摘要介绍北京地铁四号线,中关村车站三号出入口深基坑施工,采用排桩+钢管支撑体系基坑支护技术,施工操作性强,且钢管支撑系统可循环利用,有效控制了深基坑开挖过程中的围护结构变形位移,防止了由此引起基坑外地面沉降,保证了施工工期和安全,取得了巨大的经济效益。
关键词明挖法深基坑排桩支护施工技术
1工程概况
北京地铁四号线中关村站处于商业高度发达的高科技园区中心,车站主体位于交通繁忙的中关村大街主路下方,为全埋式地下车站,共设四座出入口和两座风道。其中三号出入口位于车站西北角,设计为单层现浇钢筋混凝土箱型框架结构,采用明挖法施工,基坑宽6.3m,挖深达13.0m,基坑土层从上至下为人工填土层、粉土层、粉质粘土层、粘土层、粉砂、中粗砂和砂砾层。结构西侧8m为恒昌数码电脑商城和中关村科技广场展示中心,结构东侧2m为中关村大街主路,基坑四周市政管线密布。只好采取直壁式支护开挖施工方法。基坑围护结构采用800mm混凝土灌注排桩和钢管支撑体系,桩顶设0.8m高冠梁将排桩连接成整体,钢支撑采用400钢管,支撑水平间距3.0~4.5m,竖向设3道。
2降水施工
基坑开挖前,需将坑内的地下水位降低并排除,使坑内土体在基坑开挖时,通过排水固结达到一定强度,提高坑内土体的水平抗力,减少基坑的变形量;增强基坑底部稳定性,减少坑底土体的隆起。本出入口结构范围地层地下水主要为:①上层滞水,位于地面下3~4m,含水层为人工填土层和粉土层,透水性弱;②潜水,位于地面下8~9m,含水层为粉质粘土层和粉土层,透水性一般;③承压水,位于地面下12m以下,含水层为粘土层、粉砂、中粗砂和砂砾层,透水性强。基坑降水采用管井+渗井方式,降水早于基坑开挖前20天开始。降水过程中对临近建筑物和地下管线的安全进行观察监测,同时在坑外地面设回灌井,必要时应采取回灌措施,确保周边建筑物安全。
3基坑围护施工
基坑四周设800mm混凝土灌注排桩围护结构,桩间距1.0~1.2m,转角部位局部加强。围护桩采用旋挖钻机成孔,导管法水下浇注混凝土成桩。钻孔施工时,为减少对邻桩的干扰,保证成桩质量,采用隔三打一的办法施工(即每隔三根桩施工一根桩)。
冠梁将围护桩连接成整体排架,使全体围护桩形成共同受力体系,抵抗外部土体或围岩侧向荷载。围护桩施工完成后,立即进行冠梁开挖和桩顶混凝土凿除清理,围护桩主筋锚入冠梁,冠梁采用与围护桩同标号混凝土现场浇注,浇注时同时安装预埋钢板,满足下部钢支撑安装需要。
土方开挖后围护桩间采用喷锚支护,防止桩间土体掉块。
4基坑土方开挖施工
基坑土方开挖遵循“分段、分层、分块挖土,先中间后两边,随挖随撑,限时完成”的原则,利用土体在基坑开挖过程中位移的变化规律,对基坑开挖作动态管理,采用监控量测手段实行信息化施工,确保基坑变形量在设计允许之内。
水平开挖采用从一端先向另一端分段顺序开挖,竖向开挖采用由上到下顺序分层开挖。开挖时支撑和挖土紧密配合,随挖随撑。基坑沿纵向分段分层开挖,每层每段开挖长度不宜超过支撑的间距,第一层一般为7~8m,在第二层及以下土层一般为4m左右,每层开挖面标高以该层支撑的底面或设计基坑底标高为准,开挖完成及时安装钢支撑施加预应力。
为防止边坡失稳,施工前先清除基坑边堆土等荷载,同时在基坑四周做好防排水和管线保护措施。基坑开挖主要采用挖掘机进行,每一开挖区域分别配备长臂挖掘机和小型挖掘机。长臂挖掘机置于地面垂直开挖和装运土方,小型挖掘机主要用于底部、边角清理开挖和收集土方。
基坑开挖分层进行,从上到下、按层次序进行开挖,严禁掏底开挖。土方开挖分三层进行,每层均挖至钢支撑以下0.5m位置,坡度和台阶满足挖掘机作业要求同时尽量缩短长度。开挖流程见图1。
5钢支撑施工
围护桩外加钢支撑构成基坑空间受力体系,来支撑基坑外巨大的土压力和诸多外加荷载,达到安全施工的目的。因此围护结构支撑的质量控制十分关键,支撑采用400mm钢管(一般均采用400mm、600mm和800mm钢管,管径视基坑宽度和支撑间距而定)。钢管支撑为轴心受力结构,支撑直接撑在冠梁或钢围檩(俗称“腰梁”),通过钢围檩直接承受排架桩传递的土体荷载或外力,以控制围护桩向基坑内部位移变形。支撑一端设置应力调节装置(俗称“活络头”),主要通过千斤顶施加预应力来调节支撑长度,用于控制支撑轴力。
钢支撑和钢围檩均采用工厂制作,现场安装时支撑必须直顺无弯曲,接头紧密牢固。围檩与围护桩墙必须密贴,若有间隙须用速凝细石混凝土填实;当有角撑时,围檩或围护桩墙的连接处除设专门的斜支座确保支撑轴心受力外,还应在围檩与围护桩墙间设置剪力传递的措施。安装实景见图2。
钢支撑安装后立即按设计值在支撑一头或二端施加第一次预应力,并检查接头拧紧螺栓。一般在第一次施加预应力后12h内监测预应力损失及围护结构水平位移情况,并复加预应力至设计值。施加支撑预应力应注意以下事项。
(1)当昼夜温差过大导致支撑预应力损失时,立即在当天低温时复加预应力至设计值。
(2)当基坑变形的速率超过控制范围,接近警戒值,而支撑轴力未达到自身的规定值时,可增大支撑轴力来控制变形。
(3)当围护结构变形过大,采用被动区注浆控制围护结构位移时,应在注浆后1~2h内对在注浆范围的支撑复加预应力至设计值,以减少围护结构外移所造成的应力损失。
(4)当支撑的轴力接近或超过设计值时,通过增设支撑来分解轴力,提高抗变形能力,阻止基坑变形进一步增大。
钢支撑拆除分层进行,当基坑内结构施做到钢支撑处时,并且此时的结构混凝土达到设计强度75%时,便可拆卸钢支撑。在钢支撑拆卸前先施加预应力将预加力端的钢楔卸去,放散支撑轴力,然后吊出钢支撑,拆除钢围檩。
6施工监测
深基坑监测是信息化施工常用的`一种方法,在确保深基坑开挖安全上起着十分重要的作用。监测的主要内容有支撑轴力、围护桩位移和沉降变形、基坑周边地表沉降、基坑周边管线的位移沉降、基坑周边构建物的位移沉降、基坑隆起、地下水位变化等。在基坑开挖施工中,发现监控数据接近或超过警戒值时,应立即分析原因,准确地找出施工过程中存在的问题,及时调整施工步骤,采取相应的对策,便能有效控制基坑变形,确保基坑安全。
7施工注意事项
(1)施工降水不宜过快,降水过程中应加强周边建筑物、管线和地表沉降监测。土方开挖必须在水位监测指导下进行。
(2)施工过程中注意基坑周边用水管理,加强管线渗漏情况观测,切断基坑周边水源补给途径。若放线坑壁有渗漏情况,应查清原因,切忌盲目注浆堵漏。
(3)在施工中应严格控制基坑周边堆载,基坑周边2m范围内严禁堆载,基坑周边1.4倍坑深范围应控制堆载。
(4)土方开挖必须与支撑架设同步施工,按设计要求分层开挖,严禁超挖和掏底开挖。开挖段的长度必须根据基坑深度和坡度合理确定,不宜过长。当基坑挖至设计标高后,必须马上浇筑垫层混凝土,进一步减少基坑变形值。底板混凝土必须在5~7d内完成,相应结构层施工及时跟上,以建立永久的受力平衡体系,从根本上控制住基坑变形。
(5)加强施工监测,掌握边坡的稳定状态、安全程度和支护效果,以便随时调整设计参数及基坑施工方案,确保基坑安全可靠。
8施工体会
由于受施工场地限制,该工程采用排桩支护具有较大优势,排桩刚度大能有效保证基坑和周边环境安全;排桩施工和土方开挖错开进行,能缩短基坑暴露时间,有效保证施工工期;钢支撑施工技术简单易行,且可以重复使用,比一般的支护结构节省费用,综合效益显著(同类型基坑常采用排桩+锚索支护方式或土钉支护方式,锚索和土钉均为一次性投入,无法重复利用)。
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