱出导管的情况。

(3)按照3 m分层夯实产生抱死现象后,需要拔管并清理粘土。由于导管与孔壁密贴,拔管产生的负压会导致周边粘土与水吸入,导致断桩现象的发生与泥浆的产生,并引起周边粘土桩塌孔。

针对以上问题,对施工工艺进行调整。拟采用灌注的形式进行施工,第二次的试验桩,分别为1#粘土碎石桩(粘土∶碎石∶水泥=40%∶50%∶10%),2#粘土碎石桩(粘土∶碎石∶水泥=17%∶74%∶9%),3#粘土—混凝土桩(水泥∶粘土∶砂∶碎石∶水∶复合外加剂=169∶113∶810∶878∶3.6)。

灌注完成后,对桩身打设钢花管,对桩身渗水进行监测。经过观察,孔内水位回复速度为0.4~1.2 m/h不等。经过判定,粘土桩对底层渗透系数有较大的改善。

根据水位恢复法计算渗透系数的公式为

(1)

其中:k,渗透系数;r,降水井半径;H,水位深度;t,观测时间;s1,对应时间内终止水位深度;s2,对应时间内初始水位深度。取值如下:r=0.4 m,H=12.5-2.5=10 m,s1=10-1.7=8.3 m,s2=10-2.7=7.3 m,t=1 h=1/24 d。经过计算,最大的渗透系数为k=0.061 m/d,同时取芯检测抗渗情况,报告显示在0.5 MPa水压力下无渗漏现象。

通过试桩施工,各种实验显著地降低了地基的渗透性,原渗透系数在砂卵石24.86~27.26 m/d下实测试桩的渗透系数最大值为0.061 1 m/d,其结果符合要求。同时为了便于施工,采用粘土—混凝土桩作为外部辅助止水措施,外侧桩体与内部咬合桩相互咬合,形成雙咬合体系。

4? 基坑偏载研究

本工程河道河堤为重力式挡墙,其风险源等级为Ⅰ级,基坑降水方案仅考虑坑内降水。近江侧为有限土体,远江侧为无限土体。如图5所示的基坑变形趋势图,两侧水荷载相同,土荷载q1>q2,基坑整体变形趋势为由远江侧向近江侧变形,会导致河堤整体存在向近江侧变形的趋势,破坏风险极大。本章着重研究近江侧围护桩变形趋势。

在基坑中部降水,土体荷载为既有荷载,无法改变,能改变的荷载仅为水荷载。利用两侧水荷载的不同改变基坑整体变形趋势,使得近江侧水荷载>远江侧水荷载,达到抵消两侧土荷载差异的目的,同时控制基坑变形整体趋势为不向近江侧变形。

为达到上述效果,对临近本站址范围内的既有民建基坑及现场抽水进行试验,表明在远江侧可以进行降水。降水方案确定为:坑内布置疏干井,远江侧布置降水井。

将上述问题简化为平面问题来考虑,选择距离河岸最近的断面作为计算断面,如图3所示。江水压力采用分布荷载模拟,降水前后通过分布荷载大小变化模拟降水,这里主要模拟分析近江侧降水5 m时基坑围护的变形。

4.1? 计算参数

(1)围护结构。止水体系参见图4a。其中原咬合桩作为基坑的围护桩使用,粘土咬合桩作为止水体系。数值模拟中按照刚度等效原则转换成板单元模拟。

(2)基坑内支撑。采用锚杆单元模拟。

(3)接触面。围护结构与土体之间的相互作用是通过在围护结构表面设置古德曼接触面单元并选取合理的虚拟厚度因子及强度折减因子进行模拟的。

(4)土体参数

岩土工程勘察设计参数根据地勘报告取值,计算中涉及有效黏聚力c和有效内摩擦角φ。卸载再加载泊松比Vur采用PlaxisApp的建议值,取0.2。参考应力refp取100。侧压力系数K0可由计算得出。

(5)車站主体结构。采用板单元模拟。

4.2? 计算模型

采用Plaxis2D有限元分析App进行计算。考虑到基坑的影响范围一般为开挖深度的3~5倍,为了消除边界影响,取模型横向左右距离基坑中心为5倍开挖深度位置,深度方向取100 m。模型底部施加完全固定约束,在左右两侧施加竖直滑动约束(固定水平方向位移),模型表面为自由边界。有限元模型网格划分示意图如图6所示。

4.3? 计算工况

严格按照设计方案所述,分为八个施工阶段:

首先生成模型,通过运算消除地应力;然后,在此基础上通过“单元杀死功能”生成既有河道和江堤;同时,施加面荷载模拟江水压力,通过位移置零模拟初始施工条件。

工况一:围护结构、临时立柱、咬合桩施工,开挖第一层土并支护,同时抽水;

工况二:施工顶板;

工况三:开挖第二层土并支护;

工况四:开挖到底并支护;

工况五:施做底板;

工况六:施做中板并拆除底部支撑;

工况七:施做顶板拆除第二道支撑;

工况八:施做顶板防水层拆除第一道支撑。

4.4? 计算结果分析

远江侧假定抽水5 m,图7所示为施工完成后变形示意图,其中围护结构最大水平位移为5.5 mm。为了更进一步说明施工过程基坑变形规律,取近江侧围护结构变形情况进行分析,结果如图8a~8h所示。

由图8可知,开挖第二层土之前围护发生呈悬臂式位移分布,随后开挖地层土体架设第二道支撑后,围护结构的位移分布整体上呈拟抛物线形式分布,此后的施工阶段围护结构形形式并未发生显著变化,只是变形量随之增大,整个施工结束后基坑最大变形为5.496 mm,小于规范要求值。整个基坑在远江侧与近江侧水头差保持在5 m以上,使得整个基坑向远江侧变形。所以利用远江侧抽水加咬合桩+粘土桩,在远江侧布置降水井,能够保证两侧水位差控制在5 m以上。

经过三维复核(图9),采用荷载结构模型进行计算分析表明,当远江侧与近江侧水压差在4~5 m时,达到围护结构整体变形趋势的临界点。当水压差大于5 m后,基坑整体基本不会向近江侧变形。

5? 结论

本站围护结构设计应用了常规咬合桩与粘土咬合桩结构。本文应用计算模型,论证了在大渗透系数下临江基坑围护结构采用“刚+柔”双重止水体系的合理性和正确性。

在施工期间,该设计方案收到了极好的效果。开挖验证表明,基坑内坑壁无渗漏点,坑底无涌水。该设计方案确保了工程施工的安全,保护了景观河堤节约了工程成本,确保了工程质量,并有利于后期的运营维护,为类似工程的设计和施工提供了宝贵的借鉴经验。

参考文献

[1] 韩庆飞, 高文爽, 房冶强. 粘土桩在新近填海区基坑止水工程中的应用[J]. 中华民居, 2012: 1.

[2] 齐如和, 宋太玉, 侯清波. 钻孔粘土桩帷幕截渗工艺试验及应用[J]. 水利水电技术, 1999(4): 25-27.

[3] 桂林. 饱和软粘土桩承载力时间效应模型试验[J]. 土工基础, 2008(5): 67-69.

[4] 建筑基坑支护技术规程: JGJ 120-2012[S].

[5] 龚晓南. 深基坑工程设计施工手册: 第二版[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2018.

编辑概况:

沙开莱(1985—),通信编辑,男,四川成都人,本科,工程师,成都理工大学道路与桥梁工程专业毕业,就职于中铁科学研究院设计院。研究方向:地铁结构设计与城市基坑设计。

E-mail: 307780483@qq.com

(收稿日期:2020-09-23)

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