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北京地铁西四车站基坑工程

340 2021-01-12 14:24:52


1、工程概况

(1)工程简介


北京地铁西四车站位于西四南大街、西四北大街、西四东大街与阜成门内大街交叉路口下,东西向规划六号线在此与四号线相交。车站总长 190m;采用双层岛式站台,三拱两柱双层曲墙结构。由于该车站处于北京中心位置区域,周边古建筑较多,车流量巨大,使得该车站施工条件十分复杂,因此采用高质量的信息化施工手段是十分必要的。


(2)工程地质条件


通过钻孔实际观测.本次勘察在本场区共发现三层地下水,分别为上层滞水(埋深 5.81m,水位标高 44.81m);潜水(埋深18.61~19.49m,水位标高31.05~31.52m);与层间潜水(埋深22.03~22.36m,水位标高 27.49~28.88m)。其中上层滞水仅在局部出现,其补给来源主要为大气降水与管线渗漏,以地面蒸发和垂直补给方式排泄为主;潜水与层间潜水则以侧向径流和越流方式补给为主,以侧向径流和人工抽取方式排泄,地下水流向自西向东。


施工场区地层分为人工堆积层和第四纪冲洪积层,各层土的组成及主要物理力学指标见表1。


(3)基坑设计方案


车站深基坑采用1000mm钻孔灌注桩作为围护结构,盾构井处桩间距1200mm,标准段桩间距1500mm,桩间挂网喷射混凝土,基坑支撑系统分为四层由0600mm的钢管和2X40C的槽钢所组成,钢管壁厚分别为12mm和14mm设计,水平间距为3. Om。钢管轴力可按照设计轴力的50%〜80%施加预加力,由上而下适当増加并根据现场施工的变形受力监测数据进行调整 四道支撑轴力设计值从上至下分别为390.6kN、1371. 6kN、2172. 2kN、1884. 3kNe


2. 基坑监测


深基坑现场监测的主要目的是∶为信息化施工提供动态信息;对设计进行优化,对最不利部位进行有效加强;为施工方案的修改提供可靠的依据;为今后基坑工程的设计、施工积累经验。


(1) 基坑围护桩水平位移监测


基坑监测按照施工顺序由上而下主要分为八个阶段∶

第一道支撑支护完毕至开挖至第二道支撑位置;

第二道支撑支护完毕至开挖至第三道支撑位置;

第三道支撑支护完毕至开挖至第四道支撑位置;

第四道支撑支护完毕至开挖至基底位置;


基础底板浇筑及地下三层主体侧墙模板支护完毕至第四道支撑拆除;地下二层主体侧模支护完毕至第三道支撑拆除;地下一层主体侧模支护完毕至第二道支撑拆除;第一道支撑拆除,八个施工阶段。


为有效保障基坑整体施工安全,在施工过程中将依照量测基准值及险情预报警戒值对整个施工过程进行信息化指导,量测基准值及险情预警值详见表 2。


为更清楚的说明问题,现取围护桩Z-21的测斜曲线进行分析,其测斜曲线见图2随着基坑分步开挖,支护结构位移变化十分复杂,当初期开挖距第一道支撑2m时,支护桩体水平位移曲线近似直线变化,随着开挖深度增加,桩体所承受的侧向土压力随之

增大,当开挖深度接近第二道环梁时,由曲线图可以看出,位于基坑深度Um附近处,桩体位移明显增大,最大位移达到8.57mm。第三阶段开挖后的桩体位移曲线形态与第二阶段相 ,其最大位移位于基坑深度12m左右,位移值达到10.56mm。当开挖至基底即22.6m深度时,桩体所受土体侧压力进一步加大-此时桩身水平位移实测曲线与第一二 三阶段有较大不同,其最大位移为25mm位于桩顶位置处 而在深度为18m左右位置处,桩体位移变化较为异常,主要与施工超挖土方有很大关系 当基础底板浇筑完毕后,整体桩体位移发展趋缓,但此时桩身最大位移仍出现在桩顶位置 经分析认为,这与桩顶位咒处的第一道支撑间距在施工过程中进行了调 .即将间距为3m的水平横撑调整为5m有关,因而使得水平横探负载增加,桩顶亦承受较大作用力而发生较大位移 在施工过程中,始终以监控觉测基准值为标准进行施工控制,虽然Z-21桩身水平位移超过了管理基准值,但未超过基坑险情警戒值30mm,而且随着主体结构施工,该位移值逐渐趋于稳定。


(2)基坑支撑轴力监测


现取基坑中部水平钢支撑轴力实测曲线为例进行分析,由图3中可见,随着开挖深度的增加支撑轴力也随之増大,在第一阶段施工过程中第一道支撑的轴力增加较为缓慢,基本呈直线增长变化 当开挖至第二道支撑位置钢支撑支护完毕后,第一道支撑轴力有下降趋势,这说明第二道支撑的设置缓解了第一道支撑所受压力 随着开挖深度的增加第二道支撑轴力也随之增大 由于整个开挖过程使用机械化施工,施工进度较快,因而第二道支撑轴力在挖至第三道支撑位置时由509kN迅速増至768kN,其増幅高达50. 8% 待第三道支撑支护完毕后,第二道支撑轴力趋于平缓,但仍高于768kN,进一步说明第二道支撑承受了主要的土压力 当开挖至基础底板且第四道支撑支护完毕后,第一 二 三道支撑轴力变化均有所趋缓,由图3可以看出此时第四道支撑轴力虽有増加但增幅较小 随着基础底板混凝土的浇注完毕,各支撑轴力均有所下降 在施工进行至13周左右,第四道支撑尚未拆除时,由于降雨影响,基坑底部侧墙岀现渗水现象,此时各支撑轴力又有所上升,但以第四道支撑轴力上升较为明显 随着对各侧墙渗透部位进行有组织疏导排放后,各支撑轴力均有所回落,此时仍以第四道支撑轴力减小幅度为多,由445kN减至267kN,减幅达40%。


由图3还可以看出在第四道支撑进行拆除后,除第一道支撑轴力增幅较小外,第二道 第三道支撑增幅均较大,分别为5% 14% 在整个基坑施工过程中,由于施工的特

殊要求,须对基坑中部支撑间距进行调整,由于各支撑实测轴力小于设计轴力,因而可以通过控制围护桩位移,调整各道支撑的预加轴力,使得第二 三道支撑承担大部分的土压力,更加有效的发挥了材料的效用,控制了支护桩变形,使得监测工作在施工中起到了很好的效果。


(3)基坑冠梁水平位移监测


由于整个基坑的施工过程是由南向北进行的・因而取桩顶冠梁位移测点NL1, NL2进行分析。


由图4可以看出,由于施工中施加水平支撑预加轴力,使得基坑桩顶冠梁位移测点NL1, NL2在开挖初期位移值为负值,即桩顶冠梁位移值指向坑外,此时由于土体处于弹性变形阶段,因而其位移曲线呈线性变化 随着开挖深度增加,桩顶冠梁略向坑内移动,但位移值变化并不明显,测点NL2位移仅由一0.922.6mm,变化为一0.888mm。变化幅度仅为3. 7% 随着开挖至基坑底部,桩顶冠梁位移迅速増加,由向基坑外位移转为向基坑内位移,位移值由一0. 888mm迅速增至6.71mm。经分析认为造成上述水平位移变化主要原因是:


1) 由于整个基坑开挖采用机械化施工,当开挖至基底后,为不妨碍挖土机行走而对基坑采取了局部超深开挖,因而使得围护桩突然承受较大土压力而向基坑内迅速位移,桩顶冠梁水平位移随之突增。


2) 由于开挖至基底部时正处于雨季,地表水的渗入降低了支护桩身之后的土体强度,加大了作用于围护桩的水平力,从而加大了围护桩及桩顶冠梁的水平位移。


3) 由于整个基坑施工场地较为狭小,基坑西部边缘有较多的材料堆放,此外,在进行水平支撑安装施工时,吊装机械在该部位频繁行走,也使得桩顶冠梁水平位移增大。


在出现上述水平位移突然增幅后,施工方迅速依据监控管理量测标准值对水平支撑轴力进行适当调整,同时在基坑围护桩出现渗漏的部位进行疏导排水,将影响基坑的不利因素降至最低 由图4可以看出在12周左右,桩顶冠梁水平位移出现下降的趋势.测点NL1由9. 06mm降至6. 7mm,测点NL2由6. 71mm降至4. 1mm。随着基础底板混凝土的浇筑,桩顶冠梁位移测点NL1, NL2出现了相反的变化趋势,测点NL1位移由6. 7mm降至2. 8mm,而测点NL2的位移由4. 1mm增至9. 5mm,这主要是由于测点NL2处于基坑中部,由于基坑上部吊装机械及第四道支撑的拆除而使得其位移加大;而测点NL1位于基坑端部,其所受不利影响远小于NL2,因而其位移变化起伏较小 随着第二 三道水平支撑的拆除,桩顶冠梁位移在第19周左右又有不同程度的増大,但其增幅较小,位移值也从未超过险情预警值。



3.有限元模拟分析

(1) 基坑开挖


模拟在数值模拟中,考虑到基坑的对称性,计算域取基坑的一半,并把问题简化为平面应变问题 基坑外计算区域为100m,深度方向取围护桩2倍深度为60m,计算区域为lOOmX60m。土体单元采用平面应变单元,围护桩采用梁单元,支撑结构采用杆单元,边界条件为:左右两侧为水平方向位移约束,底面水平和竖向方向位移均受约束,计算模型如图6所示 有限元计算将基坑开挖过程分为四个施工步进行分析,由于基坑支撑结构和及围护桩材料刚度远远大于基坑土体,因此计算中混凝土和钢材均采用线弹性本构模型,而基坑土体采用了 Drucker-Plager弹塑性模型 计算模型将基坑及内支撑作为一个整体计算域,统一划分单元,形成总刚度矩阵,进行计算。


2) 模拟计算结果与对比分析

1)基坑围护结构计算结果与对比分析


由于篇幅所限,计算取第四施工步(即基坑开挖至基底)的最终计算结果进行对比分析,围护桩计算值与实测值对比如图7所示,计算围护桩的最大水平位移值15. 76mm出现在10.5m基坑深度,与实测值相比其最大值及出现位置相差较大,实测值最大值出现在桩顶位置处,这表明施工过程中由于场地地质条件的不确定性 基坑周边不可预见荷载等因素的影响,使得围护桩体位移变化十分复杂 但就计算结果位移曲线图变化趋势来看,其与实测值整体曲线形态相似,这说明通过十十算曲线可以初步评估围护桩的受力性状和位移分布,配合施工监测结果,就能够有预见的在施工过程中釆取有效支护措施,以达到基坑施工过程的安全性和经济性 由图7可以看出在桩底位置处桩体水平位移计算值并不为零,实际桩体在进入基底一定深度后,由于土压力的作用仍有一定位移,考虑到基坑整体安全性,在开挖至基坑底部设计标高后,应尽快进行基础底板施工。



力 将基坑周边不利荷载撤除等手段来减小第二道支撑负荷,这实际上就是实测轴力值小于计算值的原因,通过这些方法来减小第二道支揮所受轴力,可以达到控制支护结构变形发展,保证基坑整体安全的目的。


从图8可以看出,计算值与实测值曲线形态比较相似,其最大值为987kN,出现在基坑开挖至基底深度时 这进一步说明,随着基坑开挖深度增加,支撑轴力也逐步增大,在基坑开挖至第三道支撑位置时,支撑轴力迅速增加,并且计算值超过实测轴力,这主要可能是由于在进行理论计算时未能对施工过程中所出现的问题依次进行考虑 模拟计算中,基坑挖至第三道支揮位置处,尚未进行第三道支撑预加轴力施工时,土压力及大部分基坑周边荷载均由第二道支撑承受,因此荷载増幅较大 而在实际施工过程中当监测数据大于或接近监控量测管理基准值时,如存在基坑土体超挖,周边堆载等情况时,为基坑整体安全性考虑,施工人员会对容易出现问题的部位进行加强加固,如加大第一道支撑预加轴力 将基坑周边不利荷载撤除等手段来减小第二道支撑负荷,这实际上就是实测轴力值小于计算值的原因,通过这些方法来减小第二道支撑所受轴力,可以达到控制支护结构变形发展,保证基坑整体安全的目的。



4. 结语


通过数值模拟计算与实测结果分析,得到以下结论∶


(1)在设计过程中可以通过有限元方法对整个基坑体系进行系统分析,从而验证、发现基坑存在的最不利位置,以便在施工中加以注意。


(2)实践证明,通过理论计算与实测相结合,并结合实际施工过程,可以通过控制位移的方法,对影响施工部位的水平横支撑间距进行调整,同时利用监测手段对调整部位进行控制,以达到在保证基坑施工安全性要求的同时很好的实现施工经济性的目的。


(3)理论分析在一定程度上可方便、经济地指导施工,但由于实际施工过程存在的很多不可预见性因素,理论计算不可能完全模拟这些因素,因而使得理论计算与实测值存在--定差异。


(4)通过监测可以对地铁深基坑开挖进行信息化施工,对监测结果进行及时准确的分析,对比不同支护型式,以达到经济性和安全性的统一。


感谢供稿作者:

张慧东、王建飞、李志毅、姚宏刚

(1.中冶集团建筑研究总院;2. 中冶天工)