成都地铁深基坑工程安全

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——何 昌 荣
成都地铁的深基坑工程一般有四种:(1)明挖车 站深基坑;(2)盾构机始发井和吊出井;(3) 地铁线路浅埋段;(4)通风井。
深基础施工是重大危险源,主要包括三个方面: (1)引起基坑周边建筑物沉降,倾斜,失稳垮坍。 (2)深基坑坑壁坑底涌水涌砂,局部失稳坍滑; 钢支撑和围护桩变形过大或局部失稳;继而导致 周边建筑物变形相应增大。
产生上述现象的主要原因:
(1)围护桩没有嵌入中风化泥岩一定深度,仍然 按坑底3.5~5.0m设计围护桩长或深度,而该深度 在该地层是强风化泥岩,桩端没有一点锚固作用。
(2)没有及时架设第二、三道钢管支撑,特别是 第三道钢管支撑。因该道支撑若在开挖其下 0.5~1.0m时架设后,机械挖土困难。
(3)第三道钢管支撑的预加力没有适时调整。
①不论是粉粘土地层还是砂卵石地层,建议用 纯水泥浆或超细纯水泥浆;
②注浆孔周围,同时打入注浆管。
(2)深基坑周边及盾构区间的地面建构筑物地基 注浆加固
①不论什么岩土地层,建议采纯水泥浆或超细 纯水泥浆;
②一般应以预加固注浆为主,不要等到监测值 到预警值或建构筑物有明显变形或倾斜才进行注 浆,后者注浆在膨胀岩土地层和特殊环境下宜慎 用;
(4)第一类管线应与产权单位建立快速可能联 系方式;了解离基坑最近的上游方闸阀门,并在 此明牌公告,施工场地适当地方应明牌公示,以 便一旦出现泄漏,尽快关闭阀门。
(5)可在基坑一侧的来水(气)方加装阀门, 并明牌公告。较大管径的自来水管可考虑两侧各 加装一阀门。
(6)污水管是无压重力流,一般数千米没有阀 门,埋深较大,来水无大小和时间规律,但 20~30m都设有检查井。一般的方法是堵塞施工基 坑两端的检查井,在端头前一个抽水,端头下一 个排水。
图15 深基础影响范围示意图
两种影响较为突出:
(1)围护桩向基坑内变形,坑外土层产生不均 匀沉降,周边建筑物地基也产生不均匀沉降,导 致建筑物倾斜,墙体、窗角开裂。
(2)基底下面有砂层透镜体,降水井抽走砂层, 导致建筑物沉降或倾斜。
应对措施:
(1)严格控制围护桩的变形
重复前已述及的要点,即编制合理可靠地深 基坑开挖方案;及时(尽快)架设第一、二道 钢支撑,特别是第二道钢支撑,适时调控第二 道钢支撑的预加力。可以桩体水平位移为基准 调控钢支撑预加力。建议桩体水平位移 5~10mm或更小。钢管直径600mm,壁厚 14~16mm的极限承载力达7000~8400kn,完全 可以达到这个要求。
降水井是深基坑施工的第一道安全屏障。(1)降 水不到位,可使基坑积水,引起坑底软化隆起 (膨胀),涌砂流砂现象。(2)膨胀岩土吸水后 增大围护桩荷载和变形。(3)抽水含砂率偏高, 或是总砂量偏高则很有可能是抽取了砂层透镜体, 将引起基坑周边地面不沉,建筑沉降或倾斜。
成都地铁降水井造孔直径600mm,内径300mm, 壁厚50mm。井管与孔壁之间100mm间隙充填滤料。 降水井设计和施工的要点:
注浆又可分为空腔注浆和岩土孔隙注浆两大类。 空腔注浆包括同步注浆,超挖和塌孔塌陷注浆。 其余均属岩土的孔隙注浆。
孔隙注浆的效果不明显,但地铁设计的孔隙注浆 比较多,目前没有更好的方法之前,似应注意如 何改进注浆工艺,提高效果的问题。
(1)盾构始发和达到区段洞脸部位注浆
这种注浆一般设计的是钢花管作为注浆管。
(3)深基坑里地下管线的保护。
三个方面危险源产生的主要原因有:(1)降水井; (2)围护桩;(3)钢管支撑。
成都地层可分为两大类:
(1)成都市区、城西和城南。地层特征为表层1- 2米人工杂填土,第二层粉粘土的素土,层厚4- 7m,第三层砂卵石,层厚数米至二十几米,第四 层为泥岩。地铁车站和线路大多数在砂卵石层中 穿行,少数在泥岩中。
图3地铁3号线滨春路站降水井结构大样图
图4 地铁3号线磨子桥站地层结构及降水井 (总体合理)
图5 地铁4号线成温立交站地层结构及降水井 (外包无纺布,滤网,合理)
图6 地铁4号线成温立交站降水井大样图 (该图与图5有差异,图5是合理的)
图7 地铁3号线5标右线地层结构及围护结构图 (城北地层不需设降水井)
(2)城北和城东片区。地层特征是表层1-2m厚
杂填或耕植土,第二层为岷江第二或第三级阶地,
多数是Q2老粘土,层厚数米至十几米。该地层斑 状纹不规则、无规律裂隙极其发育,以张开(失
水)、半闭合、闭合(吸水)形式出现。这三种
裂缝均透水。同样存在形式多样的上层滞水。Q2 老粘土是弱-中膨胀性土,自由膨胀力均值约为
(4)基坑两侧桩间土中可设置泄水管以引排上层 滞水和裂隙水。围护桩的桩间有800mm的土层, 开挖以后形成自流空间或水位差,各种水(含渗 入地下的生活生产用水)渗出,由于该时段均以 数天计,因此膨胀岩土可充分吸水膨胀。而设计 是对桩间土挂网喷砼,封堵了这些地下水的去向。 但喷砼是不能完全封堵渗水通道的。因此,引排 是一种简单易行的方法。
开挖施工组织设计原则:①纵向分段;一般为 20~35m;②竖向分层;一般为2m左右,以利于 桩间挂网喷砼施工;③横向分段;含中间拉槽宽、 深、边坡及坡比、两侧台阶宽度宜2m左右也是方 便桩间土施工。
当中间拉槽后净空达6~9m后,应当架设钢支撑。 这时架设可间隔1~2根,适当增加钢撑预加力。 这样平面及竖向空间均有6~10.5m空间,小型挖 掘机可施工,车辆可能顺坡出渣。
围护桩的设计都是将桩底置于基坑底以下3.5~ 5.0m,而不管锚固端地层情况。建议工程的各相 关单位(设计、施工、监理)注意:
(1)当锚固端地层是密实砂卵层时,锚固长度 3.5~5.0m是基本可行的;
(2)当锚固端地层是全风化及强风化泥岩时, 则锚固作用很小。建议桩端应在中风化泥岩层 1.5m以上。这种情况下若没有及时架设第二、三 道的钢管支撑的话,基坑四壁围护桩的位移可能 会是较大的,见图12。
须强调,深基坑开挖过程中,各种危险源随时存 在,因此应该编制类似以上两图的详细开挖方案, 严格要求各施工班须按方案实施。
4.1 注浆
地铁施工注浆有:①掘进过程中有同步注浆、二 次注浆;②周边建筑物地基打入钢花管或袖阀管 进行预注浆或补强注浆;③盾构掘进始发井和达 到井的洞脸部位的钢花管或袖阀管注浆,或大管 棚结构;④矿山法施工联络通道一般采用钢花管 和超前小导管注浆;⑤个别地方还有隧道内超挖 过多或地面塌陷较大的回填注浆。
3.1深基坑围护结构
车站深基坑围护桩以钢筋砼桩为主,桩径1200mm, @2000mm;两端头桩径1500mm,@1800mm,高 强玻纤筋;C30砼。以旋挖钻机成孔为主,少数为 人工挖孔桩。
桩顶用钢筋砼连接成为冠梁,第一道钢支撑与 冠梁连接,水平间距3.5~4.0m。随深基坑向下开 挖,每5~6m架设一道钢围檩和相应的钢支撑。 基坑两端设45°斜撑。
围护桩水平位移偏大,将引起基坑周边地层(地面) 沉降,周边建构筑物地基变形和上部结构倾斜。
围护桩的桩端嵌入密实砂卵石地层或中风泥岩层以 后,就形成了一个不完全锚固端的悬臂体系,同冠 梁、钢质围檩连接以后,仍然还是一个不安全锚固 端的悬臂体系。一般情况下,该体系可能承担桩后 土压力和其它荷载。由于地铁深基坑均在城市,周 边建筑物高、重,扩散和传输到桩上的荷载较大, 围护桩主要产生水平位移将危及周边建筑物。现在 施工工序一般是架设各道支撑以后,按设计施加预 加力。最终预加力一般是数百KN到1000KN左右。 建议以围护桩水平位移(含桩顶、桩身)为预加力 的时机和大小。当周边建筑物离基坑较近且高、重 时,桩水平位移可控在3-6mm,其它情况可控在6~ 10mm。钢管支撑预加力最大加至3000~4000KN。
(1)围护桩桩底不仅要在坑底以下3.5~5.0m,还 要考虑桩端嵌入密实砂卵石层或中风化泥岩1.5m 以上。设计单位应依据地勘详图的地层状况进行 设计;施工单位应依据设计、地勘图低,特别是 钻孔时的实际地层状况报设计、监理调整后施工。
(2)及时架设各道钢管支撑。当开挖至各道钢撑 以下0.5~1.0m时,可采用间隔1、2,甚至3根钢撑 尽早架设,以能使小型挖掘机挖土为准。
(3)适时调整各道钢管支撑的预加力。第一道钢 撑的预加力似不宜过大,参照设计要求分阶段施 加。第一道钢撑的第一次预加力可能200~500KN, 第二道钢支撑的第一次的预加力可能是300~ 600KN,此时第一道钢撑可不增加。当第三道钢 撑施加第一次预加力600~800KN时,第二道可增 至800~1000KN,第一道可增加至400~600KN。
安全施工措施
(1)所有地下管线均应与产权单位联系,掌握 基本情况。在现场最好使用地质雷达等准确探明 走向、埋深及空间位置。
(2)保护或迁改方案,包括施工宜以产权单位 为主。涉及军方的线览等应列为“特别重大危险 源”管理,编制专门的保护方案与军方协商解决。
(3)施工中随时用石灰或白水泥等标示管线走 向,在管线上方及两侧50cm范围内,禁止使用机 械开挖,辅以人工开挖。
房屋倾斜以后,无论注浆在哪一边都有可能加 剧倾斜,须充分论证后再施工。
4.2 危险源辨识及安全施工措施
深基坑施工的危险源有深基坑失稳,地下管线、 周边邻近建筑物;区间施工有下穿建筑物地基、 河道、桥基等。
4.2.1 地下管线
大部分车站深基坑施工都将遇到数十条地下管线。 可将雨水、污水、自来水、天然气管道划为一类。 这一类管道重量较大,不允许出现过大变形和任 何裂缝,保护措施也不同。第二类是通信、电力 类管线,其特点是重量较轻,可承受较大变形, 即只要不断和裸露即可。
(1)沿地层的竖向设计与施工;
(2)井管外包结构及滤料设计。wenku.baidu.com
砂土是无粘性土,干燥状态自然坡角 20-30度,水 下状态为几到十几度,潮湿密实状态下可削 1.5~2.5m直壁。人工挖孔桩及深基坑施工时,地 下水位高于施工作业面时就将出现涌砂及流砂现 象。
措施:一是让基坑作业面的水位上升至地下水位, 砂及淤泥等不再流动(砂);二是不再扩大未知 的危险因素。一般采用的措施是在基坑内或外降 水,待水位低于作业面以后再继续施工。
(7)凡辨识为重大和特别重大危险源的地下管 线,均应一管(线)一个专门保护方案。保护方 案应图文结合简洁明确。
4.2.2 周边建筑
周边建筑物是否受深基坑开挖的影响,首先采用 基础底面边缘离坑壁外缘的距离来判断,见图15。 若在破裂面以外,则不影响。当不知 φ值时,可 用 L≥H为不受影响,反之可能受影响。后者更简 单,且偏保守。一般而言, L ≤ 0.5H以后,影响 才开始明显起来。
70-120KPa。第三层是泥岩。表层泥岩强风化厚
度1-3m,中风化层也是1-3m,较易见到微-弱
风化泥岩层。强-中风化泥岩层也是微-中膨胀
岩土。Q2和泥岩层中的上层滞水和裂隙水是膨胀 岩土地层深基坑施工的主要危险源。
图1 地铁2号线东延线龙泉东站及地层结构图
图2 地铁3号线2标滨春路站地层结构及降水井 (滤水段偏低;沉砂段宜下放一节,总体不合理)
地铁3号线天回镇南站西北侧站厅深基坑2012年9 月29日开挖,10月中旬北端10m长挖至坑底深 15.3m。10月31日四号出口开挖到底并浇砼封底。 10月31日~11月1日连续三天,Z26围护桩底位移 从6mm升至49.85mm,之后匀速变形,11月9日~ 11日又加速变形,最大位移 =119mm,桩顶受钢 管支撑预加力的外撑,向外位移约22mm。
③应先进行试验。
④注浆压力宜以注浆管末端上覆岩土自重压力 和建构筑物在该点压力之和为上限,分级施加。
⑤每级压力注浆时长约2-3min。压力增至上限 值附近时,稳压时长5-8min。
⑥若注浆孔中地面周边硬化的话,建议在注浆 孔周围同时打孔作为通气孔。
多层及长高比大于3的建筑物,经论证和设计后, 可进行预加固注浆。
图8 地铁4号线5标骡马市站及降水井 (外包结构要过砂)
图9 地铁4号线5标骡马市站地层结构及降水井示意图 (总尺寸不符,总体合理)
图10 地铁4号线双林路站地层结构及降水井 (降水井外包无纺布,井距25m,距围护桩1.9m)
图11 地铁3号线李家沱站地层结构及降水井 (竖向设计合理;外包30目铜丝布,5目尼龙丝布,不合理)
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