地铁中间风井深基坑在花岗岩地层的施工
2010-01-14 19:20
地铁中间风井深基坑在花岗岩地层中的施工方法
摘要：通过广州轨道交通三号线［市桥站北～番禺广场站盾构区间］中间风井深基坑施工实例，探讨在深度达43m的花岗岩为主的地层中深基坑的施工方法及其控制土质软化技术措施，为类似工程施工提供参考。
关键词：花岗岩；地层；深基坑；施工
1 引言
随着城市地下铁道工程越来越多地采用盾构施工，盾构近距离穿越建（构）筑物的情况明显增多，为了避开某些建筑物的深桩基础并对其进行保护，不得不加大隧道的埋深（上覆土层厚度），相应地也就加大了盾构隧道区间中起通风和消防排烟作用的中间风井基坑的深度。
深基坑工程本身就是一个综合性的岩土工程难题，复杂的地质类型和周边地面环境等客观条件更大大增加了其施工难度。在深基坑施工过程中，需要解决的主要问题就是基坑的支护、止水、排水及土质软化等问题。本文结合广州轨道交通三号线［市桥站北～番禺广场站盾构区间］中间风井基坑施工实例，探讨以花岗岩可塑～硬塑状风化残积土层和全、强风化花岗岩层为主、深度达43m的基坑的施工方法及其控制土质软化的技术措施。
2 工程概况
2.1 工程概述
广州轨道交通三号线［市～番盾构区间］中间风井位于广州番禺区工业路东侧，万丰路南侧，基坑周边建筑物密集，地面环境复杂，基坑边线缘距北面A4楼房最近仅2.6m，距东面A6、B2楼房分别约4.0m和2.1m，中间风井平面尺寸为9.3m×19.3m，深43.15m。现场平面如图1所示。
2.2 地质条件
中间风井基坑地层从上至下依次为：①杂填土：层厚约1.0m，主要为砖瓦碎块、碎混凝土块等建筑垃圾混粘性土；②淤泥、淤泥质土：层厚约2.2m，饱和，流塑；③冲洪积土：层厚约3.6m，以粘土、粉质粘土及粉土为主，局部夹粉细砂薄层，可塑；④砾质粘性土（可塑或稍密）：层厚约6.5m，由粗粒花岗岩残积而成；⑤砾质粘性土（硬塑或中密）：层厚约12.9m，稍湿；⑥全风化花岗岩：层厚约12.1m，呈中粗粒结构，块状构造；⑦强风化花岗岩：中粗粒结构，块状构造，钻孔未钻穿。
其中，土层④～⑤级配不均，砾石、砂等粗颗粒和粉、粘粒等细颗粒含量均较高，而介于其间的颗粒组分则较少，透水性和亲水性强且为相对富水层，在水的渗透力作用下小颗粒成份易从粗颗粒“骨架”中渗出，使土体发生流砂、管涌等渗透破坏；尽管天然状态下具有一定的强度，但由于孔隙比大，遇水后土体内部的粉粒和粘粒软化并丧失强度，粗颗粒由于失去支撑也开始解体分散，直至整个土体软化崩解。
全、强风化花岗岩的组织结构大多已破坏，裂隙发育，长石多已高岭土化，风化系数≤0.4，遇水后其物理力学性质类似于残积土，强度大大降低，易发生崩解，甚至整体坍塌。
2.3 基坑工程特点
⑴周边地面环境复杂，建筑物密集且距基坑较近，结构形式不一，年代久远，且个别建筑已较破旧，相当危险，在基坑施工中对地面沉降和基坑变形、位移的要求非常严格；
⑵施工场地面积狭小，包括基坑在内的整个场地面积仅约1400m2，且其内还有市政主供水管等管线，对基坑的施工组织影响较大；
⑶基坑平面边界多且短，拐角多；
⑷基坑深度大，且所处地层以花岗岩风化残积土和全、强风化层等不良地层为主,极易发生流砂、管涌、塌方等工程事故。
3 深基坑主要施工方法及技术措施
本中间风井开挖从“挡、堵、排、测”四个方面采取合理有效的施工措施，以“治土必先治水”作为指导思想，严格控制地面沉降，坚持监控量测及信息化施工，保证基坑开挖安全。中间风井开挖施工工艺为：桩间Φ 42小导管超前支护→水泥水玻璃双液注浆加固→分层分块开挖→桩间即时喷射混凝土支护→钢支撑架设→重复上述步骤。
3.1 Φ1000冲孔排桩+钢支撑支护
基坑开挖过程中必须采取有效的土壁支护措施，由于开挖深度达43m，花岗岩风化残积土和全、强风化层遇水易软化崩解，因此必须在基坑迅速开挖后，岩石尚未软化崩解前尽快地架立起有效的支护。本基坑设计采用Φ1000冲孔排桩+钢支撑支护结构。
混凝土支撑系统的强度和刚度均较高，整体性和稳定性好，在土压力作用下不易失稳弯曲；但从浇捣完成到达到使用强度需要一定的龄期，其强度和刚度的增长需要一个过程，无法满足支护工期要求。本工程采用钢支撑，具有自重轻、强度高、施工方便快速等特点，开挖过程中共设9道撑，钢支撑平均竖向间距为2.8～5.3m，水平间距2.0～3.5m，如图2，具体方案如下：
⑴钢围檩采用2根I56c工字钢加缀板焊接，钢牛腿采用10mm角钢加斜撑加工制作（如图3）。
⑵钢管支撑分节配制，管节间采用法兰盘螺栓连接,钢管为Φ600、壁厚14mm。钢管支撑端部（仅一端）设预加轴力装置，其端部构造及预加轴力方法如图3所示。
⑶钢支撑体系安装时，钢牛腿焊接于孔桩的主筋上，每隔1根围护桩设置1个钢牛腿。钢围檩采用20t汽车吊吊装就位，并与围护桩上的主筋焊接，焊接强度必须承受横撑自重荷载的2倍以上。钢管支撑分节用20t汽吊下放至基底支撑位置，拼接成整根后人工配合汽吊吊装就位。
⑷钢支撑体系安装施工要点
①千斤顶预加轴力必须对称同步，以平衡横撑自重下落的可能和初期开挖预放的初应变；
②横撑端头与围檩侧面采用托盘连接，钢支撑用钢丝绳悬吊固定在围护桩上，以防坠落伤人，并消除传递附加弯矩的可能性，预加轴力后前支座后部滑移长槽与钢管端面之间的空隙采用钢楔块垫塞紧密，然后拆除千斤顶；
③钢管横撑的设置时间必须严格按工况条件掌握，土方开挖应分段分层进行，严格控制安装横撑所需的基坑开挖深度；
④所有支撑连接处均应垫紧贴密，防止钢管支撑偏心受压；
⑤钢管支撑安装允许偏差如下：支撑中心标高及同层支撑顶面标高差±30mm；两端标高差≤20mm，≤（1/600）L；支撑挠曲度≤0.001L；立柱垂直度≤（1/300）H；支撑与立柱的轴线偏差≤50mm，水平轴线偏差≤30mm。
⑸基坑端头斜支撑用工字钢固定支撑。
3.2 桩间摆喷、小导管超前注浆和桩间喷射混凝土
全、强风化岩裂隙发育、性质特殊，地下水易沿着孔隙、裂隙浸透基坑土壁面，导致岩石软化基坑塌方，如何有效堵水是本工程施工中的重难点之一。
基坑维护结构设计中通过桩间摆喷止水，但基坑深达43m，根据以往施工经验及此次摆喷抽芯检查，摆喷效果在埋深h≤20m时尚可，但超过20m后则很不理想，因此本次基坑开挖的堵水措施可分层考虑：①对于h≤20m的，采用桩间摆喷止水，喷嘴作120°摆动并匀速提升，形成具有一定厚度的摆喷桩；②对于h≥20m的，采用Φ42小导管进行桩间超前支护，即凿除相邻桩间钢筋保护层，焊接Φ22横向钢筋，其内侧桩间施打Φ 42、L=3m的密排小导管超前注浆支护，达到加固桩间土体和止水的目的。
小导管超前注浆止水加固和桩间喷射混凝土采取以下施工技术措施：①排管沿竖井开挖底部围护桩间竖向斜向外进行，外插角度约16°；②竖向前后相邻两排小导管搭接的垂直投影长度不小于1.0m；③选用水泥-水玻璃双液浆，具有可准确控制凝胶时间等特点；④注浆配比：水泥浆的水灰比为2∶1～1∶1，水玻璃模数以2.4～2.8为宜，水玻璃浓度使用范围为（35～40）Be′，水泥浆、水玻璃体积比为1∶1～1∶0.3，初凝时间可根据不同地层采用不同配合比和少量磷酸氢二钠进行适当调整；⑤注浆压力根据地层致密程度确定，一般为0.4～0.6MPa；⑥每块井壁侧开挖后，及时清除桩间土体,及时喷射混凝土支护桩间土体；⑦开挖过程中发现个别渗水点应及时注浆堵塞，如有个别软弱泥层或空洞，应及时塞入棉纱或其它堵漏材料如插板等堵塞严实，外层用Φ22短筋上下间隔30cm焊牢在围护桩钢筋上，并立即封闭表层。
3.3 集水井降、排水
为保证施工的正常进行，防止塌方及基底地基承载力的降低，基坑土方开挖前沿南北向均匀设置3个集水井，深度超过每层土方开挖深度1.0m以上。表层水通过人工引导小水沟引入集水坑，土层中的水通过超深集水坑渗透滤干。每个集水坑根据水量配备高扬程（50m以上）潜水泵抽入地面沉淀池。
3.4 基底加固
若基坑内有不稳定趋势，则在坑内基底采用Φ50的PVC管注单液水泥浆加固，呈梅花型布置，间距0.8m×0.8m，每次注浆加固深度6.0m，开挖3.0m后进行下一次注浆。其施工方法及工艺同小导管注浆。
3.5 土方开挖
结合本工程特点，实际施工过程中采取桩间及时喷射混凝土等支护措施，严格遵循“先撑后挖，严禁超挖”的原则，保证施工的顺利进行。竖井开挖要求如下：①采用人工配合小型反铲进行；②分层分块进行开挖，每层深度1.0m，竖井从南至北分为3块；③开挖过程中及时检测围护桩的位置情况，发现有侵入结构净空的部位则做好标记，及时通知原施工方进行安全处理，并在开挖期间处理完毕，避免遗留在后期影响工期。如有围护桩侵限需凿除的必须在本层钢支撑架设完成后才能进行，确保基坑安全。
3.6 应力状态及位移、变形监测
竖井在开挖及支护施工过程中将引起周围土体应力状态的改变，应力状态的改变将导致基坑围护结构产生位移和变形，主要包括基坑内土体隆起，基坑结构及周围土体的侧向位移和竖向沉降，这些位移超出一定范围，必然对基坑围护结构产生破坏，同时，这些位移情况也是判断基坑围护结构稳定状况的重要依据。
为了保证施工安全，分析了解地层、支护及主体结构的安全稳定性，掌握施工对周围环境的影响程度，在施工全过程中对地层、地下水、支护结构的安全稳定性和施工对周围环境的影响程度进行监测及分析，并将观测结果及时反馈，以指导设计与施工。
⑴监测项目及要求（见表1）
⑵量测频率确定的原则：各项目在基坑开挖前测取初值，基坑开挖及桩基施工阶段每日1～2次；主体结构施工阶段每周1～2次。当变形超出有关标准或场地条件变化较大时，应加密观测；当大雨、暴雨或基坑边载条件改变时应及时监测；当有危险事故征兆时，应连续观测。
⑶监测点的布置（如图2）
⑷监测控制标准：竖井施工中出现下列情况之一时应立即停工并采取处理措施：①测量数据超出监测项目控制值；②量测数据有异常增大的趋势；③支护结构变形过大或出现明显的受力裂缝且不断发展。
4 结束语
对于在花岗岩类地层中的深基坑工程，开挖、支护、止水、排水及防止土质软化都是确保基坑开挖施工顺利的关键因素。如何合理利用各种措施，有效减轻地下水对施工的影响，是工程中应着重考虑的问题。广州市轨道交通三号线［市～番盾构区间］中间风井基坑的开挖，从“挡、堵、排、测”四个方面采取技术措施的思路，为类似地层施工提供了借鉴。在实际施工过程中必须准确研究工程特点，灵活运用各种工法，才能保证工程施工的顺利进行，取得较好的经济和社会效益。
参考文献
［1］广州市轨道交通三号线［市～番盾构区间］盾构工程施工组织设计，2003.2
［2］王典，史海鸥．广州地区花岗岩类残积土物理力学性质及其对地铁工程的影响［J］.南方建筑，2008（增刊）
［3］赵明华，俞晓等．土力学与基础工程（第2版）［M］．武汉：武汉理工大学出版社，2003
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