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西宁某车站综合改造总体项目基坑工程

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一、工程概况及特点

1. 工程概况

西宁某车站综合改造工程总体项目是目前西宁地区建设规模最大、技术含量最高、施工难度最大的工程,其需要进行深基坑支护的工程有∶地下空间工程、隧道交通工程、轨道交通工程、塑水河暗涵工程,因此该总体项目地下空间开发形成了一个平面叠置、立面分层、同步进行的特大型基坑群,如图1所示。


(1)地下空间工程∶为全埋式两层地下室,局部三层,与地铁出人口相连。平面尺寸为11.0m×597.0m,星"一"形,总建筑面积约1O8156m²,分为2个标段,开挖深度为设计地面标离下11.00~16.00m,林坑开挖面积约为7200m²。采用柱下独立基础,人工挖孔桩抗浮。


(2)隧道交通工程;现状祁连路-互助路在火车站南通过,综合改建后以下穿隧道形式通过,隧道位于地下一层,紧邻地下空间南侧布置,与轨道交通呈平面叠置、立面分层布置。分为3个标段,开挖深度为设计地面标高下9.00~11.00m,局部为18.15m,基坑开挖长度 1340m(K0+902.00~K2+342.0),宽度随深度变化,开挖面积约为 9522. 7m2 o

(3)轨道交通工程;火车站地铁站为西宁市预留轨道交通一号线的中间站,位于祁连路-互助路隧道下方。整体为全明挖地下3层,其中地下一层为祁连路一互助路隧道,地下2、3层分别为地铁站厅、站台层,总建筑面积为 22172.7m²,车站总长 228m,轨面埋深约21.3m,站台宽度为13.7m,主体建筑面积为10659.6m²;车站共设3个出入口,东、西两端各设置 1 组风亭。


1、2 号出人口位于地铁站的北侧,接入地下空间,并且1号出入口正对国铁出站口,在地下一层开口承接国铁出站客流,1、2号出人口出地面后分别朝向长途客运站和公交停车场,3号出入口东西向沿湿水河设置。并靠近建国桥,基坑开挖深度为设计地而标高下16.00~26.00m,局部27.00m。


(4)湿水河暗游工程


在共和路桥上游 50m 处设置枢纽,将湿水河水导人南北两侧暗涵。暗涵沿温水河总长约 1250m,分南北两侧布置,每侧暗涵为两孔设计,每孔净过水断面为7.5m×3.9m。暗涵壁厚 60cm,为钢筋混凝土结构,南北暗涵净间距 40m。其中;北侧暗涵面积; 19152m²,南侧暗涵面积;18330m²。基坑开挖深度为设计地面标高下5.50~8.00m。


2. 工程特点


(1)截至目前,本工程为西北地区最大、最深的基坑工程。基坑开挖总面积约16万 m,土石方量约为350万m²;基坑开挖深度不一,形成多个坑中坑,最深达 27.0m,对基坑支护设计和施工方案要求较高。


(2)场地岩土工程地质条件与水文地质条件复杂。基坑开挖深度范围内第②层卵石不利于支护桩、锚杆的施工.为主要地下水含水层,渗透性大;基坑侧壁及基底的岩层,夹块状或薄层状石膏,局部夹砂岩,节理裂隙发育,遇水极易软化,长时间暴露在空气中易崩解,为对基坑的围护及稳定不利。


(3)本工程地处西宁较为繁华的城区,周围分布的建(构)筑物较多、道路纵横交错、管线密集,需根据拆迁进度不断变更设计;湿水河从场区南部流过,特别是管线改迁后,距离隧道东侧,地铁南侧基坑较近。


二、工程地质条件


拟建场地位于湿水河北岸I级阶地及高漫滩,总的趋势是西高东低,海拔高程 2209.31~2216.1m,相对高差6.8m。由于该项目规模较大,现以 2010年7月青海九O六工程勘察设计院提供的《西宁市火车站综合改造工程(轨道交通)火车站站岩土工程勘察报告》为例,对该场地地质条件进行说明。


  1. 地基土岩性特征


地基土在勘探控制深度内自上而下依次为第四系杂填土、粉土、卵石及第三系石膏岩夹泥岩,其岩性特征如下;


①杂填土(Q,");灰褐色、灰黄色。稍密—稍湿。上部主要为建筑垃圾,夹少量粉土及煤液、砾石、砖块等。下部以粉质土为主,内含石膏颗粒,干强度低,韧性低。层厚 0.9~4.7m。


②卵石(Q1-);青灰色、灰白色,稍密-中密,湿—饱水。砾卵石成分多为石英岩、石英砂岩、花岗岩及变质岩等。粒径大于 20mm 的卵石约占 55%~75%,2~20mm的砾石约占 15%~25%,粉粘粒含量小于5%,其余多为中机砂。砾卵石分选性较差,级配不良。该层埋深1.3~4.7m.层厚1.4~4.5m。


②-,细砂(Q,*);褐黄色,湿一饱和,稍密,含量约为50%~60%,中粗砂约为 30%~40%,含少量砾石。ZK8发育在卵石层以上,埋深2.2m,厚0.4m。ZK41发育在卵石层以下,埋深4.0m,厚 1.2m。


③强风化层(E);以青灰色、砖红色泥岩为主,夹块状或薄层状石膏及石膏岩,局部夹砂岩,软塑一可塑一坚硬。节理裂隙发育,遇水极易软化,长时间暴露在空气中易崩解。岩体基本质量等级Ⅴ级,定性分类属极软岩,岩体完整程度属较完整。埋深 5.1~7.4m,层厚5.9~12.6m。根据岩性特征分为③-;强风化泥岩和③-强风化石药岩。


④中风化层(E);青灰色、灰白色石膏岩与褐红色、青灰色泥岩呈互层状产出,软硬相互,泥岩较软、石膏岩较硬。岩体基本质量等级Ⅳ级,定性分类属软岩。埋深1.0~ 13.5m,层厚10.2~13.1m。依据岩性特征分为④-中风化石膏岩和④2中风化泥岩。④-中风化石膏岩(E);以青灰色、灰白色石膏岩为主,夹青灰色泥岩薄层。节理裂隙较发育,岩石破碎,岩芯多呈碎石状及短柱状,吸水率较大,遇水极易膨胀。④-∶中风化泥岩(E)∶以褐红色、青灰色泥岩为主,夹大量块状或薄层状石膏及石胥岩。节理裂隙较发育,沿裂隙面发育有针状石膏沿体,岩芯多呈碎石状及短柱状,长时间暴露在空气中易崩解。


⑤微风化层(E),褐红色、青灰色、灰白色,石膏岩泥岩呈互层状,泥岩较软、石膏岩较硬。节理裂腺不太发育,沿裂隙面发育有针状石膏沿体。岩体基本质量等级N级,定性分类属软岩。埋深18.2~25.0m,最大揭露厚度30.6m(未揭穿)。依据岩性特征分为,⑤-,微风化泥岩和⑤;微风化石膏岩。


⑥-1微风化泥岩(E)。以红褐色、青灰色泥岩为主,夹石膏岩薄层,内含纤维状石膏或石膏岩晶体。节理裂隙不太发育,岩石较致密坚硬,岩芯呈长柱状,岩体完整,岩质较新鲜,长时间暴露在空气中易崩解。


⑥-2微风化石膏岩∶以青灰色、灰白色石膏岩为主,夹青灰色泥岩薄层,节理裂腺不太发育,岩芯多呈短柱状柱状,吸水率较大,遇水极易膨胀。

2. 水文地质条件


场地赋存第四系松散岩类孔隙潜水,初见水位埋深 3.1~4.5m,稳定水位埋深2.8~ 4.5m,地下水位标高为2208.31~2210.13m。含水层主委为全新统冲积卵石层,厚1.4~ 4.5m,隔水底板为第三系泥岩,地下水由西南流向东北,以地下径流形式排泄于下游地区,最终排泄于温水河,动态变化季节性明显,年水位变幅0.5~1.0m左右,水量比较丰富,该层水位受地面排水影响较大,导致地下水位起伏较大。


三、基坑围护平面图


1.工程降水方案


由前述可知地表水及地下水的治理是支护方案需要解决的首要问题。

由于轨道交通工程基坑、祁连路一互助路下穿隧道基坑均紧临湟水河,卵石层渗透性较大,若不先排除湟水河对基坑的威胁,河水一旦灌入或渗人基坑,则对基坑的施工与安全会造成极大的危害。因此,经过多次论证,决定在湟水河两岸修建暗涵,在各基坑施工前将河水改移至两侧的暗涵中流排,工程竣工后两侧暗涵之间河水可作为景观湖水。


另外,基坑围护须慎重对待第②层卵石,初拟沿基坑四周设置厚 500的素混凝土地下连续墙止水帷幕,且地连墙止水帷幕须进入第③层1.5m,对基坑内的地下水采用明排与疏干降水井相结合的方案进行处理。随着地下空间2标基坑的开挖(此时地下水上游处即地下空间2标西北侧地连墙已施工),降水方案改为;除地连墙段外、沿基坑周边采用间距18~25m 不等、井径为 600mm 的管井降水方案。


为防止地表水流入基坑或雨水冲刷坡面,影响基坑土体稳定性,在基坑顶部距坑边 1.00m处设置 300mm×300mm 排水明沟;在坑底为排净基坑内的地下裂障水,周边设置 300mm×300mm 排水明沟,每隔 30m 设置一个深度不小于1.0m 的集水井。


2. 基坑支护方案


该基坑群体量巨大,不同的支护方案在工期、造价及施工便利性等方面差异很大,如何在满足基坑安全的前提下降低工程造价、提高经济性以及施工的方便性成为基坑支护方案选型的重要问题。


原某设计院基坑支护结构方案选择为∶


(1)开挖较浅且环境条件允许的部位,采用二级放坡+土钉挂阿喷射混凝土 150 厚面层护坡,坡面设置泄水孔∶


(2)对开挖较深的坑中坑部位,采用三、四级放坡+格构式锚索(杆)支护体系。从安全稳定方面看,此支护方案有一定的优越性;但从经济效益、施工工艺等方面看,此方案不尽合理。根据经验和垂直边坡主动土压力试验。在充分了解该工程特点的基础上,考虑到施工工期和工程造价,采用修正的土压力计算方法将原基坑支护结构总体设计方案优化为∶


(1)开挖较浅且环境条件允许的部位,采用不同坡率的二级放坡+土钉挂网喷射混凝土80 厚面层护坡,局部坡面设置泄水孔;


(2)对开挖较深的坑中坑部位,采用排桩加锚杆支护体系,排桩上部能放破的尽量放坡、卸荷;


(3)对于无放坡空间、环境条件较为紧张的部位,如预留地铁与地下空间之间的基坑采用桩锚支护,垂直开挖,并对桩锚支护结构进行合理优化。基坑围护结构平面布置图如图 3 所示。


四、基坑围护典型剖面图


土钉支护结构∶结合环境条件,采用上大下小的放坡系数放坡,中间设 2m 宽的马道,土钉一般长L=6.0~9.0m,间距1.50×1.50m,呈梅花形布置。桩锚支护结构;对于有条件放坡的部位,尽量采用较大的放坡系数放坡,以卸去上部土体荷载,减小土压力;对于放坡不允许放坡的部位或坑中坑部位,在对桩长和桩径进行合理优化的同时,桩身配筋采用弯矩最大处加密的优化方案配筋。一般径d=800mm,桩中心距;=2000mm,桩长不等,最长的为 21m。支护结构典型剖面图如图4、图5 所示。


五、施工顺序

在包含多个同步、交叉、先后施工的基坑群中,如何加快每个子项目的施工进度,满足工期目标,降低工程造价,并善解决相邻基坑之间相互影响问题是施工组织应解决的关键性问题。


西宁火车站综合改造工程涉及到地下空间工程、隧道交通工程、地铁西宁站和溴水河暗涵工程。根据本工程所在地区的交通状况、水文地质与工程地质条件、开挖深度、平面关系,确定本工程的施工顺序为∶(1)先治水,后施工围护结构;(2)先施工核心区域,后施工两边;先施工深的部位,再施工浅的部位;(3)根据场地的交通状况和拆迁进度,调整施工顺序,如图5 所示。整体施工顺序如图 3 所示。


六、点评


(1)西宁火车站综合改造工程总体项目是新中国成立以来西宁市规模和投资最大的综合性项目,截至目前,该基坑工程也是西北地区最大最深的基坑工程,随着各基坑的逐步开挖。证明采用不同放坡系数的土钉墙和上部放波+下部桩锚的优化支护方案,有效地缩短了施工工期、节约了大量资金,可为类似特大型基坑群支护方案选型分析与优化提供参考和借鉴。


(2)在处理不同子项目平面叠置、立面分层的复杂基坑围护设计时,如何做到基坑群、坑中坑围护结构既经济合理又安全可靠,同时又便于施工,是西北地区类似基坑工程的重要研究方向之一。



感谢供稿作者:

黄雪峰、杨校据

(兰州理工大学 土木工程学院,解放军后勤工程学院建筑工程系)