摘要:研究目的:通过介绍近年来对地铁车站围护结构组合的应用研究与实际应用经验,探讨和创新设计理念,以期达到安全经济的目的。
研究方法:通过工程实践,结合工程周边环境、地质水文情况,对地铁车站围护结构形式和施工技术进行深入的阐述,并将单一的围护桩支护形式和土钉墙与围护桩组合形式进行了对比分析。
研究结果:在基坑开挖过程及车站主体施工阶段,基坑围护经历了时间和恶劣天气的考验。通过对基坑的监控量测,基坑位移及地面沉降等各项数据都在控制值范围之内,充分验证了基坑的安全性。
研究结论:在地质及周边环境允许的情况下,基坑围护采用上部放坡土钉支护、下部排桩+内支撑或预应力锚索支护方案,有利于土方挖运,提高了机械利用率,施工进度快,且节约了成本;设计时应根据地质勘察报告,分析场地土的性质,根据理论分析、类似工程的经验和监控量测结果,及时修正设计参数。关键词:土钉墙;钻孔灌注桩;钢管支撑;围护结构
土钉支护结构是由被加固土体、放置在土中的土钉体及附着于坡面的喷射混凝土面层所组成。土钉支护具有施工方便、性能可靠、对周围环境影响小和突出经济特性的优点,但土钉技术在应用上也有一定局限性。为了在地铁车站等深基坑边坡支护中,充分发挥土钉支护的优势,近年来,土钉与排桩+内支撑或预应力锚索的联合使用效果,已被广大工程界同仁所认可,因而被广泛应用于基坑开挖边坡支护工程中。
1工程概况
北京地铁奥运支线起于北中轴路的熊猫环岛,沿北中轴路向北延伸,止于森林公园内规划奥运湖南岸。奥运支线全部为地下线,全长4.398km,由南向北设熊猫环岛站、奥体中心站、奥林匹克公园站、森林公园站4座车站,车站全部采用明挖顺作法施工,围护结构采用上部为土钉墙、下部为排桩+内支撑形式,基坑开挖深度为17.3m,沿线地面开阔平坦,与基坑开挖有关土层情况分别如下:(1)人工堆积层:杂色、主要成分为粘性土夹建筑、生活垃圾、含砖块、灰渣等。厚度为1.2~2.6m;(2)第四纪冲洪积层:粉土③层、粉质粘土③1层、粘土③2层、粉细砂③3层,本大层总厚度为5.6~9.1m;粉质粘土④层、粘土④1层、粉土④2层、粉细砂④3层,本大层总厚度为6.0~10.2m;粉质粘土⑥层、粉土⑥1层、粉土⑥2层、细中砂⑥3层,本大层总厚度为7.0~13.1m;卵石⑦层、中粗砂⑦1层、粉细砂⑦2层、粉土⑦3层,本大层总厚度为0.5~5.6m。
2围护结构设计方案
2.1土钉参数
基坑壁放坡坡度75°,土钉向下倾角10°,土钉长度L=8m,Φ25螺纹钢筋,成孔直径120mm,按间距@1500(水平)×1000(竖向)呈梅花型布置,M15水泥砂浆,注浆方式为低压注浆,压力需小于0.5MPa,坡面布设Φ6@150×150单层双向钢筋网片,该网片在基坑壁顶面翻边0.8m,用Φ22、长0.8m的短钢筋按间距2m打入土中固定,土钉顶端焊接4根Φ22、长0.20m的井字钢筋架,把钢筋网固定在土钉上,在钢筋网上喷射C20混凝土厚度100mm。
2.2钻孔灌注桩
Φ800@1200mm,桩长14.3m,桩插入基坑底深度5.0m,桩间采用挂网喷射C20混凝土封闭找平,桩顶设冠梁。
2.3钢支撑
内支撑采用Φ800钢管支撑,钢管支撑设于冠梁及围檩处,钢管支撑的选择及支撑设计轴力如表1所示,支撑施加预应力值为支撑设计轴力的50%。
3围护结构方案实施
3.1施工流程
施工准备→施工降水→一级放坡开挖→土钉施工及挂网喷射混凝土→钻孔灌注桩及桩顶冠梁施工→安装第一道钢支撑→土方开挖及桩间喷射混凝土→安装第二道钢支撑并继续开挖至基坑底标高→底板及部分侧墙施工→拆除第二道钢支撑、侧墙及中楼板施工→拆除第一道钢支撑、侧墙及顶板施工,并回填。
3.2一级坡面开挖及土钉支护施工
3.2.1开挖、修坡
一级开挖平台开挖深度为7.69m左右,开挖时带坡开挖,基坑的开挖和土钉墙的施工应自上而下分段分层进行,以挖掘机开挖为主,人工配合刷坡、修整。在开挖过程中随挖随修整,随作土钉墙防护。
3.2.2土钉施工
成孔:按设计孔深,人工用洛阳铲成孔。按设计规定的孔径、孔距及倾角成孔,成孔后及时将土钉连同注浆管插入孔中,沿土钉长度每隔2.0m设置对中定位支架。
注浆:按配比制浆,注浆采用底部注浆法,注浆管应插入距孔底250~500mm处,随浆液的注入缓慢匀速拔出,为保证注浆饱满,孔口宜设止浆塞或止浆袋。3.2.3铺设钢筋网片
在铺设钢筋网片前,先在坡面上初喷一层混凝土,其厚度为50~80mm。网片钢筋应顺直,按设计间距绑扎牢固。在每步工作面上的网片筋应预留与下一步工作面网筋搭接长度。钢筋网片采用井字钢筋架与土钉连接牢固。
3.2.4复喷混凝土至设计厚度
按配合比要求拌制混凝土干料。为使回弹率减少到最低限度,喷头与受喷面应保持垂直,喷头与作业面间距宜为0.6~1.0m。喷射顺序应自下而上,喷射时应控制用水量,使喷射面层无干斑或移流现象。喷射混凝土终凝2h后,应喷水养护,养护时间根据气温确定,宜为3~7d。
3.2.5继续开挖土方至第二道土钉,重复上述工作。按此循环直至开挖到坑底标高。
在施工过程中必须自始至终与现场测试监控相结合,通过变形等量测数据和施工中不断发掘的现场地质情况,及时反馈、修改设计,并指导下一步施工。
3.3钻孔灌注桩施工
3.3.1测设桩位
根据设计提供的有关数据,先利用极坐标法定出本工程灌注桩的轴线位置,然后定出各个钻孔桩桩位。标高控制,通过已知控制点由护筒顶标高来控制。
3.3.2护筒埋设
护筒具有导正钻具、控制桩位、隔离地面水渗漏、防止孔口坍塌、抬高孔内静压水头和固定钢筋笼等作用,应认真埋设,具体埋设方法为:先放出桩位中心点,过桩径中心点拉正交十字线在护筒外80~100cm处设置控制桩,然后在桩位处挖出比护筒外径大20cm的圆坑,深度1.5m左右。把护筒采用钢丝绳对称吊放进坑内,在护筒上找出护筒的圆心(可采用拉正交十字线法),然后通过控制桩放样,把桩位中心找出,移动护筒使护筒的圆心与桩位中心重合,同时用水平尺(或吊线锤)校验护筒竖直后,方可在护筒周围回填最佳含水量的粘土,分层夯实,夯填时要防止护筒偏斜,护筒埋设后质检员检查护筒中心偏差,当中心偏差小于允许偏差(20mm)后,方可使钻机就位开钻。
3.3.3钻机就位
使钻机按预定桩位就位,且使钻机停在硬实地面调整桅杆偏差,保证桩位移、倾斜度不超标。
3.3.4钻孔
开钻前应加入足够的泥浆,所采用的泥浆配比应取水:膨润土:碱:CMC为1000∶100∶20∶8的比例,经搅拌桶搅拌后放入泥浆池备用,并根据地层情况随时调整比例。泥浆性能指标应符合下列要求:
比重1.10~1.2
漏斗粘度 24S
含砂率≤4%
胶体率≥95%
成孔至设计标高后,对成孔的孔径、孔深和倾斜度进行检查,满足设计要求后,请监理工程师验收,并作成孔记录。
3.3.5清孔
清孔工艺中,待换浆的相对密度降到1.1左右,可以认为清孔合格,要求清孔之后,沉渣厚度不能超过50mm。
3.3.6钢筋笼的吊放安装
在钢筋笼下放之前要安装测笼,直径为设计直径20mm,长度为4~6倍直径长,以查垂直度。将验收合格的钢筋笼运到孔口,绑扎扶正杆,找好吊点将钢筋骨架缓缓起吊慢慢扶正,并使其逐渐铅垂,然后将钢筋骨架徐徐放入孔中,不得碰撞孔壁和护筒。当骨架吊点进至孔口时用插杠将钢筋笼固定,用组合型钢管吊筋吊起,根据空桩深度选择吊筋长度并与钢筋笼做可靠的固定,而后便可将钢筋笼下入到设计标高,将吊筋上部固定,采用双重控制钢筋笼位置的措施,避免钢筋笼的上浮或下沉。
3.3.7导管的安放
钢筋笼吊入固定后,应逐节下放导管,导管的壁厚不小于3mm,直径250mm,导管使用前进行拼装打压,以检查导管是否有砂眼,丝扣是否有变形,密封是否严密,试水压力≥0.8MPa,导管安放触孔底后,上提300~500mm。
3.3.8水下混凝土灌注
灌注前,检查孔内沉渣厚度是否符合规定,并经监理工程师确认后方可进行灌注。
首先灌注混凝土在导管上口和漏斗之间要设置隔水皮球。采用罐车运输混凝土至现场,利用汽车输送泵注入导管内进行灌注。随着不断的灌注,孔内混凝土面的上升,随时提升和拆卸导管,导管埋深控制在2~6m。灌注过程中,应有专人测量导管埋深及管内外混凝土面的高差,填写混凝土灌注记录。水下混凝土必须连续灌注施工。
3.4冠梁施工
冠梁施工前先将钻孔桩顶部混凝土浮浆凿除、清理干净;将桩顶伸入冠梁的钢筋清除干净。然后绑扎冠梁钢筋,立设模板,浇注混凝土。
3.5钢支撑及基坑土方施工
3.5.1钢管支撑安装
为确保基坑稳定,首先在冠梁处安装一道钢管支撑。钢管支撑规格为800(t=12或14),系由一端为固定端、另一端为活动端、中间多节不同长度的钢管通过法兰盘连接而成,由工厂加工运至现场拼接吊装。钢管支撑吊装就位后,采用液压千斤顶在活动端逐级按设计轴力值50%施加预应力并锁定。
3.5.2基坑土方开挖
基坑土方开挖以机械开挖为主,人工配合挖土、清底。按分段分层开挖、及时支撑的原则组织施工,减少钻孔灌注桩水平方向的位移和坑底回弹。做好支撑和挖土的紧密配合,随挖随撑。当挖掘机撤出基坑后,剩余少量部分土方采用人工装土,吊车提升吊斗出土。机械开挖接近基底20cm时,人工配合清底,不得超挖或扰动基底土。4经济费用分析
以本工程为例,仅对围护方案上部支护形式变化费用进行分析,如表2所示。
可见,采用组合支护形式比采用单一的围护桩支护形式每延长米可节省费用7874.36元,而且采用土钉墙与围护桩组合支护形式有利于土方挖运,提高机械利用率,施工进度快。
5结论
该工程自2005年6月开工至今,车站主体结构已全部封顶。在基坑开挖过程及车站主体施工阶段,基坑围护经历了雨雪等恶劣天气及时间的考验,通过对基坑的监控量测,基坑位移及地面沉降等各项数据都在控制值范围之内,充分验证了基坑的安全性。
(1)在地质及周边环境允许的情况下,基坑围护采用上部放坡土钉支护、下部排桩+内支撑或预应力锚索支护方案,具有显著的社会效益和经济效益。
(2)正确合理的设计是保证施工质量的前提,直接影响着工程安全、工期和投资的经济性。故设计时应根据地质勘察报告,分析场地土的性质,根据理论分析和类似工程的经验,根据监控量测结果及时修正设计参数,使基坑设计既安全又经济。