摘要：城市建设用地日益紧张,交通设施向高空和地下发展,沿海地区城市地下通道建设面临着周边环境复杂、地层承载能力差,地下水丰富等问题,不仅给深基坑开挖和支护造成困难,也严重威胁着周围建筑物的安全。以某街道地下隧道建设中的深基坑为例,论述了软土深基坑围护结构的设计,并分析了围护结构的施工要点及应对措施,可为同类工程的设计施工提供参考。
关键词：城市道路; 软土隧道; 深基坑; 支护设计;
0 引言
随着城市发展速度加快,城市地下交通设施建设面临的挑战越来越高,大型深基坑工程层出不穷,地下工程的特殊性导致其安全问题受到特别关注,不同工程技术人员对其设计和施工要点进行了论述[1,2,3,4],随着工程经验的积累,设计和施工标准也越来越高[5,6]。本文以某街道地下隧道建设中的深基坑为例,论述了软土地区深基坑围护结构的设计,并分析了围护结构的施工要点及应对措施。
1 工程背景
1.1 工程概况
拟建设的城市道路地下通道位于某工业园区主干道星湖街,星湖街隧道平面起点敞开段位于石港路南侧K0+310,终点淞江路北侧K1+200,隧道全长890 m,隧道全长由U型槽结构、暗埋段组成,小里程端纵坡坡度为4.9%,隧道内直线段纵坡坡度0.799%,大里程端纵坡坡度4.9%,按双向四车道城市主干路标准设计,设计速度隧道60 km/h,限界净高4.5 m。隧道拟采用明挖顺作法施工(临时路面盖板下盖挖),基坑南北长约890 m,宽约20.2～21.6 m,开挖面积约18 000 m2,隧道基坑开挖深度1～13.8 m,泵房处开挖深度10.7 m。
1.2 水文条件
拟建工程沿线地表水网发育,以蒸发及人工取水为主要排泄方式,水位标高的变化主要随周围江湖水位及季节性降水变化而变化。潜水主要赋存于浅部黏性土中,富水性差,勘察期间测得潜水初见水位标高1.20～1.40 m,测得潜水稳定水位标高为1.30～1.50 m。微承压水主要赋存于粉土/砂层土中,其富水性及透水性由上至下逐渐增强且在K0+290—K0+440与下部承压水相通。勘察期间测得其初见水位标高约为-4.20～-4.40 m,测得其稳定水位标高为0.95～1.10m。承压水主要赋存于粉土夹粉质黏土层中,富水性中等。该含水层在隧道里程K0+290—K0+440段与微承压水相通,在K0+420以北具有相对较好的封闭条件。据区域资料及地区经验,水头标高在-2.5 m左右,年变幅1 m左右。
1.3 地质条件
根据勘探结果,工程沿线40.30 m以浅土层为第四系全新世至晚更新世沉积的疏松沉积物,以黏性土间夹粉(砂)性土为主,按土层的物理力学性质分层如下。
1)淤泥:
勘探点处厚度0.50～0.60 m,极低强度的软弱土层。
2)填土:
勘探点处厚度1～4.2 m,低强度土层。
3)层压实填土:
勘探点处厚度1.00～2.50 m,压缩性中等的人工填土。
4)层粉质黏土:
勘探点处厚度0.40～4.00 m,中等偏低强度土。
5)层黏土:
勘探点处厚度0.90～4.10 m,中高强度土层。
6)粉质黏土:
勘探点处厚度1.30～3.70 m,中等强度土层。
7)粉土/砂:
勘探点处厚度1.90～17.5 m,中高强度土层。
8)层粉质黏土:
勘探点处厚度1.10～11.50 m,中低强度土层。
9)层黏土:
勘探点处厚度1.70～3.30 m,高强度土层。
10)粉质黏土:
勘探点处厚度1.70～5.40 m,中等偏高强度土层。
11)粉土夹粉质黏土:
勘探点处厚度4.00～7.40 m,中等偏高强度土层。
2 围护结构设计
2.1 围护结构分区及选型
根据不同地质情况、周边环境和开挖深度设计不同开挖方式和主体围护结构,各区段情况如下:①K0+310—K0+335,基坑深1.0～1.7 m,放坡开挖。②K0+335—K0+366:基坑深约1.6～3.2 m,工法桩。③K0+366—K0+426:基坑深3.0～6.2 m,工法桩+一道内支撑。④K0+427—K0+460:基坑深约6.1～9.6 m,工法桩+两道内支撑。⑤K0+460—K0+504:基坑深9.6～13.77 m,工法桩+三道内支撑～市政临时路面盖板下灌注桩+三道内支撑。
围护结构的主要计算结果及分析(以K0+500断面计算为例),如图1所示。
计算结果表明:最大水平位移为17 mm,小于13 740 mm×0.14%=19.2 mm,最大地表沉降为12.7 mm,小于13 740 mm×0.10%=13.7 mm,满足一级基坑要求。
基坑稳定性验算:整体稳定性安全系数1.90>1.35;抗倾覆安全系数1.52>K=1.25;墙底抗隆起安全系数3.14>K=1.8;坑底抗隆起安全系数2.47>K=2.2,均满足要求。
图1 K0+500断面围护结构内力与位移计算
2.2 钢管支撑预加轴力
在施工过程中要求对每道钢支撑施加预应力,第一道支撑施加轴力250 kN,第二道预加计算轴力50%、其余钢支撑预加计算轴力60%,分别为610 kN和850 kN。随着开挖过程推进,后续支撑需要进行复加预应力,第三道支撑分别施加预应力1 570 kN、970 kN和1 880 kN。
2.3 基坑降水
基坑开挖范围主要位于微承压含水层,该微承压含水层水主要赋存于⑦层土中,其富水性及透水性由上至下逐渐增强且在K0+290～K0+440与下部承压水相通。勘察期间测得其初见水位标高约为-4.20～-4.40 m,测得其稳定水位标高为0.95～1.10 m,为保证施工安全,采取如下具体措施。
1)两端基坑坡顶设置Ф 850@600三轴搅拌桩止水帷幕,采用P 42.5级普通硅酸盐水泥,水泥掺量参考值20%,渗透系数≤10-7cm/s。
2)K0+310—K0+460、K1+075—K1+200段工法桩无法隔段承压含水层,经计算,此段基坑坑底抗承压水稳定性满足要求,此段基坑施工时坑内设置疏干井降水,为防止地勘与实际情况不符,此段基坑须设置备用降压井。K0+460—K1+075段止水插入粉质黏土层,隔断承压含水层,对于坑内浅层潜水以及开挖后由微承压水转为潜水部分,采用疏干井降水,基坑降水至坑底以下2 m。
3)由于基坑过长,为减少基坑降水对周边环境影响并结合基坑分坑开挖,坑内每隔约100 m设置一道横向止水帷幕。
4)坑外设置应急备用井兼回灌井,做坑外水位观测井,在坑外水位持续大幅度下降时,用作回灌井,减缓坑内降水对周边环境的影响。基坑开挖前应确定回灌井间距、工艺、回灌压力及补偿方式。
5)基坑坡面及坑底设置管井降水,须在基坑开挖前20 d启动降水,降水后坑内最高水位位于坑底下2 m,具体由专业降水单位进行深化设计和施工。
3 基坑围护结构施工与监测
3.1 SMW工法支护桩
1)SMW工法桩选用规格Φ 850的深层搅拌桩,支护桩与重力式水泥土挡墙使用42.5级普通硅酸盐水泥,要求严格控制水灰比,且28 d龄期无侧限抗压强度不小于1.0 MPa,桩位偏差应小于50 mm,垂直度偏差小于0.5%。
2)SMW围护结构施工时,钻头提升速度小于1.0 m/min,其垂直度偏差小于0.3%,桩位偏差小于3cm,施工间隔小于12 h。
3)SMW桩H型钢应涂减摩剂,以有利于型钢的拔除,回收H型钢必须采取充填注浆等措施,以确保内部结构和周边环境的使用和安全。H型钢接头处应避开支撑位置。
3.2 三轴搅拌桩止水帷幕
1)止水帷幕采用Φ 850@650三轴水泥土搅拌桩,宜选用强度等级为42.5级及以上的普通硅酸盐水泥。水泥掺量为20%,水灰比为1.5～1.8。
2)地基加固采用Φ 850@650三轴水泥土搅拌桩,宜选用强度等级为42.5级及以上的普通硅酸盐水泥。水泥掺量为14%,水灰比为1.5～1.8。
3)三轴搅拌桩施工前首先清理路面下对三轴搅拌桩施工不利的块石等障碍物。
4)基坑开挖前应检验水泥土搅拌桩的桩身强度,采用浆液试块强度试验测定,监测。
3.3 基坑监测
在施工过程中应建立严格的监测网络,实现信息化施工,监测项目主要有基坑内外观察、周边地表沉降、支护结构侧向位移、支撑轴力、临时立柱沉降、地下水位、地下管线、建筑物沉降和倾斜度等。除了所有项目严密监控外,对于围护墙顶部位移、立柱竖直位移和支撑轴力设置了严格的警报指标,其中SMW工法桩顶位移控制值5 mm/d,相对基坑控制值0.5% h,立柱竖直位移2 mm/d,支撑轴力80%N。施工过程中应根据施工情况和监测预警编制应急预案。
4 结语
本文以某街道地下隧道建设中的深基坑为例,论述了软土地区深基坑围护结构的设计要点,主要包括围护结构选型和内力位移计算、支撑结构预加轴力和基坑降水,同时论述了施工过程中SMW工法桩和三轴搅拌桩止水帷幕施工质量控制措施,针对深基坑信息化安全施工的的监测项目,提出了围护结构内力位移和周边建筑物的位移出现警报条件的应急机制,论文所探讨的设计施工要点可为同类工程的设计施工提供参考。
参考文献
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