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南京地铁西延线SMW围护结构的应用研究
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[摘要]以南京地铁中胜站的深基坑为背景,对SMW围护的设计、施工、监测等内容展开了探讨和研究,阐述了含水地层中SMW围护的关键技术。（参考《建筑中文网》）
[关键词]岩土工程;基坑支护;SMW工法;地铁
南京地铁西延线工程中胜站位于南京市河西新区,处于规划中的纬九路(道路宽65m)南侧,横跨中胜路(道路宽42m)及规划河道布置。车站下穿中胜路及规划河道段为单层双跨结构,中胜路两侧为2层4跨结构。车站总长(外包)201.0m;总宽(外包):两端为27.2m、中间单层部分为17.0m;总高(外包):两端为12.36m,中间单层部分为7.51m。采用明挖顺作法施工,SMW围护结构。
1 基坑围护方案比选
1.1 地质情况及周边条件
中胜站车站范围内土层较单一,主要为②～1b2～3软塑状亚粘土及②～2b4流塑状淤泥质亚粘土,饱含地下水,但透水性差,地下水类型为潜水。基坑深约12m,周边条件好,为耕地、河塘、简易民居(规划拆除)。规划纬九路红线与车站净距1.7m。对变形及噪声要求不苛刻,为二级基坑。
1.2 基坑围护方案介绍
根据地质情况及周边条件,可供选择的基坑围护结构有:放坡开挖、钻孔咬合桩、SMW工法。
(1)放坡开挖 工艺简单,施工方便,施工速度快;结合井点降水可以在软土中施工,要求坡率较缓。但基坑较深时需多级放坡,多级井点降水,每级坡间需有3m左右平台,因此,施工占地面积、土方开挖量、降水范围及费用都较大,拆迁范围大,并可能与周边其它工程施工有冲突。
(2)钻孔咬合桩 为钢筋混凝土桩与素混凝土桩间隔并咬合,施工方便安全,施工技术成熟,防水效果好,可兼做永久结构,便于与车站抗浮措施统一考虑。与常见排桩 止水帷幕比较,可节省止水帷幕。但施工工艺要求高,如作为车站使用阶段抗拔桩综合考虑比较经济。
(3)SMW工法 结构止水性好,强度可靠,适合于软土地层,施工速度快,噪声低,对周围环境影响小。内插型钢可回拔再利用,经多次摊销较经济。适用于13m以内的基坑。但是,不宜兼作永久结构,不能作为抗拔桩参与车站使用阶段抗浮。
1.3 围护结构方案比较
在经过综合比较后,认为钻孔咬合桩与SMW工法两种围护结构较合适。
车站围护结构作了上述2个方案综合比较(见表1)。方案一,采用Φ800mm钻孔咬合桩,咬合厚150mm,围护结构兼作车站永久结构参与车站使用阶段的受力与抗浮。内衬墙厚度为:地下1层400mm,地下2层500mm。C30S8防水钢筋混凝土。方案二,采用SMW工法,用Φ850mm深层搅拌桩,咬合厚250mm,间隔插入700mm×300mmH型钢。围护结构作为临时结构,在施工阶段受力。内衬墙厚度为:地下1层500mm,地下2层600mm。C30S8防水钢筋混凝土。H型钢在结构回筑完成后拔出,可多次摊销,重复利用。两方案围护结构嵌入深度均为8m;竖向2道钢管支撑,水平间距4m;端头厅支撑设临时立柱。
1.4 围护结构确定
依据车站的功能要求,确定车站基坑长201m、宽17～27.2m、深约12m,根据本站的工程地质和水文地质条件、基坑变形控制要求、施工作业空间等因素,按工程类比法和理论计算,确定围护结构采用Φ850mmSMW桩,间隔插入700mm×300mmH型钢,内支撑采用Φ609mm、t=12mm钢管支撑,水平支撑间距4m,竖向设2道支撑。在端头厅基坑设临时立柱,由4200加缀板焊接而成。柱间设临时横梁,采用2I20。支撑搭于临时横梁上。腰梁采用2[40c加缀板焊接而成。桩顶作冠梁,冠梁宽0.9m,高0.6m。桩嵌固深度8.0m,围护结构与内衬墙之间设柔性防水层形成重合墙结构, 围护结构作为临时结构承担土压力,内衬结构承担使用阶段水土压力。围护结构横断面如图1所示。
2 SMW围护结构的实测变形分析
地下工程施工引起的地表沉降很多是由于深层土体变形造成的,深层土体位移可以分为水平位移和垂直位移,深层土体变形反映到地表有一个滞后的过程。因此,如能及时掌握深层土体的运动,在必要时采取适当的保护措施,即可保证地下工程施工和周围环境安全。支护系统的挠曲变形包括围护结构在水平方向上的挠曲变形和支撑杆件在垂直方向上的挠曲变形,围护结构的挠曲变形通过测斜仪进行测量。工程实施时,在围护结构中埋设了深层土体水平位移观测(土体测斜)点,间距50～60m,测斜管深度与基坑围护结构的深度相当,每根测斜管深22m。
以中胜车站ｓx1(车站西部1号风井段)为例,说明施工过程中的不同工况下测斜曲线变化形式。ｓx1处于车站基坑最早开挖的1号风道处,这时支撑体系采用原来的2道钢支撑,在无支撑条件下,最初一次开挖的深度达3m,因此该测斜点的最初位移量达42mm,随着及时安装支撑,ｓx1很快进入稳定变形阶段。
ｓx1测斜点的位移关系曲线如图2所示。从图中可看出,随着基坑开挖深度的不同,测斜最大值出现的位置也相应不同。ｓx1点以3月18日的数据作为初测基准,在此基础上计算位移;中胜车站1号活塞风道在3月23日一次性开挖3m,没有及时施加第1道钢支撑,当日测斜ｓx1数据反映出该处深层土体水平位移最大值为45.45mm,发生在地表以下3.5m位置,此处冠梁产生了较大的裂缝,周围地表也有明显的裂缝出现;3月24日,1号风道开挖到4.5m的深度,当日测斜最大值为48.52mm,出现在3.5m的地方,下午加第1道钢支撑2根;25日的数据与前一天相比,围护桩整体向外位移,是由于钢支撑对柔性的SMW围护桩产生作用和前一天移走基坑开挖时堆放在基坑两侧的土而对基坑卸载的结果;直到3月30日基坑没有开挖,有向坑内的少量位移,这是由于相邻基坑继续开挖和近两天下雨;4月6日开挖到6m左右,随着1号风道基坑的继续开挖,围护结构变形相对变大,当天测斜最大位移在4m处,这时围护结构向坑内有较大位移;4月27日,基坑开挖到底,深度12m左右,变形很大,测斜最大值122.73mm,发生在9m的地方,如此大的变形与设计不太相符,后来设计施工等多方现场分析具体情况,对车站的支撑进行了增加,实践证明对支撑方案的修改是正确和必要的。基坑开挖结束,随后每天测斜最大值出现的位置很稳定,都是9m处,整个围护结构的变形也逐渐趋于稳定。1号风道架设2道支撑,第1道顶在冠梁上,第2道顶在6m处的型钢横梁上,2道支撑对围护结构的水平位移有制约作用,这在测斜曲线图中已有明显反映,但这种约束作用对测斜最大值出现的位置并无显著影响。由此可见,深层土体水平位移的最大位移值出现的位置是由基坑开挖深度及支撑的位置决定的,大约出现在开挖深度3 4处。
3 SMW围护结构的实施体会
(1)现场实测围护结构位移与计算结果有一定差距,说明SMW结构的计算理论还需进一步完善。支撑数量的不足会直接影响围护效果,经过现场监测反馈的信息指导,在实际施工中及时进行了设计变更,12m深的基坑从原来的2道变为3道支撑体系,有效地保证了基坑工程的安全。SMW工法优越性是明显的,但必须建立在施工完的围护桩是完好无损的前提下。
在实际工程中,由于搅拌深度不够、不及时加支撑或支撑强度不足造成围护桩体在水平方向上的变形过大,在整体变形不一致时,都会使排桩产生裂缝,随着基坑开挖,围护桩在渗水过多时会危及到基坑的安全,进而影响整个工程进度,必须高度重视。在饱和软粘土中开挖基坑,地下水位很高时,围护结构周围流线和等势线很集中,容易造成基坑底部的渗流破坏,所以设计围护结构插入深度时,必须考虑抵抗渗流破坏的能力,具有足够的渗流稳定安全度。对于矩形围护结构的基坑来讲,角点处具有更高的水压力,容易发生渗流失稳。
(2)中胜车站基坑范围内地下水资源主要有2种:地下潜水与深层土体中的承压水。当基底有承压水,开挖基坑到一定程度时,承压水的水头压力能顶破或冲毁基坑底板,造成突涌。从而造成边坡失稳和整个地层悬浮流动,同时承压水头也将降低。承压水头下降的结果使含水层组(含水砂层本身以及上下部的饱和粘性土层)的孔隙水压力以不同速率降低,而使颗粒骨架的粒间压力(即有效应力)增加,产生含水层组的压密,其结果在地表反映为地面沉降;不同地点的地层结构、岩性特点以及承压水头下降的历时和大小,决定该地点的沉降范围、幅度以及沉降速率,并且大多数的沉降变形表现为非弹性的永久性变形。由于车站范围内部分地层的承压水头过高,极有可能造成基坑“突涌”危险,经过实测数据与多方论证后,采取在基坑围护结构外侧施工深26m降压井,这一举措的实现有效地保证了后面基坑的顺利开挖。
(3)测斜数据表明,围护结构水平位移最大值出现的位置和基坑开挖深度有关,最大值一般位于开挖基坑深度的3/4处。
(4)由测斜监测反映出该围护桩施工不规范时,变形较大。SMW工法属于柔性支护,要求施工时“先撑后挖”,如果在基坑开挖过程中,对围护结构支撑不及时,暴露时间过长,就会产生变形过大的后果,严重时影响到主体结构的施工,而施工单位为了抢工期或由于基坑挖土方便,往往不完全按规范施工,很容易造成局部变形过大。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200809/13523.htm
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