某緊臨地鐵車站深基坑支護方案優(yōu)化選擇

0大型城市地下空間的開發(fā)和建設隨著城市化的可持續(xù)發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，城市使用面積變得越來越緊張。地下空間被認為是城市發(fā)展的重要資源。在距離市中心的密集城市中心，結合城市建設、改造和發(fā)展大型地下空間是不可避免的，城市地下空間的開發(fā)能力大大增強。廣東地區(qū)的地質(zhì)條件復雜多變，一些巖石地基比較淺，深基坑大部分在巖石中開挖，對這種巖石基坑的支護至今仍有不同的觀點1工程總結及水文條件1.1基坑深化開挖擬建項目位于廣州市荔灣區(qū)地鐵一號線坑口站前，是集商業(yè)、辦公及交通為一體的大型綜合體項目，其中地下室共5層，基坑平面類似于矩形，南北長約175m，東西寬約75m，北側局部寬約60m，基坑開挖深度為18.5～20.0m。基坑西側距離地鐵一號線坑口站房結構邊線距離約2.5～5.0m，東側距離花地大道和龍溪路花地大道立交約8m，其中一根直徑800mm的鋼筋混凝土污水管離基坑邊最近處僅2.3m，南側距離南圍涌約18m，北側距離2層漁具市場民房約15m，西南側地下室的出入口車道圍護結構距離地鐵交通軌道約5m，周邊環(huán)境十分復雜，對基坑開挖施工引起的變形要求非常嚴格，基坑安全等級為一級。1.2基巖裂隙水保水擬建場地由第四系(Q場地地下水類型為上層滯水和基巖裂隙水，基巖以上覆有透水性微弱的殘積粉質(zhì)粘土層，故基巖裂隙水為承壓水。在場地南部溶洞發(fā)育集中區(qū)域進行了抽水試驗，結果表明，巖溶發(fā)育區(qū)基坑開挖遇溶洞和溶蝕裂隙時會發(fā)生突水情況，預估涌水量在每天數(shù)百至2000m2東北部地下水位典型剖面經(jīng)方案綜合比較后，基坑中、北部采用800mm厚的地下連續(xù)墻加二道混凝土內(nèi)支撐和一道預應力錨索混合支護型式，西側緊臨地鐵車站區(qū)域典型剖面如圖2所示。基坑南側由于臨近南圍涌，溶洞發(fā)育集中且涌水量大，若第三道支頂采用預應力錨索，則成孔困難，最終采用800mm厚的地下連續(xù)墻加三道混凝土內(nèi)支撐支護型式?？紤]到地下室埋深大，巖層埋藏淺，項目用地緊張等因素，地下結構設計時將地下連續(xù)墻作為永久使用階段地下室側壁的一部分，即采用“復合墻”技術3監(jiān)測和分析根據(jù)文獻3.1支架結構的研究3.1.1墻身水平位移基坑南側三道支撐區(qū)域監(jiān)測點J1～J5，東、西側二道支撐+一道錨索區(qū)域監(jiān)測點J6～J9，北側監(jiān)測點J10～J11，基坑陰角J12～J16及陽角J17處監(jiān)測點開挖到基底時的墻身水平位移曲線如圖4所示。由圖4(a)可見:(1)南側三道支撐支護區(qū)域基坑開挖結束時的圍護墻J1～J4監(jiān)測點變形規(guī)律類似，墻身水平位移由墻頂向下逐漸增大，到第二道支撐作用位置時略有減小，其后繼續(xù)遞增，到土巖結合面上約0.5m位置時達到最大，其后逐漸減小至零;(2)J5監(jiān)測點變形規(guī)律明顯不同，呈拋物線型，最大水平位移發(fā)生在墻深11.5m處，為22.0mm，是其他監(jiān)測點的2倍左右，其主要原因是該測點周邊地表下以下12m為土層，其下是7m厚的強風化巖層，而且該巖層中揭露有高度近2m的有填充物的溶土洞，因此該測點區(qū)域地質(zhì)情況較差，巖土對圍護墻土壓力大于其他區(qū)域，造成圍護墻發(fā)生了較大水平變形;(3)墻身最大水平位移均發(fā)生在土巖結合面附近;(4)混凝土支撐限制墻身水平位移作用效果明顯。由圖4(b)可見:(1)東、西側二道支撐+一道錨索支護區(qū)域基坑開挖結束時的圍護墻J6～J9監(jiān)測點變形規(guī)律有相同點，即兩端小，中上部較大;(2)東側監(jiān)測點J6、J7區(qū)域土層厚約5.5m，下部經(jīng)1m厚的強風化巖層后隨即到中風化巖，因此，其在墻深約6m左右出現(xiàn)水平位移最大值，分別為20.6mm和16.2mm;(3)西側監(jiān)測點J8、J9區(qū)域土層厚約8m，下部經(jīng)1m厚的強風化巖層后隨即到微風化巖，因此，其在墻深約8m左右出現(xiàn)水平位移最大值，分別為10.5mm和10.4mm;(4)基坑西側緊臨二層地鐵車站，東側約8m外為市區(qū)交通要道，相對而言基坑西側附加荷載遠大于東側，但實際東側監(jiān)測點J6、J7最大水平位移卻是西側監(jiān)測點J8、J9的1.96倍和1.54倍，究其原因有:(1)基坑西側圍護墻外側離地鐵人工挖孔樁基礎約3m處施工了一排ue788600mm@400mm大直徑三軸攪拌樁至基巖面，用于保護地鐵結構，攪拌樁起到了對基坑外側土體的加固作用，限制了加固體外側土體位移，從而也減小了圍護墻的水平位移;(2)地鐵車站基礎采用人工挖孔樁，樁底進入中微風化巖層，因此，車站荷載基本通過樁基礎傳遞到基底巖層中了，而并非是荷載全部作用于基坑外側地表或離地表一定深度的情況;(3)基坑東側設有臨時施工道路，施工道路外側即為交通繁忙的花地大道，相反的是，基坑西側由于緊臨地鐵車站，嚴禁車輛及材料堆積，主要通過基坑開挖時即投入使用的塔機由圖4(c)可見:(1)基坑北側土層厚度約5m左右，其下為1.5m厚全風化巖，而后即為中風化巖層，J10、J11監(jiān)測點墻身水平位移由墻頂向下逐漸增大，最大水平位移發(fā)生在墻深約5.5m位置，分別為10.4mm和7.0mm，其后水平位移隨著圍護墻的深度增加而減少，至墻深12m位置處水平位移基本減少至零;(2)與圖4(b)中地質(zhì)條件相近的J6、J7監(jiān)測點比較可見，該4個監(jiān)測點變形規(guī)律類似，但J10、J11墻身水平位移均偏小，且墻身水平位移在巖層中減小至零位置也相對高些，分析認為基坑北側長度僅60m,J10、J11監(jiān)測點距離基坑北側兩陰角約15～20m，現(xiàn)有研究認為坑角效應的影響范圍約為2倍基坑開挖深度由圖4(d)可見:(1)基坑5個陰角處監(jiān)測點J12～J16墻身變形規(guī)律明顯不同于其他位置，其中北側J12、J13點顯示墻身不僅在土層中的水平位移很小，最大水平位移僅3mm，而且在下部巖層中出現(xiàn)了向基坑外側的反向位移，最大值約-1.8mm;J14點顯示墻身在土層及巖層中均向基坑外側的反向位移，土層中最大值約-8.2mm，巖層中最大值約-3.7mm;南側J15、J16監(jiān)測點顯示墻身水平位移也較同側其他位置小，最大值約7.3mm。分析認為基坑陰角處除內(nèi)支撐(或錨索)外，還有另外一個方向巖土體及剛度非常大的圍護墻提供了約束作用，有效減小了坑角處墻身水平位移，陰角效應顯著;而個別測點墻身水平位移出現(xiàn)負值，可能與測點區(qū)域土層相對較薄，地質(zhì)條件好，圍護墻身剛度大，當坑角兩側邊均發(fā)生向坑內(nèi)變形時，而坑角角點附近則出現(xiàn)了“反拱”效應有關;(2)基坑陽角處監(jiān)測點J17墻身水平變形明顯大于其他陰角位置，最大水平位移13.8mm，發(fā)生于土巖結合面附近，而墻頂水平位移卻較小，僅3.0mm，分析認為陽角兩側均為臨空面，屬于變形的不利區(qū)域，設計時在陽角外側圍護墻頂設置了400mm厚的鋼筋混凝土板撐，將陽角兩側邊在圍護墻頂連成一體，增加了支護體系水平方向的冗余度由圖4(a)、(b)、(c)比較還可見:(1)對于土巖組合基坑，南側采用3道鋼筋混凝土支撐的圍護墻水平位移曲線更平滑，而中、北側采用2道支撐+1道錨索支護的圍護墻水平位移曲線在預應力錨索作用位置出現(xiàn)位移急劇減小的拐點，說明在巖層中預應力的施加更能減小支護結構水平位移，效果明顯;(2)南側三撐支護方案與中、北側二撐一錨方案均較好地控制了圍護結構水平位移，而采用撐+錨組合方案更能提高施工效率且節(jié)能降耗，因此在土巖組合基坑中，當?shù)刭|(zhì)及環(huán)境條件允許時，可優(yōu)先采用撐+錨組合支護方案。3.1.2土巖組合基坑墻身水平位移基坑南側3道支撐區(qū)域J2、東側圍護墻身水平位移變形較大處J5、西側2道支撐+1道錨索組合支護區(qū)域J9共3個典型位置的圍護墻測斜時程曲線如圖5所示。由圖5可見:(1)冠梁的協(xié)同作用、內(nèi)支撐的支頂作用和預應力錨索的錨拉作用對控制墻身水平位移效果明顯;(2)墻身水平位移曲線隨土方的開挖向坑內(nèi)平移，第三道支撐(或錨索)施工完畢時墻身水平位移約占基坑開挖結束時總水平位移的75%～85%，說明在土巖組合基坑中，墻身水平位移絕大部分發(fā)生在開挖上部土層過程中，其后開挖下部巖層所增加的水平位移較小;(3)基坑開挖結束至地下室底板施工，墻身水平位移增加量約占總水平位移的5%～10%，說明在土巖組合基坑開挖到底后，圍護結構仍有蠕變特點，但相對于軟土地區(qū)基坑，蠕變效應并不十分明顯;(4)有趣的現(xiàn)象是，地下室施工完畢后的墻身水平位移曲線均發(fā)生了明顯回彈，墻身最大水平位移約為開挖至基底時的50%～60%，有效減小了后期拆撐和回填不實對周邊環(huán)境的不利影響，經(jīng)分析其原因主要有:(1)地下室結構設計時考慮將地下連續(xù)墻作為永久使用階段地下室側壁的一部分，即采用“復合墻”技術，該技術具體做法為基坑開挖至基底后，在圍護結構表面施工襯墊材料(防水層)，將圍護結構直接作為地下室外墻施工時的外側模板，再內(nèi)側支模施工，形成圍護結構與地下室外墻共同作用的復合墻;(2)在地下室結構施工中選擇了不設后澆帶的跳倉法施工技術，地下室底板、側壁及各層樓板在大體積混凝土施工中產(chǎn)生的水化熱膨脹對支護連續(xù)墻造成由坑內(nèi)向坑外的壓力。3.2結構內(nèi)土體水平位移基坑南側3道支撐支護區(qū)域TJ1、東側和西側2道支撐+1道錨索組合支護區(qū)域TJ2、TJ3共3個典型位置的圍護墻外側土巖體測斜點測斜時程曲線如圖6所示。由圖6可見:(1)圍護墻外側土巖體水平位移隨著土方的開挖逐漸增大，由于圍護墻的約束及內(nèi)支撐的支頂(錨索的錨拉)作用，土巖體水平位移受到限制，最大水平位移由地表向深度發(fā)展，到土巖結合面附近時達到最大，其后快速減小至零，上層土體水平位移明顯大于下部巖體;(2)與鄰近的圍護墻測斜點比較可見，土巖體水平位移小于墻體水平位移，兩者變形曲線也不盡相同，土巖體水平位移變化速率明顯快于墻體水平位移，這是由圍護結構的剛性特點決定的3.3原設計支撐軸力及剛度分析基坑3道支撐支護區(qū)域CT1、CT2支撐軸力監(jiān)測點，2道支撐+1道錨索組合支護區(qū)域CT3、CT4支撐軸力監(jiān)測點及MT1～MT4錨索拉力監(jiān)測點的時程曲線如圖7所示。由圖7(a)可見:(1)隨著土方的開挖，第一道內(nèi)支撐軸力逐漸增大，當?shù)诙纼?nèi)支撐施加后，第一道內(nèi)支撐軸力略有減小，隨著第三道內(nèi)支撐施加及土方繼續(xù)開挖，各道支撐軸力均有所增大直至開挖至基底;(2)在施工地下主體結構過程中，3道支撐軸力均有所下降，特別是第二、三道支撐其間出現(xiàn)了負軸力(即支撐由受壓變成受拉)，究其原因主要是主體地下室采用的“復合墻”技術及跳倉法施工技術，主體結構混凝土施工中產(chǎn)生的水化熱膨脹對支護連續(xù)墻造成反向壓力所致;(3)隨著第三道支撐的拆除，第一、二道支撐軸力又略有增大，其后保持穩(wěn)定;(4)CT1、CT2第一道支撐軸力最大值分別為4131kN和3815kN，第二道支撐軸力最大值分別為1523kN和892kN，第三道支撐軸力最大值分別為2362kN和3237kN，均遠小于6000kN的報警值，因此原設計的第二、三道支撐相對保守，可適當減小截面和剛度。由圖7(b)、7(c)可見:(1)與CT1、CT2監(jiān)測點有所不同，在錨索施工完成至開挖至基底過程中，第一、二道支撐軸力繼續(xù)增大;(2)在施工地下主體結構過程中，第一道支撐軸力略有所下降，第二道支撐軸力下降明顯，特別是其間出現(xiàn)了負軸力(即支撐由受壓變成受拉)，其原因與CT1、CT2監(jiān)測點相同;(3)隨著第三道錨索錨頭及腰梁的拆除，第一、二道支撐軸力又有所增大，其后保持穩(wěn)定;(4)CT3、CT4第一道支撐軸力最大值分別為3512kN和4363kN，第二道支撐軸力最大值分別為2151kN和2431kN，均遠小于6000kN的報警值，因此原設計的第二道支撐相對保守，可適當減小截面和剛度;(5)錨索設計值為610kN，根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ120-2012)由圖7還可見:基坑采用3道支撐支護和2道支撐+1道錨索組合支護方案的支撐軸力相近，變化規(guī)律基本相同，錨索拉力發(fā)揮正常，因此條件允許時，可優(yōu)先采用組合支護方案，能給后期施工組織帶來便利。3.4沉降觀察3.4.1周邊建筑物沉降基坑西側地鐵車站及地鐵軌道、北側漁具市場舊樓典型監(jiān)測點的沉降隨時間變化曲線如圖8所示。由圖8可見:(1)隨著土方的開挖，周邊建筑沉降逐漸增大，開挖至基底后基本保持平穩(wěn)，隨著地下室主體結構的施工，沉降有所回彈并最終保持平穩(wěn);(2)地鐵車站樁基礎周邊在基坑開挖前施工大直徑三軸攪拌樁時，會對車站結構造成一定的沉降影響，引起的最大沉降量約3mm;其后由于大直徑三軸攪拌樁的保護作用，基坑的開挖對地鐵車站沉降影響極小;(3)結果表明基坑開挖對周邊建筑物影響較小，沉降變形控制較好。3.4.2土方開挖對地面沉降的影響基坑東側垂直坑邊20m地面范圍每隔5m共布置4個沉降觀測點，其中典型斷面D1—D4的沉降變化特性曲線如圖9所示。由圖9可見:(1)隨著土方的開挖，地面沉降逐漸增大，呈較規(guī)則的“勺”形分布，在距離基坑邊約10m(即相當于0.5倍基坑開挖深度)的位置實測地面沉降最大，這是由于圍護墻的約束作用使得臨近坑邊范圍的地面沉降較小;距離0.5倍基坑開挖深度以外，實測地面沉降逐漸減小，且距離坑邊越遠，受基坑開挖的影響越小;(2)實測地面沉降最大值為7.56mm，約為鄰近圍護墻最大水平位移16.2mm的