车站预留下穿围护的技术措施及风险控制
2009-03-18 19:17
地铁车站预留下穿围护的技术措施及风险控制
摘 要:为满足地铁车站预留下穿的需要,并保证先建车站预留下穿范围段的围护安全,在上海轨道交通某车站主体穿越区范围采取的加长连续墙、使用玻璃纤维钢筋、桩基托换等多项具体措施。并对现场监测发现的实际开挖变形异常加以说明,同时就应急方案和风险成因进行了细致分析,为类似工程提供了有益参考。
关键词:地铁车站,隧道下穿条件,风险成因
1 概述
随着城市地铁交通的飞速发展,地下空间的开发呈现出立体网络格局。目前上海轨道交通的规划已至18号线,现行设计施工的车站与后期规划线路的交叉节点需采用换乘车站或盾构隧道下穿的越来越多。若采用盾构隧道直接下穿原车站,先行建造的地铁车站应预先采取相应措施;同时我们也注意到,隧道下穿可能会导致许多新的问题,这些应引起足够的重视。本文以上海轨道交通某车站为对象,对实际工程中预留下穿采取的具体方案进行分析、说明。同时,对该工程基坑开挖出现的不利变形加以阐述,并结合具体方案,对风险产生的原因进行细致分析,并就此提出了相关建议。
2 车站概况及下穿方案
2.1 车站概况
上海轨道交通10号线某车站全长148.5 m,地下二层标准车站,标准段开挖深度为14.59 m,端头井开挖深度约16.50 m ,钢筋混凝土双柱三跨和单柱双跨结构。围护采用双墙形式,即地下连续墙承担施工期间的水土压力,地下墙与内衬墙共同承受使用阶段的水土压力。车站连续墙墙厚南侧700mm,北侧600 mm,墙长27.5 m;端头井壁厚800mm,墙长30 m ;内衬标准段厚400 mm,端头井壁厚500 mm。标准段支撑采用竖向四道支撑,第一道为钢筋混凝土支撑,其余均为钢支撑。根据基坑周边情况确定的环境保护等级为一级。
2.2 下穿方案要点
根据轨道交通总体规划要求,需在目前车站底板底面以下2 m~10 m范围内预留远期规划线路盾构直接穿越车站的条件。
为了保证盾构穿越,在车站主体穿越区范围内采用以下设计方案:
(1)下穿范围连续墙加长至42 m,盾构穿越范围内的连续墙钢筋采用易于盾构切削的玻璃纤维钢筋(GFRP钢筋),这种钢筋的特性是抗拉性能较好,但弹性模量及抗剪性能都小于普通钢筋,破坏前无明显的塑性变形,具有尺寸效应。
(2)盾构穿越段车站基坑开挖深度16 m,因无法设置中立柱,围护结构采用竖向5道钢支撑。
(3)此段基坑内加固采用满堂高压旋喷桩加固,考虑对穿越的盾构姿态的影响,加固深度定为底板底面以下2 m。
(4)车站底板采用桩基托换,根据计算调整穿越段的配筋方式。
2.3 土层特性及围护监测情况
根据工程地质勘察报告,本工程所处地质情况如表1所示,坑底开挖面位于第④层土中,连续墙墙底均位于第⑤3、⑤1层土中,为确保围护结构的安全,在基坑整个开挖施工过程中,紧跟每层的开挖和支撑,对地下连续墙变形和地层沉降进行了监测。监测内容主要包括:①周边地下管线位移;②坑周地表沉降;③周围建筑物沉降;④周围建筑物倾斜; ⑤墙体水平位移;⑥支撑轴力;⑦地下水位。
下穿范围基坑开挖的监测点布置如图1所示。
3 穿越段围护实际开挖情况
当基坑开挖至16 m坑底完全暴露时(当日中午11∶50),基坑测斜Q8测点在基坑开挖面处的累计变形最大,已达59.76 mm,日变化量超过20mm,且变形仍在增大,无收敛趋势。在此情况下,为保证基坑安全,控制基坑的变形,根据现场情况采取了应急预案:
(1)垫层厚度由200 mm改为400 mm并配筋,以最快的速度浇注垫层混凝土。为使垫层能尽快达到强度,混凝土标号提高至C40,下穿段板厚相应由1150 mm减少至950 mm,同非穿越段板厚保持一致。
(2)在可能的位置架设第6道钢管支撑。
(3)加大监测频率。
当日下午18∶00左右开始浇筑垫层,于21∶00左右浇筑完毕,由于垫层尚未形成强度,基坑变形仍在继续增大,最大值发生于基坑开挖面下2 m处,达到78.16 mm,次日凌晨2∶00左右,垫层强度形成,墙体水平位移开始收敛。墙体水平位移变形曲线如图2、图3所示:
4 风险产生原因分析
此次基坑产生较大的变形,综合分析其原因有以下几点:
(1)下穿线路埋深过浅
前期规划要求在目前车站底板底面以下2 m~10 m范围预留盾构的穿越,这就要求GFRP钢筋与普通钢筋的搭接区必须位于底板以下2 m范围内,而此位置恰是连续墙内力及变形变化最大的区域,所以增大了基坑的风险性。因此在规划预留穿越线路时应考虑此情况,尽量降低预留线路的标高。
(2)下穿范围内土体加固效果差
为了不影响盾构推进姿态,加固深度确定为2m,但根据预警情况分析,穿越区的加固深度宜至盾构机底部标高以下,整个盾构的穿越采用类似车站的进出洞的方式为佳。另外,根据监测情况来看,车站北侧的连续墙测点Q8的最大变形比车站南侧对称位置的测点Q9的最大变形大将近20 mm;而且从动态的变形数据来看,测点Q9侧的地下连续墙开挖面以下的变形一直是相对稳定的,当日中午12时至次日凌晨的水平变形的增加值仅为4 mm,而对侧Q8点在相同的时间段内增加值约为14 mm。由于本车站为曲线车站,南侧凹进,北侧外凸,考虑拱的作用,理应北侧变形小于南侧,而实际情况恰恰相反。根据开挖至底时土体的情况判断,北侧的土体没有达到应有的加固效果。
(3)对玻璃纤维钢筋连续墙的力学性能的认识需进一步深化
玻璃纤维钢筋的弹性模量小于普通钢筋,因此连续墙短期的刚度小于普通钢筋段连续墙,连续墙的刚度沿竖向存在突变减小,这也可能导致了基坑开挖面以下的位移加大。
5 结语
随着地铁建设项目的日益增加,如何保证先建车站预留下穿范围段的围护的安全性将是以后工程中面临的一个课题和重点。总结本工程施工中发生的情况,提出以下建议:
(1)总体规划远期线路时应充分考虑预留下穿围护的风险性,尽量压低下穿线路标高。
(2)若基坑开挖面位于软弱土层内,应保证预留下穿段的基坑内的加固深度,必要时宜加固至盾构机底部标高以下。
(3)关于地下连续墙预留下穿洞口的设计是参照美国混凝土委员会(ACI440)规范“Guide for theDesign and Construction of Concrete Reinforce-ment with FRP Bars”的相关设计公式进行计算和设计的,国内尚无玻璃纤维钢筋混凝土设计相关规范,希望能迅速拟定国内正式规范来指导设计人员。
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