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岩土研究院

浅谈某工程地铁盾构施工对基坑的影响以及处理方式

386 2020-12-02 16:29:30

摘 要:地铁盾构推进对周围环境的影响问题越来越得到重视。文章就这一问题,结合具体工程实例,利用现场监测数据,分析了盾构推进对相邻基坑的影响,得到了支护桩水平位移、坑外孔隙水压力、土压力、气压等变化规律。为采取措施以确保基坑安全和地铁盾构的顺利通过提供理论依据。

↑ 南京雨污分流市政管道工程

1、基坑设计概况 

本工程深基坑开挖深度约为 12.90 m~16.00 m,基坑底边线周长约 601.5 m,基坑开挖底面积为 17 137 m2。 

基坑采用支护排桩+2 道内支撑的结构形式。靠近道路附近区域(存在砾砂层),采用旋挖灌注咬合桩的支护方式。靠近临近建构筑物部位, 采用旋挖灌注桩+桩间旋喷的支护方式。

本项目基坑为新建区域地下 3 层的基坑,整体呈矩形,局部有外凸内凹,基坑安全等级为一级。市政管线多分布在市政道路两侧,其中燃气管线位于道路对面,在 1.5 倍基坑范围外,道路内侧路灯电缆,雨污水、电信管线属于保护对象。学校原有管线:在基坑范围及距离 7 m 以内的管线全部拆迁或废除。 


2、基坑施工概况 

基坑支护结构体系分为围护桩施工及支撑施工。基坑施工先进行围桩咬合围闭, 再分区进行支撑施工及土方开挖。在参加各方进行基坑检查,并完成条件验收后,于 2019 年 6 月起进行基坑开挖。裂缝桩所在区域于 2019 年 11 月 15 日开挖至基底。


3、气候条件 

深圳市整体气候条件为:台风显著偏多,影响广泛;暴雨集中,龙舟水强;冬季异常暖,夏季高温强;雷暴次数少, 阶段性集中。宝安区属亚热带海洋性气候,平均气温 22°C, 雨量充沛,年降水量 1 926 mm。 


4、工程水文情况 

地下水类型及特征:根据区内地下水赋存条件及含水岩组特征,将其划分为松散土类孔隙水、基岩裂隙水两种类型。地下水的补给、径流、排泄条件:区内第四系孔隙潜水分布范围较局限,主要接受大气降水补给,地下水径流条件一 般,排泄于下部的基岩裂隙中。由于雨量充沛,有利于地下水的补给、储藏,受其分布范围的控制,地下水量中等。 

基岩裂隙水受含水层岩性、裂隙发育情况的控制,富水性及透水性极不均一,燕山期花岗岩属硬脆性岩石,在构造变动作用下,岩石裂隙延伸长度较大,裂隙一般呈开启状态,含水层富水性及透水性弱~中等,在断裂裂隙附近甚至可形成水量丰富的强透水带。在基岩区上部,由于岩石受风化作用的影响,裂隙大多呈开启状态,含水层富水性及透水性弱~中等。 

地下水位埋深及变化:详细勘察期间,所有钻孔均揭露有地下水, 测得钻孔混合水稳定水位埋深为 1.00 m~2.80 m 之间,稳定水位高程 4.55 m~8.85 m 之间,由于钻孔采用泥浆护壁工艺成孔,水位深度测定易受到泥浆影响,故水位变化幅度较大,同时,可能受周边地下工程及局部地形变化的影响,地下水位局部偏深。结合地区经验,本场地地下水位年变化幅度 0.50 m~1.50 m。 


5、工程地质构造

结合本场地区域地质及本场勘察揭露的地质情况,拟建场地范围内未发现断裂构造迹象, 钻孔深度内也未揭露有断层。总体上评估场区断裂构造不发育,地质构造对工程建设影响小。 


6、场地喷气位置地层情况(略) 


7、基坑南侧边缘出现气压突然增高的情况 

(1)2019年12月11日,下午13:30,6#监测点冒出少量泥浆;11日夜间间断喷涌出清水,水柱最高达50cm,并伴有气体喷出。 

(2)2019年12月12日,6#监测点持续喷涌清水,水柱最高达150cm,并伴有高压气体喷出。 

(3)2019年12月13日,在2-3轴、距离基坑边6m 位置进行1# 孔钻孔排气,钻孔深度20m,持续排出高压气体。 

(4)2019年12月14日,1#钻孔持续喷出高压气体;6#监测点冒水频率增加,水柱增高。 


8、基坑5-5剖面支护桩裂缝情况 

2019年12月12日上午8:00工地基坑巡查过程中,发现基坑南侧(靠近基坑外道路一侧)2-3轴~2-5轴发现有13根支护桩, 在第 2 道支撑以下 1 m~3 m 位置出现水平裂缝, 桩身裂缝连续,按约 2%倾斜向上,并伴有局部渗水。13 日支护桩 B274 荤桩裂缝位置剔凿,剔凿深度 11 cm,发现桩内有渗水,且支护桩内仍有裂缝。12 月 14 日支护桩 B274 剔凿处渗水量减小。 

对基坑内支护桩继续整体检查,并观察测量裂缝信息,有裂缝支护桩增加至23根,其中12根荤桩。其中有5根桩出现渗水情况,最大裂缝宽度为 3 mm,最深裂缝上深度为 35 mm, 并且 A277、B275 支护桩桩身出现 2 道裂缝。桩身裂缝连续,总长度约 21.6 m。裂缝最低标高位置为 -2.57 m,最高标高位置为 0.125 m,裂缝斜率为12.5%。 


9、保证基坑安全采取的措施 

(1)坡底堆土反压。2019 年 12 月 12 日下午进行基底填土反压,夜间堆填沙袋至裂缝位置。

(2)坡顶钻孔泄压。2019 年 12 月 15 日,进行 2#、3# 孔钻孔排气。2# 钻孔位于 4-9 轴~2-3 轴之间, 距离基坑边 6 m,钻进地面以下 22 m。拔管至 10 m 位置,喷出高压气体,持续 2 h,泄压喷气完成后,钻进孔洞坍塌。3# 钻孔位于 1/4-6 轴位置,距离基坑边 6 m,钻进过程中 11 m 位置,有高压气体喷出,并短暂结束,后续钻孔钻进地面以下 20 m 深结束施工,并埋设 16 m 长泄压管,无异常。15 日夜间 20:30 发现有气压携带少量水喷涌,一直持续。 

(3)加大基坑监测频率。要求基坑监测单位将原先的 2 d 一测的监控频次加大到 2 h 一测,及时掌握支护桩裂缝变化、混凝土内支撑的轴力、基坑周边水位点的变化、泄气孔的气压值等监测数值。 

(4)采取了基坑周边重点区域采取空洞探测。如:管线 (特别是带水管线)密集区、老化管线、渗漏管线集中区。地铁轨道交通施工沿线及周围影响地区。根据探地雷达空洞探测结果分析, 基坑 5-5 剖面受地铁盾构施工影响的区域周边未发现地下空洞。 

(5)人员疏散警戒。2019 年 12 月 11 日,发现基坑南侧气压增大后,第一时间要求基坑内所有作业人员撤离,拉好警示带,不允许再有人员进入基坑。

(6)组织专家论证。2019 年 12 月 16 日,建设单位针对地铁盾构施工对本工程基坑的影响组织了专家论证, 专家对本工程基坑 5-5 剖面支护桩受外来附加压力出现裂缝情况给出了专家意见, 专家提出加强基坑监测, 基坑施工暂停,人员紧急撤离,采取有效措施保证基坑安全,对下一步的处理提供了更权威的技术支撑及指导意见。 

(7) 基坑采用的是四角角撑加中间对撑的 2 道钢筋混凝土内支撑基坑支撑形式。目前仅剩支护桩产生裂缝受地铁盾构施工影响区域的西南角角撑未施工完成。为保证基坑支撑的整体性, 要求尽快完成基坑西南角 1 道撑的钢筋绑扎、支模及混凝土浇筑。 

(8)基坑 5-5 剖面支护桩桩底位置存在积水现象,要求尽快采取水泵抽水措施, 避免地下水中的化学物质对混凝土钢筋产生腐蚀作用及造成支护桩桩顶产生侧向位移,影响基坑的稳定性和安全性。

(9)现基坑 5-5 剖面南侧 1 倍基坑开挖深度范围内,已搭设两层活动板房供工人居住。要求居住人员立即撤离,不允许继续居住,对现有活动板房进行拆除。 

(10)基坑 5-5 剖面坡顶,目前堆放了钢筋及模板等材料,要求立即清走,将坡顶的荷载降低到零,最大程度保证基坑西南角受地铁盾构施工影响区域的安全。 


10、分析原因及下一步风险分析 

(1)基坑边排气孔明显压力增大,该部位支护桩裂缝也有发展趋势,这说明基坑受外部气压的附加荷载有所增大。基坑支护结构安全风险在增大。 

(2)基坑坡顶钻孔点及基坑监测的水位点,由于地下水气压过大,向外喷水,现场采取气样、水样做水质检测及气 体检测,分析是否是地铁盾构机施工破坏了地下的燃气管、 给水管等市政管道。并以建设单位提供的地下管线图纸作为佐证资料。如雨轻型管线,可采用迁移法将其移到安全不受影响的施工地段,也可以挖出暴露,对管线的变形位置进行跟踪处理,及时调节,待地铁盾构机穿过,远离基坑后再回填。如遇口径较大及无法迁移的管线,可以使用隔断法处理,若管道水平位移满足要求,但沉降不符合要求时,可以采用注浆处理,加强监测,采取及时有效的措施保证注浆的施工效果。 

(3)分析盾构掘进对土体位移的影响。盾构机前后、左 右、上下各部位土体的位移的状态不同。刀盘前部 0.5D 范围内,土体表现为向下、向刀盘开口内移动,(0.5-1.5)D 范 围内深层土表现为向推进方向移动。盾构机后的土体表现为垂直的下沉,深层土随盾壳拖带向前的水平移动,土体和浆液固结沉降使土体产生向下的位移变形。周围土体变形位移主要是主固结压缩、弹塑性剪切及粘性时效蠕变三者之间的叠加与组合。 

(4)分析盾构掘进对土体扰动的变形控制。对土压平衡盾构而言,控制舱压使其与前方自然水土压力相平衡。控制排土量和掘进进度,以维护开挖面的稳定,减少前方土体挤压(欠挖时)与松动(超挖时),防止前方土体塑性破坏和塌方。 

(5)分析盾构隧道壁后注浆压力对地表沉降的影响。在不同注浆压力和不同分布形式情况下, 土体受扰动的程度相比较差异性较大。当注浆浆液填充等待层之后,伴随着注浆浆液慢慢硬化,盾构隧道管片将会逐渐上浮。上浮量与注浆压力有关。应建议地铁盾构施工方,将注浆压力值控制在 0.2 MPa~0.3 MPa,那么地表的变形量将可以得到有效的控 制。

(6)就目前地铁盾构机所处的位置,距离基坑最近的位置为 17 600 mm,还不是距离基坑最近的位置,进入 5-5 剖面后基坑可能受到更大的影响。 

(7)基坑正处于紧张的底板施工阶段,人员密集,基坑外部影响不降低到保证结构安全的情况下, 将会产生严重后果。 


11、意见与建议 

(1)隧道施工前,地铁施工单位应根据已有基坑与隧道的位置关系和地质情况进行计算分析盾构施工对基坑影响程度。为保证安全,应采取相应的措施。 

(2)根据现有的基坑监测数据、支护桩裂缝现状及所有外部气压作用,分析基坑是否处于安全可控,并能保证基坑内地下结构施工。 

(3) 基坑 5-5 剖面的基坑支护结构距离盾构作业面更近, 建议在盾构施工对基坑的影响程度能保证基坑安全的状态再继续顶进施工。


12、结语

深基坑施工过程中, 基坑周边有重要的市政公共设施 (如地铁等)时,要积极地与地铁施工方取得联系,根据基坑监测的各项数据, 各自采取有效的保护措施。措施采取不当,可能会引起基坑变形、地下水位下降,基坑周边建(构) 筑物的沉降、变形或开裂。地铁在城市交通中所起到的作用是十分显著的,而就基坑施工而言,临近地铁隧道工程施工对其造成的影响是相对较大的。

若想使得这种影响能够降至最低,就必须对施工的各个方面展开深入的探析,能够对邻近地铁盾构施工对基坑所产生的具体影响有清晰的认知,采取针对性的措施对其问题进行解决,进而在最大限度地不影响基坑工程建设安全的基础上,保证邻近地铁盾构有序推进,实现二者的协调发展。


作者:张雷,张玉声(江苏建科工程咨询有限公司,南京市浦口区城乡建设局)

本文仅供学术经验分享之用

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