广州轨道交通洛溪站基坑施工稳定性分析
2008-12-26 21:49
广州轨道交通工程洛溪站基坑施工稳定性分析
摘要:从地质、施工作业及基坑周边建(构)筑物保护等方面,探讨广州地铁洛溪站基坑施工安全隐患的成因,并提出相应的防范措施和建议。
关键词:基坑;安全隐患;安全防范
1 基坑概况
洛溪站为广州市轨道交通二、八号线延长线工程车站,位于番禺区洛溪新城新浦路的下方,主体纵向沿新浦路南北向布置,起点里程YDK7+459.1,终点里程YDK7+622.9,有效站台中心里程YDK7+541,共设有4个出入口和2组风亭。
本工程主体结构采用现浇钢筋混凝土框架,南、北端为4层两跨结构,中部为4层单跨结构,围护结构连续墙作为永久结构,与主体结构侧墙组成复合式结构共同承受使用阶段的全部水土侧压力,采用明挖顺筑法进行施工。本工程基坑总长163.8m,标准段深24.2m,宽17.5m,端头井深25.2m,宽21m其平面及周边建筑物分布如图1所示。围护结构采用“连续墙+搅拌桩止水帷幕+混凝土内支撑”体系,连续墙厚1.2m,采用德国产双轮铣槽机成槽;止水帷幕为f 550咬合搅拌桩,连续墙在基坑外侧为双排,内侧为单排,桩体沿基坑纵向咬合宽度150mm,双排部分横向咬合宽度250mm;基坑由上至下共设4道混凝土支撑,回筑阶段第4道支撑下采用1道钢支撑进行受力转换。此外,本工程南北两端头均为盾构机接收端。
根据本工程的实际情况,并按照《广州地区建筑基坑支护技术规定》的有关要求,确定本基坑变形控制保护等级为一级。
2 基坑周边建筑物及管线
本工程基坑周边不仅满布居民楼,而且部分街道交通较繁忙。房屋结构以多层框架为主,距基坑最近处不足3m,基础大多采用预应力混凝土管桩和沉管灌注桩。
场地内基坑上方西侧有1根临时迁改供水管,沿车站纵向布置,现以砖砌支墩架设在硬化地面上,f 800焊接钢管距车站西侧连续墙仅约4.5m,施工场地相对狭小,给地铁车站施工带来了困难。
3 场地地质情况
本工程地貌属珠江三角洲冲积平原河流冲积阶地,地势平坦,标高7.38~7.81m。结合沿线岩土层的成因类型、风化状态等,本工程土(岩)层从上到下主要有:〈1〉人工填土层;〈2-1A〉、〈2-1B〉、〈2-2〉、〈2-4〉分别为海陆交互沉积的淤泥、淤泥质土、淤泥质砂及粉质粘土层;〈3-1〉、〈3-2〉分别为冲洪积粉细砂层、中粗砂(或砾砂)层;〈4-1〉为冲洪积粉质粘土(或粉土)层;〈4-2〉为河湖相沉积淤泥质土层;〈5-2〉为残积硬塑状粉质粘土(或粉土)层;〈6〉～〈9〉分别为泥质粉砂岩的全、强、中、微风化带。基坑大部分处于砂层中,砂层厚度最大达16m,部分地段〈3-2〉层直接与〈6〉～〈7〉层相接。
场地地下水位埋深0.7～2.6m,稳定水位1.6～3.0m,与季节、气候、地下水赋存、补给及排泄有密切关系。本站场地处于珠江南岸附近,距江边约500～600m,江面宽度约460m。地面河网纵横发育,场地为河流阶地。本站无地表水体,主要含水层为浅部冲洪积砂层及淤泥质砂层,且厚度较大,分布连续。本场地地下水类型主要为赋存于第四系土层中的孔隙水和赋存于基岩风化层中裂隙水。第四系孔隙水主要赋存于〈3-2〉、〈3-1〉及〈2-2〉层中,且含水层厚度大,呈层状连续分布。本类型地下水主要含水层的上部有相对隔水层覆盖,因此第四系孔隙水具有一定的承压性。
4 施工安全隐患分析
根据《岩土工程勘察报告》、施工组织设计文件、周边建筑物基础资料和施工现场实际情况,以下对本工程施工期间可能出现的安全隐患进行分析。
4.1 地质安全隐患
〈2-1A〉、〈2-1B〉层属于软土层,且天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、渗透系数较小,在基坑南端平均厚度约4m,埋深为4～8m,沿基坑纵向82m范围分布较广,该土层在外力扰动下可能产生震陷、流变或压缩现象。从前期监测数据反映,周边建筑沉降最大达2.7mm,上升6.3mm,产生不均匀沉降,可能是连续墙施工对周边的地层已经产生影响。
〈2-2〉、〈3-1〉、〈3-2〉层均为饱和砂层,平均厚度为6.3～8.1m,最厚达16m,富水、流动性强,透水性高,稳定性较差,加上砂层与500m外的珠江水系连通,直接受其补给,因此若在基坑开挖时砂层周围平衡压力骤变且围护结构止水效果不理想,就很容易出现涌水涌砂事故并波及地表,当承压平衡受到破坏时,上部软土层及土层沉落补充而形成地表沉降、建筑物沉降或倾斜。
〈5-2〉、〈6〉、〈7〉层具有遇水易软化、失水干裂崩解的特点,该岩层埋深大,平均在18m以下,且从南到北逐渐变浅。在基坑开挖到〈6〉、〈7〉层时如果裸露时间长则易发生干裂崩解,同时根据勘察设计资料,某孔的强风化岩样自由膨胀率达57%,具有弱膨胀趋势,而残积土及全、强风化岩土性相近,施工中应予以重视。
4.2 施工作业安全隐患
在基坑施工的不同阶段,水泥搅拌桩止水帷幕和连续墙的施工质量、土方开挖的施工组织、基坑内降水措施和爆破作业保护措施,以及支撑施作的得当与否等,都将直接影响到基坑、周边建筑物和管线的安全。
⑴土方超挖和支撑架设不及时
基坑内存在淤泥层、可液化淤泥质砂层、细砂层,开挖至支撑底标高时,因场地承载力低,给混凝土支撑施作的模板安装和钢筋绑扎带来困难,以至混凝土支撑在达到设计强度前较长时间内无法发挥支撑作用,导致连续墙产生较大变形。本工程距河道较近,地下水位受潮汐影响较大,若在本层支撑未达到设计要求就进行下层土方开挖,以及出现超挖等现象,均会影响连续墙受力而形成较大变形,并对周边环境造成不良影响。
⑵爆破作业
本工程主体结构底板和抗拔桩主要位于坚硬的〈9〉层中,需要采用爆破方法施工,但基坑上方及周边满布楼房,施工时必须控制爆破参数与进度的关系,爆破作业的安全距离和防振、覆盖措施如控制不当,将会影响周边建筑物的稳定性或导致碎块伤人事故。
⑶监测点元器件埋设保护不当
本工程主要监测项目包括:周边建筑物沉降监测(84点);基坑周边水位监测(5孔);基坑周边管线沉降监测点(10孔);基坑土体测斜孔(4孔);基坑支撑轴力监测(8根)。基坑东侧设有1条临时施工便道,专供土方运输车辆、挖掘机和大型设备进出场地使用;另外建筑物沉降监测点大部分位于施工场地外的居民区和交通主干道旁,反复的车辆动荷载将会扰动监测点的稳定。本工程监测点较多和分布较分散,如保护不当将会导致观测数据偏离实际,在此基础上的分析会出现误判,不能及时发现风险征兆和做到信息化施工。
⑷基坑内降水措施处理不当
根据本工程《岩土工程勘察报告》,车站南北两端基底部分〈7〉基岩层直接与上部砂层连接,中间没有不透水层分隔。因此在底部岩层裂隙发育的情况下,基岩裂隙水与上覆第四系砂层会形成水力联系,可能会导致坑外地下水在基坑开挖降水过程中流失,造成地面及建筑物沉降。
⑸连续墙素混凝土接头施工质量
本工程连续墙成槽采用德国产双轮铣槽机,虽具有施工安全高效等优点,但由于工艺本身的原因,墙幅之间接缝均为素混凝土接头。连续墙接头处是连续墙止水效果最薄弱的部位,如果封闭效果不佳,存在错位或呈“∧”状,则墙幅接缝处易形成地下水通路,可能会出现渗漏及涌水涌砂事故,特别在开挖砂层和风化层邻接部位时尤应引起重视。
⑹挖掘机开挖
本工程采用挖掘机由基坑北端向南端进行土方开挖,由第1道支撑处直至基坑坑底标高共分5层。根据以往的土方开挖施工经验,挖掘机在进行下层土方开挖时,为贪图方便,可能会骑轧在本层施工完的混凝土支撑上行走,这是设计文件明确禁止的,会对混凝土支撑后期的受力产生不利影响,另外也会对支撑内埋设的钢筋计等监测元器件造成破坏。
在开挖第4层土方时,因基坑底部主要为岩层,而本站残积土及全、强风化岩易软化分解,在受扰动的情况下,以上3层还可能出现弱膨胀,若反应在基底则会对持力层产生破坏。
⑺水泥搅拌桩止水帷幕施工质量
根据施工记录,水泥搅拌桩桩底已到达相对不透水层〈5-2〉、〈6〉、〈7〉层中,根据以往施工经验,水泥搅拌桩的垂直度一般较难保证,桩间可能存在裂隙,使连续墙接头缝隙和基坑外侧富水地层连通,以致基坑周边地层特别是砂层中的地下水大量流失,引起地表和建筑物沉降、连续墙变形持续增大、支撑轴力超限等安全隐患,影响基坑安全。
4.3 基坑周边建(构)筑物安全隐患
本工程周边环境较复杂,站位两侧建筑密集、道路交通繁忙,现状基坑西侧约2m处有1条暴露在地面上的f 800钢质压力供水管线。
根据周边建筑基础资料,基坑两侧多层住宅基础大多为预应力混凝土管桩或沉管灌注桩,基本为摩擦桩,其嵌岩深度不等。结合本工程设计资料,周边桩基应深入至〈7〉～〈9〉岩层中;部分桩基可能在〈5-2〉或〈6〉地层中,属于残积土和全风化层,而桩身绝大部分位于淤泥和砂层中。
地面沉降及建筑物沉降、倾斜、裂缝的原因是多方面的,包括前述的地质和施工等原因,还与建筑物的结构和基础形式、嵌岩深度等因素有关。大量监测资料表明,建筑物基础如深入岩层,则以基底为主要承载力的建筑在基坑施工过程中沉降和变形较小。
软土层具有高压缩性,砂层具有失水固结性,在地面沉降、地下水位下降的情况下,桩基周围软土层和砂层密实度增大的过程会对建筑物桩基产生负摩擦力,而桩径相对较小,会增加桩底对岩层的压力;另外桩周有裂隙水和孔隙水存在,风化层会逐渐软化,承载力下降,致使桩基下沉,引起房屋基础及整体的沉降或不均匀沉降,严重时会使房屋产生倾斜或裂缝,影响房屋结构的安全。
基坑西侧的供水管线是本站的一大安全隐患,当地面产生较大的不均匀沉降时,管线可能沿接头焊缝位置发生爆裂,致使巨大水流涌入基坑,危及基坑与周边房屋的安全。
5 施工安全防范建议
5.1 基坑开挖后应及时采用支撑控制基坑及地面变形,优化施工工艺,确保基坑台阶开挖过程中边坡的稳定,尽早使墙体形成刚性结构,提高稳定性,减小结构变形对周围地层的影响,尽可能保持土压力平衡,也避免水力梯度过大造成围护结构变形超限。
5.2爆破作业前应对需爆破的基坑岩层结构及周边环境进行严格的检查和了解,确定保证安全的爆破拆除程序。在进行控制爆破作业时,应对爆破体或附近建(构)筑物或设施进行防震、防护覆盖,以减弱爆破振动的影响和噪音,防止碎块飞砸。
5.3做好监测点的埋设和保护工作,尤其是水位观测孔应离开基坑有一定距离,且形成梯度布置,应能反映各种地层水位真实变化情况,对预埋的观测元器件如钢筋计等应按规范要求焊接、安装和保护。
5.4继续做好周边环境、建筑物基础、管线的调查工作,对基坑西侧供水管应严加注意,布设监测点和严密监测,发现沉降应立即进行加固。
5.5基坑内主动降水应考虑是否会引起周围地层水位下降,基坑外也应考虑回灌水措施,避免坑外水位大幅降低,造成周边建筑物破坏。
5.6基坑开挖时应密切注意连续墙接缝处的渗漏情况,包括渗漏量、渗漏部位、含砂量等,发现后及时采取相应处理措施,如注浆封闭等,同时做好应急预案,备好抢险物资,防止可能发生的突水突砂事故。
参考文献
[1]广州市轨道交通二、八号线延长线工程洛溪站施工图;岩土工程勘察报告;监测数据及分析资料》[R]
[4]GJB 02-98广州地区建筑基坑支护技术规定[S]
