宁波地区地铁基坑开挖风险控制初探

姜陈钊 林 平 夏汉庸

1 工程概况

宁波市轨道交通1号线福明路站为一期工程先行节点,整个车站采用明挖顺作法施工,其中车站主体分两期施工,一期施工东半幅车站主体,翻交后再施工西半幅车站主体。一期主体基坑长约117.3 m,标准段基坑宽18.7 m,深16.3 m,东端头井基坑宽22.6 m,深18.4 m。围护结构采用800厚地下连续墙,地基加固采用三轴搅拌桩抽条加固,支撑体系为首道钢筋混凝土支撑+4道φ 609×16钢支撑(端头井处5道钢支撑)。

2 监测数据及预报警事件

福明路站一期工程自2009年11月20日开始基坑开挖,从东向西开挖,至2010年1月30日全部完成。自基坑开挖以来,险情不断,结构安全监控管理中心共及时发布了7次预警,预警情况如下:

1)12月 22日,煤气管线、电力管线日沉降量分别达到4.1 mm/d,7.0 mm/d,结构安全监控管理中心发布黄色预警。2)1月1日,测斜CX5在12.5 m深度日变化量6.8 mm/d,煤气管线MC-2日沉降量达到12.5 mm/d,结构安全监控管理中心发布黄色预警。3)1月5日,测斜CX4在14.5 m深度连续2 d的日变量分别为9.8 mm/d,10.0 mm/d,结构安全监控管理中心发布橙色预警。4)1月7日,测斜CX4在14.5 m深度日变量10.6 mm/d,结构安全监控管理中心发布橙色预警。5)1月8日,测斜CX4附近地连墙基底以上1 m处发现长约4 m、宽约0.5 mm的横向裂纹,结构安全监控管理中心发布红色警报。6)1月14日,测斜CX5连续2 d变化速率均超过10 mm/d,在测斜CX5附近地连墙基底以上1 m处发现长约1.2 m、宽约0.5 mm的横向裂纹,结构安全监控管理中心发布红色警报。7)1月20日测斜CX7在17 m深度日变量11.6 mm/d,结构安全监控管理中心发布橙色预警。

3 预警原因分析

3.1 地质原因

宁波地区为典型的软土地区,上部的淤泥质土具有“大孔隙比、高压缩性、高灵敏度”等特点,与上海地区的土性具有较大的相似性,现有的设计和施工方案基本上照搬上海的做法,未考虑宁波地区的特殊性。

3.2 设计原因

1)混凝土连系梁和冠梁的影响。该车站基坑支护设计时,为了加强各道支撑之间联系的整体性,将第一道混凝土支撑之间通过混凝土连系梁连接,各道钢支撑之间通过钢连系梁连接。由于超长臂挖机的大臂较长,如果挖机靠近坑边挖土,则大臂要碰上连系梁;若挖机稍微远离坑边进行挖土,由于冠梁深入基坑内70 cm,则大臂下趴角度受到极大影响。超长臂挖机具有直接挖深16 m的能力,但是在福明路站基坑只能挖到13 m～14 m深,剩余土方只能靠小挖机不停的喂土,尤其在快挖到基底时,混凝土连系梁对土方开挖效率的影响尤为突出。2)下翻梁的影响。底板纵梁局部设在底板以下,由于纵梁的钢筋和混凝土须和底板整体绑扎和浇筑,在纵梁混凝土浇筑之前,基底垫层不能形成整体的传力系统,降低了对围护结构的支撑效果。

3.3 施工原因

1)由于目前车站基坑采用全包防水,在防水卷材上有5 cm的混凝土保护层,故原设计确定的20 cm厚度的垫层只能先做15 cm,铺设防水卷材后才能加铺5 cm的细石混凝土保护层,先行浇筑的15 cm厚的垫层刚度达不到设计要求。2)无支撑暴露时间过长。土方开挖和钢支撑架设没衔接好,支撑架设时间过长,导致基坑无支撑暴露时间高达40 h。另外,小挖机的高度大于基坑的竖向间距,使得小挖机在基坑长度方向的侧向移动受阻,大大延长了无支撑暴露时间。3)坑内土体加固采用三轴搅拌桩抽条加固,由于施工机械原因,加固体与地连墙之间存在约30 cm宽被动区土体加固盲区,该部分土体的侧向压缩变形将导致地连墙向坑内位移。4)施工单位在浇筑垫层时,没有掺加早强剂,导致垫层浇筑3 d才能达到35%左右的强度,严重影响了对地连墙侧向变形的控制。5)开挖第四层土、第五层土时,该土层为淤泥质黏土,土体采用降水疏干的方法,未做到提前预降水,开挖后土体强度仍较低,弹性模量较低,很容易产生变形。6)施工单位和监理单位未引起高度重视,没有完全落实之前预报警分析会议决定的措施,致使基坑结构变形较大。

4 监测数据规律异常分析

4.1 测斜数据变化速率较高而支撑轴力变化很小

结构安全监控管理中心专业工程师现场巡检后钢支撑端部出现如下情况:1)钢支撑端部混凝土局部被压碎;2)活络头插销处钢楔发生了塑性变形;3)活络头偏移使得轴力计偏心,产生侧向分力,使得增加的轴力不能反映到轴力计的读数中。

4.2 测斜数据与地表沉降关系反常

施工单位在施工过程中未做好墙体测斜孔的保护工作,破坏现象较严重,为得到该位置的测斜数据,坑外补打了一些土体测斜,由于土体测斜到墙体有2 m～3 m的距离,土体测斜的数据小于墙体测斜并且变化有滞后现象,测斜的量测方向也未必与墙体垂直,因而测得的测斜数据小于实际墙体的测斜数据,甚至小于对应位置的地表沉降值。

5 改进建议

1)连系梁适当优化。由于连系梁大大影响现场施工挖土作业和钢支撑架设的便利性,因此施工单位根据现场的实际需要,先间隔取消,后期根据实际的变形情况,考虑全部取消,以加快土方的开挖速度和钢支撑的架设速度。2)提前20 d降水,对坑内土体进行预加固,以提高被动区土体的弹性模量,减少基坑开挖过程中的地连墙侧向变形。3)坑底地基加固形式可采用抽条+裙边的加固形式,且靠近地连墙边缘再采用旋喷桩进行处理。4)适当调整支撑的竖向间距,使得小挖机可以沿基坑的纵向移动。施工单位可开展施工机械的专项研究,如采用净高更小的挖机等。5)对于支撑的水平间距,可根据现场的实际情况将“2.5 m-3.5 m-2.5 m”调整为“2 m-4 m-2 m”的方式布设,便于小挖机的吊放。6)优化土方开挖方式,每层土体开挖中,中间先开槽开挖,开槽完成后再用长臂挖机对两侧的留土进行对称开挖,提高挖土效率。同时加大钢支撑架设管理力量,严格控制要求将无支撑暴露时间控制在16 h以内。7)加快支撑架设速度,第一道钢支撑由于承受的轴力较小,牛腿支架需与地连墙钢筋焊接,下面几道钢支撑的重力主要由支撑与地连墙间的摩阻力承担,牛腿支架可采用膨胀螺丝打设到地连墙上,以加快施工速度。8)调整垫层混凝土厚度。垫层施工时在混凝土中加入早强剂,使其尽快达到设计强度,以减缓底板浇筑前基坑变形趋势,同时垫层施工要分块浇筑,做到挖好一块,浇筑一块,尽量减少基底暴露时间。有下翻梁处考虑加深地基加固深度、架设临时短撑或其他措施。9)地连墙施工过程中注意控制质量,质量问题就是安全问题,防止鼓包等现象,钢支撑架设时保证端部的平整度。10)保证监测数据的可靠。做好监测点的保护工作,如果不慎发生墙体测斜孔的破坏,应尽早在墙体上补打测斜孔;加强对管线的监测,有压管线必须采取直接点观测,以反映管线的真实沉降。11)落实图纸会审、细化施工方案、加强评审。及早进行设计图纸的疑议提出,现场施工单位应对基坑挖土方案、支撑架设方案进行细化和评审并应加强现场的管理,及时落实相关会议措施。

[1] 北京城建设计研究总院.福明路车站施工图设计文件[Z].2009.

[2] 中铁十九局集团有限公司.福明路车站施工组织设计[Z].2009.

[3] 上海市市政工程管理局.上海地铁基坑工程施工规程[Z].2000.

[4] 沈爱国.深基坑施工风险评估模型设计[J].山西建筑,2008,34(24):148-149.