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紧邻地铁深基坑开挖与排桩支护施工技术的应用

290 2020-10-14 17:36:49

随着我国城市化进程持续不断的推进,人口密度加大,城市基础建设不断加大,用地紧张等问题日益凸显,城市地下空间的利用是寻求城市扩张的另一有效途径,衍生出了大量的基坑工程,并朝着深度大、开挖面积大、周边环境复杂等方向发展,基坑支护体系和开挖方式也变得种类繁多,给深基坑工程,尤其是敏感环境下的深基坑工程,其设计理论分析和施工技术带来更高的要求和挑战。

城市地下工程建设的需求日益增长的同时,基坑工程的复杂性、地域性和综合性在实际应用中尤为突出。特别是在城市轨道交通建设的发展阶段,促进了沿线商业、居民楼、地下车库的开发和利用,但在修建这些建筑物时不可避免地对地基进行开挖和支护,以避免对运营中的地铁产生扰动,国内学者对深基坑工程相关理论和设计方法、施工工艺展开了研究。李松宴等人研究了嵌岩地下连续墙施工技术,对紧邻地铁的高层建筑深基坑进行支护,创新采用多种成槽组合技术。李久石对狭窄工作面的基坑采用锚索结构对紧邻双地铁基坑进行支护,在测试基坑周边沉降和基坑围护结构水平位移各项指标后表明满足施工要求。但是紧邻地铁采用双排桩支护技术的基坑施工仍存在诸多难点,尤其是在施工区域水文地质条件存在多层地下水和承压水条件下,需要在大量实践经验的基础上构完善的成套施工体系。本文结合北京华汇房地产深基坑工程,对紧邻地铁双排桩基坑围护结构施工进行研究。

一、工程概况

华汇房地产开发中心7号地块毗邻北京地铁15号线关庄站,位于北京市朝阳区大屯街道关庄村东侧,关庄路和关庄西路交叉口东北角,占地面积约3.9万平米,邻近地铁处建筑物为地下2~3层,地上5层,建筑物高度24m,地面标高约为40.000m,西南侧基坑深度约13.4m,东南侧12.4m。东西长约202m,南北宽约33~102m。如图1所示。

图1 基坑周边环境平面图

根据不同部位的具体情况,基坑支护采用悬臂桩、双排桩、单排桩+锚杆支护三种形式。紧邻北京地铁15号线侧基坑采用Φ1000@1400双排桩+止水帷幕围护结构。图2为基坑典型围护断面。止水帷幕采用Φ1000@1400高压旋喷桩与双排桩连续咬合搭接组成,与原有地铁止水帷幕共同组成封闭的止水帷幕体系,常水位标高按33.86m考虑,帷幕桩需上部伸出常水位1m,下端伸入基坑底1m。

图2 双排桩支护典型断面

二、区域地质概况

1、地层岩性

根据现场勘察及室内土工试验成果,将本次勘探深度(40.00m)范围内的土层划分为人工堆积层和第四纪沉积层两大类,并根据各土层岩性及工程性质指标对各土层划分为8个大层及其亚层,现分述如下:

表层为人工堆积,一般厚度为0.70~3.50m的粉质粘土素填土①层及房渣土①1层。

人工堆积层以下为第四纪沉积层,依次为砂质粉土、粘质粉土②层,粘质粉土、砂质粉土②1层及粘土、重粉质粘土②2层;粉砂、细砂③层,砂质粉土、粘质粉土③1层,粉质粘土、粘质粉土③2层,粘土、重粉质粘土③3层及粉砂、细砂③4层;粘质粉土、砂质粉土④层及粘质粉土、粉质粘土④1层;粉质粘土、粘质粉土⑤层,粘质粉土、砂质粉土⑤1层及细砂、粉砂⑤2层;粘质粉土、粉质粘土⑥层,粘土、重粉质粘土⑥1层及细砂⑥2层;卵石、圆砾⑦层及细砂、中砂⑦1层;粘质粉土、砂质粉土⑧层及粘质粉土、粉质粘土⑧1层。典型地质剖面详见下图:

2、水文地质条件

地下水主要为第四系松散层中的上层滞水、层间潜水和微承压水。上层滞水主要赋存于填土中,主要补给来源为雨水和生活用水,潜水或微承压水主要赋存于分布的砂层中,含水层透水性较好,详细勘察最大孔深45.0m,勘察深度范围内揭露三层地下水。详见下表:

因场地南侧15号线地铁关庄车站施工期间曾长期降水或隔水,导致场地西南部的层间潜水的水位明显下降,形成了由北向南的地下径流。

三、施工重难点及相应对策

1、本基坑工程紧邻北京地铁15号线关庄站,施工双排桩会引起周围土体变形和地下水位下降。由于紧邻地铁,支护结构失效、土体变形过大对基坑周边环境或主体结构施工安全的影响很严重。因此对基坑安全监测工作提出了更高的要求。因此基坑采用较强的支护措施,影响范围内均设计采用双排桩支护,严格控制基坑变形,降低基坑土方开挖及支护结构施工地铁结构的影响。

2、原关庄地铁车站、出入口、风道及临近区间的基坑支护设计未采用止水帷幕,而是采用的基坑降水措施,临近地铁区域基坑设计采用旋喷桩止水帷幕+疏干井+明排的地下水控制方案与原地铁结构接驳,施工中应做到确保基坑止水帷幕与原地铁支护结构的接驳处封闭效果与坑内地下水疏干的效果,做到干槽作业。

3、基坑各项单项工程量大,工期紧张。基坑开挖各项工序施工设备和作业人员众多,各项工艺作业面多,材料堆场设置困难。考虑到基坑肥槽、支护结构以及现场施工循环道路所占用的空间,基坑开挖后的部分边界空间将非常有限,邻近基坑边坡堆放的材料以及施工车辆均会给边坡施加很大的附加荷载。在施工过程中,充分利用工期分析软件,合理划分工作区段和工序,形成科学的施工节拍和流水。严格控制土方开挖的深度和速度,严禁超挖,裸露的边坡应立即支护,支护结构达到设计强度75%以后,再进行下步土方开挖。

四、关键施工技术

1、双排桩地铁保护施工技术

由于基坑紧邻地铁隧道,需确保基坑围护结构强度、刚度及稳定性,且避免施工作业对地铁隧道的扰动。为此,采用全套管跟进技术施工工艺,对钻孔灌注桩孔壁进行护壁,保证套管的底部大于钻孔底部不小于2米,随钻随支护,最大限度地防止水体对钻孔底部砂土的突涌,对钻孔施工过程中周围土体的扰动降低到最低水平,进而保证地铁运营的安全。

双排桩设计直径为1000mm,桩间距为1400mm,钻孔桩在饱和粉细砂地层或滞水层施工时,应保持护筒内一定的水头压力或考虑使用不少于1m高水头的合适泥浆直至钻孔结束。应在完成孔之后并在吊装钢筋笼之前立即进行清孔,用钻机放慢钻速利用双底捞渣钻头将浮土或沉渣全部带出的方式进行;清孔结束,灌注混凝土前最后测量孔深,检查沉渣厚度不得大于200mm,超过标准的必须进行再次清孔。灌注桩的混凝浇筑过程见图4。

2、 高压旋喷桩施工技术

基坑工程帷幕桩采用三重管高压旋喷工艺,旋喷桩直径为1000mm,桩间距为1400mm,与双排桩咬合组成止水帷幕。施工中易产生的施工质量问题及相应的处理措施如下:

1)固结体强度不均匀、缩颈:

产生的原因主要为:①设备故障导致不能连续喷射浆液;②提取喷管过快或者过慢,速度不均,导致形成的桩体大小不一;③土层软弱不均,导致缩径或者塌孔;④浆体与土体搅拌均匀,导致桩体夹泥块。

处理措施为:①在喷射浆液之前,应检查设备情况,喷嘴是否堵塞,可以采用地面喷水试喷,确保设备在喷浆施工时候能连续运转。②根据地层情况和固结桩体的成型情况,调整喷射设备的喷射速度和提升速度,对出现喷浆异常,应及时检查设备和观测孔内情况;③对出现塌孔或者出现缩孔等情况时,应采用定位旋转喷射或者重复喷射等补救措施。

2)喷浆压力异常:

产生的原因主要为:①设备管路或者安全阀门密封不严,导致压力上不起,或者吸浆管内混合空气,油泵调压过低等;②喷浆前没有试喷,设备喷嘴堵塞,或者管路没有清洗,异物堵塞导致压力突然上升。

处理措施为:①施工前应仔细检查设备,比如喷嘴、安全阀门、高压管路、油泵等,检查无误后方可施工,当出现喷嘴或者高压管路堵塞情况时,应停机检查,清洗排除故障后方可喷射;②其他情况导致的压力异常,仔细排出故障后者调换设备后,故障消失才能进行下一工序操作。

3)钻孔沉管困难偏斜、冒浆:

产生的原因主要为:①钻机在钻机过程中遇到障碍物,导致钻孔偏斜;②喷浆量出现异常,大于或者小于设计量应重新设计喷射方案;③地层条件复杂,存在土洞或者土质松软,导致注浆量过大,反之当土质较硬导致注浆量远远小于旋喷固结所需浆液。

处理措施为:①施工前,因探明地下埋藏物和障碍物,应迁改或者处理后方可进行高压旋喷桩施工;②喷射注浆前应先平整场地,钻杆应垂直倾斜度制在0.5%以内;③采取多次重复喷浆或者侧式喷射,使浆液量与实际需要量相当,提高喷射质量和固结体质量。

3、土方开挖施工技术

施工前先探明场区内地下管线情况,在自然地面处基坑支护施工内容(护坡桩、帷幕桩、冠梁)完成后,方可进行土方开挖,整体开挖按照分区分段分层进行,距离地铁较近区段每段长度25m,先开挖靠近地铁区间的一侧,相邻流水段开挖高差宜不大于2.5m。每段开挖至基坑底后应立即组织设计单位验槽,浇筑垫层,打设底板,底板与桩间的肥槽应以C20素混凝土填实。各层中板实施完毕后,应及时施做防水层,并回填肥槽。为尽量减少对地铁的影响,将邻近地铁区段进一步分为以:1→2→3→4→5区,分段图如下图所示:

五、结论

本文研究成果提供实以下实践经验:

1、采用双排桩围护结构+高压旋喷桩止水帷幕对临近地铁深基坑进行围护,围护结构刚度大,变形小有效控制了基坑周边土体的变形和沉降,高压旋喷桩可以对基坑进行封闭,对多层潜水和微承压水提供了良好的止水效果。

2、由于基坑紧邻地铁隧道,需确保基坑围护结构强度、刚度及稳定性,且避免施工作业对地铁隧道的扰动。为此,采用全套管跟进技术施工工艺,对钻孔灌注桩孔壁进行护壁,保证套管的底部大于钻孔底部不小于2米,随钻随支护,最大限度地防止水体对钻孔底部砂土的突涌,对钻孔施工过程中周围土体的扰动降低到最低水平,进而保证地铁运营的安全。

3、基坑工程帷幕桩采用三重管高压旋喷工艺,旋喷桩直径为1000mm,桩间距为1400mm,与双排桩咬合组成止水帷幕。分析了高压旋喷桩在施工过程中易出现的各种质量问题,并提出了相应的处理措施。