地铁车站主体土方开挖施工技术.docx
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地铁车站主体土方开挖施工技术
地铁车站主体结构深基坑土方开挖施工技术
摘 要:
北京地铁十号线xx车站主体结构为明开法施工,车站全长183.4m,宽度为20.7m,土方挖方量共为71850m3,围护结构采用钻孔灌注桩+内撑法。
为确保基坑土方开挖的高效、安全,需采取科学的土方开挖措施。
本文重点介绍了土方开挖的施工流程,强调了监测工作在深基坑土方开挖中的重要意义。
关键词:
地铁车站 基坑开挖 施工技术
1工程概况
1.1北京地铁十号线xx车站主体土方工程
xx车站全长183.4m,宽度为20.7m。
车站现状地面标高41.69~42.17m,车站结构顶板覆土埋深3.5m左右,结构底板埋深约16.5~18m,基坑全长185m,西端盾构井处最宽处为39.8m,东端盾构井宽25.5m,深18.07m;标准段宽20.9m,深16.23m。
主体土方挖方量共为71850m3。
工程采用明挖法施工,xx车站主体围护结构为钻孔灌注桩壁,随挖土方随架设钢支撑的内支撑形式。
灌注桩桩径800mm,桩长22m,间距1.4m。
钢支撑为φ630mm钢管,壁厚12mm。
车站主体围护结构见图1。
图1 车站主体围护结构平面图(单位:
mm)
xx车站由于工期紧张(计划工期为150天),且土方工程是整个车站工程最重要的一步,所以怎样安全、快捷的完成土方开挖工程,成为本车站工程的一个重点。
1.2水文地质情况
根据地质资料,xx站地层主要由第四纪粘性土、砂及碎石类土构成。
车站范围地下水有潜水、承压水和上层滞水。
具体详见表1。
表1xx站工程地质与水文地质条件
项目类别
详细内容描述
工程地质条件
根据岩土工程勘察报告,站区内地层自上而下依次为:
⑴人工填土层:
粉土填土①、杂填土①1层,层底标高31.10~40.42m。
⑵新近沉积层:
粉土②、粉质粘土②1、粉细砂②3层,层底标高28.82~34.57m。
⑶第四纪全新世冲洪积层:
粉土③、粉质粘土③1、粘土③2、粉细砂③3层。
层底标高26.42~34.65m;粉质粘土④、粘土④1、粉土④2、粉细砂④3层。
层底标高22.47~30.17m。
⑷第四纪晚更新世冲洪积层:
圆砾卵石⑤、中粗砂⑤1、粉细砂⑤2,层底标高17.95~27.07m;粉质粘土⑥、粘土⑥1、粉土⑥2、细中砂⑥3层,层底标高为9.58~21.89m。
站体座落在粉质粘土⑥和粉土⑥2层上。
xx站工程水文地质纵剖面图:
2主体土方开挖方案的确定
对于内支撑式的围护结构的深基坑土方开挖施工一般有如下两种:
第一种是中心岛(墩)式挖土:
此方法宜用于大型基坑,支护结构的支撑形式为角撑、环梁式或边框架式,中间具有较大空间情况下。
此时可利用中间的土墩作为支点搭设栈桥。
挖土机可利用栈桥下到基坑挖土,运土的汽车宜可利用栈桥进入基坑运土。
这样可以加快挖土和运图的速度。
第二种是盆式挖土:
是先开挖基坑中间部分的土,周围四边留土坡,土坡最后挖除。
这种挖土式的优点是周边的土坡对围护墙有支撑作用,有利于减少围护墙的变形。
其缺点是大量的土方不能直接外运,需集中提升后装车外运。
盆式挖土周边留置的土坡,其宽度、高度和坡度大小均应通过稳定验算确定。
如留的过小,对围护墙支撑作用不明显,失去盆式挖土的意义。
如坡度太陡边坡不稳定,在挖土过程中可能失稳滑动,不但失去对围护墙的支撑作用,影响施工,而且有损于工程桩的质量。
两种方法各有利弊,哪种方法最合适xx车站的土方开挖呢?
北京市市市政四公司地铁项目部组织公司技术人员,并邀请市政集团副总工程师关龙同志等有关专家进行了专门论证。
专家们根据以上两种方法的优缺点,结合现场水文地质情况,本着确保安全,节约资金的原则,推荐采用盆式挖土的方案,并严格遵循“开槽支撑,先撑后挖,分层开挖,严禁超挖”的原则。
理由有以下几点:
⑴基坑标准宽度为22m,不适合采用中心墩式挖土的方法;
⑵盆式开挖的两侧留土台可对暴露的护壁桩有支撑作用,并可方便进行钢支撑架设工作;
⑶xx车站在基坑上方沿基坑方向采用台阶法施工,土方可以做到一次运输。
3土方开挖施工
3.1土方开挖施工工艺
xx车站土方开挖施工工艺流程如下:
通过计算,确定挖运土机械型号及数量→确定分层开挖高度→开挖第一层土方→根据监测结果架设第一道钢支撑、施加预应力→开挖第二层土方→根据监测结果架设第二道钢支撑、施加预应力→开挖第三层土方→根据监测结果架设第三道钢支撑施加预应力→人工清槽底。
3.2机械挖方
开挖程序的确定
3.2.1.1竖向分层
按车站的结构形式和总体部署分区,土层的分界线为钢支撑下1m,第一层土方采用1.6m3挖掘机直接挖装;第二层土方采用一台1.6m3挖掘机从基坑西端开挖;第三层土方采用1.6m3挖掘机进行挖掘,第四层土方采用1.2m3挖掘机进行挖掘,即每层需要一台挖掘机进行作业。
基底预留300mm人工开挖。
基坑开挖过程中随挖随按设计位置架设钢管支撑,开挖顺序为由上而下逐层开挖。
开挖方法见图2。
图2车站主体土方开挖示意图
车站基坑主体深度基本相同,基坑土方在竖向上共分四层开挖:
第一层:
竖向高度约为4.35m;
第二层:
竖向高度约为5.0m;
第三层:
竖向高度约为5.0m;
第四层:
竖向高度约为3.72m(端头井)、1.88m(标准段)。
其中第二、第三层、第四层土方开挖需分台阶开挖。
机械作业台阶宽度6~7m,台阶坡度1:
0.75。
竖向土方分层开挖步序如下表。
表2 土方分层开挖步序
步骤
例图
说明
第一步
开挖地面浅基坑(桩顶摘帽),施作钻孔灌注桩及冠梁。
第二步
机械开挖基坑Ⅱ步土方,随开挖随架设第一道钢支撑。
第三步
机械开挖基坑Ⅲ步土方,随开挖随架设第二道钢支撑。
第四步
人工开挖基坑Ⅳ步土方,随开挖随架设第三道钢支撑。
3.2.2.2纵向分段
沿车站纵轴线方向,第二、三、四层土方每隔6m同时开挖。
3.2.2.3纵向拉槽、横向扩边
在每一层每一段的土方施工中,在横断面跨中开中槽,由车站西区端开始沿纵向挖掘;由中槽向两侧开挖面进行开挖作业。
⑴纵向拉中槽
纵向拉中槽,即在每层开挖工作面始端沿车站纵向拉坡开挖中槽,中槽位于车站主体结构横断面中间。
中槽的大小首先要满足挖掘机回转弃土的要求,同时要尽可能多的保留两侧土体,以支撑围护结构,减小对周边环境的扰动,并满足钢支撑施作要求。
中槽的宽度为10m左右。
⑵横向扩边拓展
为中槽开挖至6m后,向横向扩边拓展,即由中槽向两边跨开挖扩边。
开挖方式为:
由中槽向两边跨横向挖土,两边跨的土方开挖尽量对称进行,土方开挖至钻孔桩附近时,改为人工挖土,以免机械开挖破坏钻孔桩。
基坑土方开挖纵向拉中槽、横向扩边拓展平面示意图见下图。
图3 基坑土方开挖纵向拉中槽、横向扩边拓展平面示意图
3.3钢围檩、钢支撑架设
钢围檩架设
土层开挖至支撑架设设计位置后,安装三角托架,架设钢围檩,钢围檩与钻孔灌注桩之间预留60mm的水平通长空隙,其间用C30细石混凝土添嵌。
钢围檩架设方式见图4。
图4钢围檩支撑方式
用龙门吊垂直起吊将钢支撑固于钢围檩上,为方便钢支撑就位后的焊接,项目部人员经研究采取了在端部采用钢板焊成托架,使钢支撑放置在钢托架上进行焊接的方法,提高了施工的安全性。
见图5:
图5 钢围檩托架示意图
吊装钢支撑
1)吊装钢管支撑前,按规定备齐检验合格的支撑配件、施加预应力的油镐,并检查托架是否完好。
2)钢支撑采用现场10t天车吊装,根据材料理学理论,吊绳两吊点从钢支撑两端分别内移0.2l,此时可模拟为外伸梁的钢支撑最大弯距仅为ql2/40,是吊装的最佳吊点,故以本工程标准段的22m钢支撑为例,吊点位置选在钢管两端向内4.4m处,具体见图6钢支撑吊装示意图,吊绳用钢丝绳将钢管栓牢,并用卡环锁牢。
图6 钢支撑吊装示意图
3)当使用10t天车时,钢管由顺基坑方向调整至垂直基坑方向时(此时钢身约2/5长度进入基坑)换绳,按正式吊装绑绳、吊装入位。
钢管被安放在围檩托架上入位至施加预应力过程中不得松绳,以平衡弯曲矢量,保持钢管处于轴心受力状态。
钢管入位按先活动端后固定端顺序,以确保钢管与围檩受力面接触密实。
施加预应力
钢支撑固定端固定完成后,采用两台80t液压千斤顶在活动端支撑两侧对称逐级预加力,预加力达到设计支撑轴力的50%时,采用钢楔锁定支撑。
钢支撑在加工时在千斤顶的最大进程与最小进程间焊接千斤顶支点。
图7钢支撑预施轴力示意图
各道支撑设计及预加轴力见下表:
表3各道支撑预施轴力表
支撑
设计轴力KN
预加轴力KN
第一道撑
300
150
第二道撑
1500
700
第三道撑
1500
700
钢楔固定钢支撑方式如下:
4)根据钢管的长度误差确定需焊接25mm厚的钢板块数,并将25mm厚的钢板如图焊接在钢围檩上。
图8 楔铁安装示意
5)将楔块1焊接在钢板上,用千斤顶对钢管施加预应,观察千斤顶应力表,当预加轴力达到要求时,稳压5分钟,然后将楔块2如图嵌入,边钉入边观察压力表,当压力减小至0时,停止钉入,并将千斤顶卸下。
其中要注意千斤顶示值为MPA,施工前需将预加轴力值(KN)换算成(MPa),可参考下图:
图9千斤顶轴力标订图
6)钢支撑端部设φ10钢筋吊环,通过钢丝绳或钢筋连系在围护桩上,同时用于微调的钢楔采用电焊连接,防止坠落。
3.4护壁桩喷护
对于基坑围护桩桩间采取挂钢筋网(φ6@200(双向))喷射混凝土的护壁形式。
基坑分步开挖,分步支护,随挖随支。
挂网安装在每步开挖后及时进行,格栅定点预制,分片安装。
使用膨胀钉将钢丝网片与围护桩固定(膨胀钉纵向间距0.5m)。
然后喷射60mm厚C20豆石混凝土。
3.5监测配合
⑴xx车站监测项目
表4 监测项目
序号
监测项目
方法及工具
断面距离
监测频率
1
地表变形观测
水准仪
30m一个监测断面
根据施工进度确定,在开挖卸载急剧阶段,每天三次,其余情况3天/次。
当监测结果超过警戒值时加密监测,当有危险事故征兆时连续观测,并及时通知有关单位并立即采取应急措施。
2
桩体变形及桩顶位移
测斜管
15m一个监测断面
3
围护桩结构受力
钢筋应力计
15m一个监测断面
4
基坑周围土体受力
土压力盒
15m一个监测断面
5
支撑内力
轴力计
15m一个监测断面
6
地面建构筑物调查及沉降监测
水准仪
1.5倍基坑开挖深度范围内的建构筑物
⑵警戒值的确定
因本工程围护结构钢支撑较多,且间距较小(最大间距3m),故机械开挖土方时,为保证机械作业面,通过监测数据最大程度的提高机械效率,及时架设钢支撑,故在允许位移量的基础上设定警戒值,允许围护结构变形在警戒值范围内。
⑴基坑围护桩测斜,取允许最大位移30mm的70%作为警戒值即21mm。
⑵桩的差异隆沉,基坑开挖中引起的桩柱的隆沉不得超过10mm。
⑶支撑轴力,根据设计计算书确定,一般将警戒值定为80%的设计允许最大值。
⑷其他部分:
对基坑沉降、裂缝发展等光滑的变化曲线,若曲线上有明显的折点变化,应做出报警处理。
4几点体会
4.1开挖方式与围护结构设计相结合
⑴施工进度与保证措施
能否实现大规模、高度机械化的开挖,从而保证少占用工期,是内撑式围护体系能否成立的关键问题。
早期的双向钢管支撑确实不利于机械化开挖,因而影响进度。
这使得人们产生一种固有的偏见,认为内撑式围护妨碍开挖,影响进度。
近年来内撑式围护体系设计有所改进,表现为选型合理的前提就是应该便于施工。
在一道内撑内,杆件之间的空间应便于大型机械的施展;而且任两道支撑(包括下撑与坑底之间)之间的空间,应力要求满足型号合适的开挖机械的顺利工作。
做到这一点,如果没有其它限制条件,就可以实现在内撑条件下近于百分之百的机械化开挖,从而大大的缩短工期。
此外在开挖结束时,如果基坑深度较大,则无法保证挖土机械顺利的自行推出坑外。
这时,可以利用已经安装完毕的垂直运输机械(本工程根据地铁工程基坑特点很好的引用了10t天车来解决水平及垂直运输),将挖土机械整体的(小型挖土机)或予以解体后(大型挖土机)吊出基坑。
⑵开挖方式与围护构件的荷载
在使用大型机械开挖的条件下挖土的方式与顺序问题。
应该慎用挖土机沿基坑边缘一挖到底的开挖方式。
因为从物理过程来看,挖土的速度会影响土压力的大小。
目前虽然还缺少这方面的实测资料,但已见到过由于沿围护桩边迅速切出一条深沟,第二天围护结构失稳坍毁的实例。
可以这样理解土压力变化的机理:
在未开挖之前,围护结构两侧的土压力是静止土压力;在开挖之后。
桩前的压力消失,桩背土体膨胀,桩身变形,桩背压力下降。
这一压力下降是能量释放的过程,在能量释放过程中压力起变化。
如果能量释放过程是平缓的,则压力可能逐渐下降。
如果释放过程是急剧而短暂的,则压力可能会暂时不变甚至上升,从而导致了围护结构的破坏。
所以不宜采用“沿围护结构边切出一道深沟”的开挖方式。
而且要开挖面曝露后及时进行支撑。
基于同一道理,只要工期许可,应该有计划的分层、分段开挖。
分层宜薄不宜厚,分段宜短不宜长。
当然,在具体工程中,工期与施工进度安排往往成为第一要素,设计单位应在这方面适当留有余地。
4.2监控测量在土方开挖过程中的重要性
本工程对围护结构及支撑结构进行了大量的布点监测,从施工整个过程来看,监测工作取得了重大的效果及作用,对深基坑施工过程进行监测的重要性主要表现在以下几方面:
⑴验证支护结构设计,指导基坑开挖和支护结构的施工
当前我国基坑支护结构设计水平处于半理论半经验的状态,土压力计算大多采用经典的侧向土压力公式,与现场实测值相比较有一定的差异,还没有成熟的方法计算基坑周围土体的变形情况。
因此,在施工过程中迫切需要知道现场实际的应力和变形情况,与设计时采用的值进行比较,必要时对设计方案或施工过程和方法进行修正。
⑵保证基坑支护结构和相邻建筑物的安全
在深基坑开挖与支护工程中,为满足支护结构及被支护土体的稳定性,首先要防止破坏或极限状态发生。
破坏或极限状态表现为静力平衡的丧失,或支护结构的构造性破坏。
在破坏前,往往会在基坑侧向的不同部位上出现较大的变形,或变形速率明显增大。
支护结构和被支护土体的过大位移,将引起邻近建筑物的倾斜或开裂,邻近管道的渗漏,有时会引发一连串灾难性的后果。
如有周密的监测控制,无疑有利于采取应急措施,在很大程度上避免或减轻破坏的后果。
⑶总结工程经验,为完善设计分析提供依据
支护结构的土压力分部受支护方式、支护结构刚度、施工过程和被支护土类的影响,并直接与侧向位移有关,往往是非常复杂的,现行设计分析理论尚未达到成熟的阶段,积累完整准确的基坑与支护监测结果,对于总结工程经验,完善设计分析理论都是十分宝贵的。
4.3深基坑施工过程中需引进动态设计及信息化施工新技术
传统的施工是严格按图进行的,除非在出现事故或确知结构处于危险状态时,才允许采取应急措施,改变设计方案。
如果说这样的施工过程对上部结构还可以接受的,那么对于深基坑开挖来说就十分不合适了。
在目前深基坑支护体系的设计中,不确定的因素太多,结构的安全度难以掌握,要使设计符合实际情况是太难了,至少在目前的技术发展水平上是太难了。
设计者只有两种选择,一是设计得比较保守,以确保施工安全;二是冒较大风险,以节省投资。
不论做何种选择,应该说对工程得安全与经济都难两全。
较好的方法应该是根据施工过程的信息反馈不断修正设计,以指导施工。
由以上分析可知,传统设计法的主要问题在于一个“静”字,以开挖的最终状态为对象,进行定值的设计。
然而基坑开挖工程与其它工程的最大不同之处又在于一个“动”字,在开挖过程中,包括某些土质参数在内的各种参量,诸如侧土压力、结构内力、土体应力及变形等都在变化。
而其变化规律目前还未被充分掌握。
这就产生了设计结果与实际情的差别,从而引发各种工程事故,或者可能造成浪费。
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