明挖隧道深基坑設(shè)計

根據(jù)基坑開挖深度的不同，采用的圍護結(jié)構(gòu)形式如下：開挖深度＞16m的防淹門段，采用墻厚600mm的地下連續(xù)墻；開挖深度10?16m的地段采用直徑1000mm、間距1.2m的鉆孔灌注樁；開挖深度5?10m的地段，采用中650和①850勁性水泥土攪拌連續(xù)墻（SMW工法），其中中650樁內(nèi)插500mmx200mmH型鋼（間距900mm）；中850樁內(nèi)插700mmx300mmH型鋼（間距1200mm）；開挖深度5m以下的地段，采用拉森鞍W型鋼板樁。（2）支撐系統(tǒng)支撐系統(tǒng)主要采用鋼或鋼筋混凝土內(nèi)支撐的形式，除建筑物距基坑較近的JN03節(jié)的第1~3層支撐和JN04節(jié)第l層支撐采用BH=800x1000mm的C30鋼筋混凝土支撐（間距為9.0m）外，其余均采用中609mm516mm鋼管支撐（間距為3.0m）。同時考慮到主線部分基坑寬度達31?47m，為保證內(nèi)支撐穩(wěn)定，每9m設(shè)置2根格構(gòu)型鋼立柱，采用中800mm鉆孔樁支承，支撐間采用聯(lián)系梁連接。⑶樁（墻）頂連梁該深基坑在圍護樁墻的頂部均設(shè)置C30鋼筋混凝土壓頂冠梁。3.2支護結(jié)構(gòu)設(shè)計圖3為支護結(jié)構(gòu)剖面圖。計算荷載根據(jù)湖北省標(biāo)準(zhǔn)《深基坑工程技術(shù)規(guī)定》（DB42/159-1998）計算基坑外側(cè)主動土壓力。地下水位以上采用水土合算，地下水位以下對于粘性土和粉土采用水土合算，砂性土采用水土分算原則。地面超載按20kN/m2考慮。支護結(jié)構(gòu)在施工階段僅作為基坑圍護結(jié)構(gòu)考慮，按照平面框架單元計算，考慮開挖和回筑階段的實際施工及受荷狀態(tài)各工況的內(nèi)力及變形。計算時，考慮墻體的先期位移，鋼支撐施加50%?80%的設(shè)計軸力作為預(yù)應(yīng)力。圖3支護結(jié)構(gòu)剖面圖3.3基底處理坑底土體采用水泥深層攪拌樁抽條加固，加固深度3m，鄰近的未加固區(qū)由于抽條加固的空間作用，其坑底穩(wěn)定安全度也相應(yīng)得到了提高。4基坑防水設(shè)計該工程場區(qū)地下水主要為賦存于人工填土層和粉土層(夾有薄層粉質(zhì)粘土和粉砂)中的潛水以及賦存于粉細砂層中的孔隙承壓水。根據(jù)基坑開挖揭露深度，地下水的控制處理應(yīng)防止坑壁出現(xiàn)流土流砂，引起坑外地層損失對周邊環(huán)境造成影響，以及防止坑底剩余隔水層在下部承壓含水層水壓力的作用下產(chǎn)生突涌，影響基坑的穩(wěn)定。根據(jù)該基坑水文地質(zhì)條件和武漢地區(qū)經(jīng)驗，采用坑周懸掛式豎向隔滲帷幕與深井降水相結(jié)合的處理方式：賦存于人工填土層和粉土層(夾有薄層粉質(zhì)粘土和粉砂)中的潛水，采用高壓擺(旋)噴形成豎向止水帷幕進行封堵；賦存于粉細砂層中的孔隙承壓水，按坑底隔水層厚度的不同分段采用深井減壓降水，滿足坑底抗突涌的要求。深基坑防水設(shè)計與支護結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一考慮，嚴(yán)格限制支護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，滿足坑底抗突涌要求，減少和控制樁后土體及地面沉降量，確保基坑安全。4.1豎向隔滲帷幕設(shè)計該基坑豎向止水帷幕根據(jù)圍護形式與開挖深度的不同分段采用如下形式：圍護形式為地連墻的防淹門段，在地連墻的分幅處采用3根中600mm高壓旋噴樁止水，見圖4地連墻接縫防水示意圖。圍護形式為鉆孔樁的JN02-03節(jié)，其開挖相對較深，采用高壓擺噴樁墻，樁徑中1300mm，擺噴體角度1800，見圖5擺噴止水帷幕示意圖；圍護形式為鉆孔樁的.IN04-05節(jié)及匝道段，因其開挖相對較淺，采用中600mm高壓旋噴樁，沿排樁間隙坑外主動壓力區(qū)布置，與排樁共同形成完整的隔滲止水帷幕，見圖6旋噴止水帷幕示意圖；上述止水帷幕人土深度原則上為基坑底以下1m。灌漿材料采用32.5普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比1:1?1.5：1。圍護形式為SMW工法的區(qū)段，利用水泥土攪拌連續(xù)墻自身的隔滲功能實施基坑止水。圖4地連墻接縫防水示意圖圖5擺噴止水帷幕示意圖圖6旋噴止水帷幕示意圖4.2降水系統(tǒng)設(shè)計一般基坑工程隨著開挖深度增加，坑底下隔水層土體厚度隨之變薄，土體自重應(yīng)力逐漸減少，承壓水水壓超過隔水層土體自重應(yīng)力，就會產(chǎn)生涌水、流砂，形成地下水水患。該工程場區(qū)地面標(biāo)高為21.30?23.00m，承壓水含水層為④6粉土層以下的粉細砂層，其頂板埋深在地面下22.30?19.10m(絕對標(biāo)高約為0.97?2.19m)左右。根據(jù)本場區(qū)巖土工程勘察成果，參考《武漢地區(qū)深基坑工程技術(shù)指南》(WBJl-7-95)的“豐水期承壓水位標(biāo)高等值線圖”，按開挖期處于洪水期間考慮，確定場區(qū)承壓水位的標(biāo)高為20.00m，即埋深1.20?3.30m，高出隔水底板17.90m左右。因而，為確?？拥追€(wěn)定，須降低坑底承壓水頭高度。4.2.1突涌穩(wěn)定性驗算按開挖到墊層底時進行突涌驗算，根據(jù)《湖北省深基坑工程技術(shù)規(guī)定》(DB42/159-2004)進行抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗算：(1)式(1)中：yty——坑底突涌抗力分項系數(shù)，對于大面積普遍開挖應(yīng)＞1.2；D一坑底至承壓水層頂板的距離；Y—D范圍內(nèi)土的平均天然重度；Hw 承壓水水頭高度；yw 水的重度。突涌穩(wěn)定性驗算表明，當(dāng)基坑開挖到設(shè)計坑底標(biāo)高時，極易發(fā)生承壓水突涌或管涌問題。4.2.2深井降水設(shè)計該工程設(shè)計基底下有厚度超過5m的隔水層，因而本基坑按開挖深度的不同，按減壓法分段進行降水設(shè)計。根據(jù)武漢地區(qū)成功的降水經(jīng)驗，對于類似本工程基坑平面形狀為長條形的情況，不能采用大井法估算涌水量，而是以設(shè)計降深要求作為控制原則，采用《湖北省深基坑工程技術(shù)規(guī)定》DB42/159-2004中（7.4.7-1公式）對JN02-JN05段進行估算：式（2）中：S——承壓水位下降設(shè)計值（按設(shè)計要求分段取值）；K——含水層滲透系數(shù)（取值19m/d）；M——含水層厚度（取值32.3m）；R——抽水影響半徑（取值250m）；Qi——單井抽水量（m3/d）；ri一任意點距抽水井的平面距離（m）。設(shè)計時利用“天漢軟件”進行多種井位與流量情況下的試算，以確定最合理的降水方案。經(jīng)設(shè)計，該基坑（JN02?JN05、CZD01、DZD01）根據(jù)周邊環(huán)境條件及基坑開挖的需要，采取在坑外布置8口降水井，坑內(nèi)布置10口降水井、2口觀測井，井距根據(jù)設(shè)計降深的不同控制在10?30m左右，以滿足基坑施工的要求，保證不同施工區(qū)域減壓降水的合理降深。圖7為武昌明挖段降水井平面布置圖。至于降水井的深度，考慮到抽取承壓水的目的是為了降低承壓水位，結(jié)合場區(qū)實際地質(zhì)條件，降水井采用中深井，深度定為35~38m（根據(jù)初期成井試驗資料確定實際深度），觀測井深度30m。降水井結(jié)構(gòu)見圖8。4.2.3對周圍環(huán)境影響的評估基坑開挖及降水后，承壓水位降低將使周邊土層產(chǎn)生附加荷載而導(dǎo)致相應(yīng)的沉降，對周邊建筑物及管線會構(gòu)成不同程度的危害。鑒于此，對可能發(fā)生的危害程度做出正確的評估是非常必要的。根據(jù)《湖北省深基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DB42/159-2004）中（7.4.8公式）的規(guī)定，估算因降水而引起的地面最大沉降量可用下式計算：*由式（3）中：^Sw——為承壓水水位下降引起的地面沉降量；Ms——取經(jīng)驗數(shù)值0.30?0.90：6ui 為承壓水下降引起i層的附加應(yīng)力（kPa）；△hi 為i層厚度（cm）；Esi——為i層的壓縮模量（。MPa）。經(jīng)計算，本基坑承壓水水位下降引起的地面沉降量^Sw=1.71cm（JN02區(qū)域）。以上計算結(jié)果是根據(jù)《深基坑工程技術(shù)規(guī)定》得出的，它沒有考慮上部土層垂直向水頭分布的差異以及沉降量隨時間的變化，僅為按彈性理論得到的最終固結(jié)沉降。根據(jù)武漢市多年的基坑降水經(jīng)驗，由于本場區(qū)粘性土層較厚，其垂直方向上滲透系數(shù)很小，故地面沉降量隨時間的增值比較緩慢，因而上述計算結(jié)果跟實際情況有較大的出入。大量武漢降水工程的實踐表明：在粘性土層中，降水時間達180d，其固結(jié)度不超過20%，其沉降量在降水啟動后，沉降滯后效應(yīng)非常明顯，在合理的降水設(shè)計和良好的施工質(zhì)量的前提下，降水引起的地面沉降量一般小于預(yù)測計算值，且沉降比較均勻。圖7武昌明挖段降水井平面布置圖

圖8降水井結(jié)構(gòu)圖5施工與監(jiān)測情況5.1各關(guān)鍵工序的施工方法5.1.1圍護結(jié)構(gòu)施工.地連墻施工：地下連續(xù)墻按設(shè)計分幅，標(biāo)準(zhǔn)幅寬6.0m，采用柔性鎖口管接頭。成槽采用液壓抓斗，標(biāo)準(zhǔn)槽段采取三序成槽，先挖兩邊，再挖中間；采用膨潤土泥漿護壁，泥漿指標(biāo)經(jīng)試驗確定為：比重1.05?1.15g/em3，粘度20—35s(漏斗粘度)，pH值8~10，含砂率寺8%；鋼筋籠采取整體制作，整體起吊入槽；水下混凝土澆注采用D250導(dǎo)管法施工。鉆孔樁施工：采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進工藝，泥漿護壁，泵吸反循環(huán)方式清孔；鋼筋籠現(xiàn)場按設(shè)計長度整體制作，50t吊機吊放就位；水下混凝土采用商品混凝土，導(dǎo)管法灌注成樁；施工時原則上間隔3根樁進行跳打，避免相鄰樁施工對已成樁的影響。SMW工法樁施工：采用MAC-150-3型三軸攪拌樁機成樁，吊機吊放H型鋼就位，施工順序采取單側(cè)擠壓式連接方式。固化劑采用P.O.32.5普通硅酸鹽水泥，水泥摻量按418%控制。降水井施工：為保證成井質(zhì)量，降水井采用沖擊式鉆機清水鉆進成孔。降水井投入運行前，對井結(jié)構(gòu)參數(shù)、單井出水量和水的含砂量等組織進行驗收，要求單井涌水量卡50m3/h，單井抽水含砂量不超過1/1000000止水帷幕施工：針對不同的帷幕形式，采用不同的工藝：①1300mm擺噴采用二重管旋噴工藝，①600mm旋噴采用單管旋噴工藝。灌漿材料采用32.5普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比1：1?1.5：1，水泥滲量按卡18%控制。為防止串孔，采取兩序施工(間隔一個)的方式。抽條加固施工：依據(jù)設(shè)計“攪拌樁施工中可根據(jù)設(shè)備情況選擇其他類型攪拌機，但必須確保設(shè)計所要求的樁間搭接厚度”的原則，采用單軸深層攪拌樁機進行基底抽條加固攪拌樁的施工，成樁采取“一次噴漿，二次攪拌”工藝。灌漿材料采用32.5普通硅酸鹽水泥，水泥摻量按卡12%控制。5.1.2支撐及土方施工基坑開挖前事先完成周邊建筑物的加固、坑底深層攪拌樁抽條加固等加固措施，以及圍護樁墻后高壓擺(旋)噴樁止水帷幕、深井降水系統(tǒng)的布置與試運行等基坑防水措施。根據(jù)基坑開挖施工的分段長度以及每段的開挖深度，開挖期間采取分段分級降水的方法，按開挖進度及降水要求逐漸開啟降水井?dāng)?shù)量，維持適宜水位，嚴(yán)格控制因降水引起的周邊地層不均勻沉降。整個降水維持期內(nèi)，實施信息法管理，根據(jù)基坑的施工狀況和實測的承壓水高度，調(diào)節(jié)降水高度，同時配置具備雙回路電源備用發(fā)電機)和安全裝置的供配電系統(tǒng)，以最適當(dāng)?shù)呐潘亢涂煽康谋Ｕ洗胧?，確保滿足基坑抗突涌的要求。土方開挖和鋼支撐設(shè)置密切配合，施工前作好充分準(zhǔn)備，盡量減少圍護樁墻前沿的無支撐暴露時間，土體開挖后鋼支撐架設(shè)、預(yù)應(yīng)力施加控制完成時間在16h內(nèi)。針對條形基坑的特點，基坑土方采取分層分段的方式開挖，根據(jù)基坑豎向支撐的層數(shù)每施工段按3.5?4m的分層厚度逐層開挖；根據(jù)支撐間距及圍檁長度每層土方按6?9m的分段長度逐段開挖。每層段放坡坡比控制在1：1?1：1.5范圍內(nèi)，縱向總體放坡坡比控制在1:3.5以上。對于寬度達31.74?47.86m的主線基坑，每層段采取盆式開挖的方式，先挖中間土，再挖兩側(cè)土，開挖放坡控制在1：1?1：1.5,增加了基坑內(nèi)側(cè)區(qū)域被動土體的保留時間，減少了圍護樁墻無支撐暴露時間，確保了支撐的及時形成，減小了時空效應(yīng)帶來的不利影響。5.2施工中有關(guān)問題的處理地連墻成槽工藝針對地連墻試成槽過程中，在導(dǎo)墻下22m處(約0.5m標(biāo)高處)遇到Qa14粉細砂3層，土質(zhì)致密，液壓抓斗下挖困難的情況，采取了兩鉆一挖的成槽工藝，即開挖前先采用旋挖鉆機引孔，孔徑ø800mm，孔間距根據(jù)三序成槽及抓斗寬度確定(一般2.75m，根據(jù)抓斗能力適當(dāng)縮小)，成孔深度與地下連續(xù)墻相同，而后再用液壓抓斗開挖。臨近房屋的槽壁加固處理由于DLQ20幅地連墻靠近三層學(xué)生宿舍樓，經(jīng)探查宿舍樓基礎(chǔ)為砼條形基礎(chǔ)，埋深1.2m，最近處距離導(dǎo)墻0.6m。為提高槽壁自身穩(wěn)定能力，防止槽壁坍塌對房屋造成損壞，在DLQ20幅地連墻成槽前對其槽壁與房屋間的局部土體和DIQ20幅地連墻外側(cè)局部土體采用了雙液注漿加固，注漿加固范圍為DLQ20幅地連墻外側(cè)1.0m左右，注漿深度為地面下1?6m，注漿材料采用32.5級普硅水泥-水玻璃雙液漿。臨基坑建筑物的保護對于JN03-04節(jié)西側(cè)臨近基坑的10#、13#教工宿舍樓和體育館等建筑物，考慮距基坑較近(其中10#樓約4.5m；13#樓1.7m；體育館約4.0m)，且均為淺埋基礎(chǔ)，為減小基坑開挖時對其的影響，基坑開挖前采取了相應(yīng)的加固措施：10#、13#教工宿舍樓臨近基坑側(cè)房屋基礎(chǔ)采用高壓旋噴樁托換加固；JN03節(jié)第1?3層支撐和JN04節(jié)第1層支撐采用800x1000mm的C30鋼筋混凝土支撐(間距為9.0m)13#教工宿舍樓處基坑內(nèi)側(cè)5m范圍內(nèi)的被動土體采用高壓旋噴樁加固。關(guān)于基坑豎向止水帷幕滲漏的處理在JN02節(jié)地連墻和排樁相接處，由于豎向止水帷幕旋噴樁的搭接存在盲區(qū)，基坑開挖至約llm深，所處地層為夾有薄層粉質(zhì)粘土及粉砂的粉土層時，基坑側(cè)壁出現(xiàn)滲漏，流土流砂，并引起鄰近房屋沉降速率加大，對此我們采取了坑內(nèi)封堵引流與坑外水泥-水玻璃雙液注漿封堵相結(jié)合的方式進行了及時處理。關(guān)于基坑管涌的處理JN04節(jié)基坑施工中，在減壓降水達到設(shè)計降深的情況下，開挖至接近設(shè)計基底時，由于基坑內(nèi)存在未實施有效封堵的地質(zhì)勘探孔，為承壓水提供了便利的管涌通道，在減壓降水后承壓水頭的作用下，發(fā)生了基坑管涌。針對基坑管涌以及周邊建筑物和基坑的異常變形，采取了相應(yīng)的應(yīng)急處理與恢復(fù)施工措施：對涌水點處采取回填濾料反壓，減少涌水時的含砂量；針對西側(cè)圍護樁的異常變形，在基坑內(nèi)側(cè)約10m范圍內(nèi)回填土方反壓；在已完成的結(jié)構(gòu)底板上立模澆筑素砼壩，回灌水平衡水頭壓力；在基坑內(nèi)外增設(shè)降水井，加大降深至坑底以下，減緩涌水壓力，為恢復(fù)施工創(chuàng)造條件；通過回灌水和增設(shè)降水井控制管涌后，對涌水點采取水泥-水玻璃雙液注漿封堵。關(guān)于土體縱向滑移問題由于深層攪拌樁抽條加固基底對開挖深度范圍內(nèi)土體的擾動，而基坑土方開挖與抽條加固施工的間隔時間較短，加之場區(qū)內(nèi)約11m深度處的存在夾有薄層粉質(zhì)粘土及粉砂的粉土層，基坑開挖時縱向總體放坡坡比在按l:3.5控制的情況下，仍然出現(xiàn)了基坑土體的縱向滑移。為此，將基坑開挖縱向總體放坡坡比進一步加大到1：5，同時通過施工組織，是后續(xù)土方開挖與抽條加固施工的間隔時間加大，給了上層土體相對充分的固結(jié)時間，土體縱向滑移得到了改善。關(guān)于SMW工法樁水泥土強度增長問題對圍護結(jié)構(gòu)SMW工法樁，開挖前采取實地取芯進行水泥土28d強度檢測發(fā)現(xiàn)，大部分水泥土取芯強度達不到設(shè)計強度，而機頭帶出的水泥土28d試件強度檢測均滿足設(shè)計要求，分析原因，判斷是由于工法樁地段場區(qū)地層主要為呈飽和、流塑.軟塑狀態(tài)的粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土等深厚軟土層，水泥土的強度增長緩慢，同時說明采用機頭帶出的水泥土進行強度檢測，不能真實反映攪拌樁的實際情況。為此，我們延遲了工法樁段的基坑開挖時間，給予水泥土充分的強度增長時間，至齡期達到60d以上時重新取芯檢測，取芯強度基本滿足了設(shè)計要求?；娱_挖后揭露的情況也顯示此時水泥土連續(xù)墻的成形效果比較理想。5.3基坑監(jiān)測為確保本段明挖隧道安全、順利地完成，在圍護墻、基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施工過程中，采用了信息法施工，根據(jù)設(shè)計要求及湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DB42/159-2004)的規(guī)定和要求，運用了多種手段進行了基坑和周邊環(huán)境的監(jiān)測，監(jiān)測項目十分全面。這里僅就臨近基坑受基坑施工影響比較直接的10#、13#教工宿舍樓的監(jiān)測情況作簡要介紹。對10#、13#樓實測沉降資料進行成果分析，兩棟建筑物沉降量隨時間變化的曲線見圖9。從沉降曲線可以看出，在施工過程中兩棟建筑物沉降量較大，特別是10#樓已超過警戒值，并且在某些施工階段沉降速率較大。從10#樓的沉降曲線分析，其幾個沉降監(jiān)測點有著基本相同的變化規(guī)律，沉降曲線起伏較大，隨時間變化較為復(fù)雜，但總體趨勢是在開挖初期開始比較均勻的沉降，且沉降量較小，隨著開挖深度的增大沉降速度加快，沉降量增大，在澆注完底板有較小的回升后，沉降趨于穩(wěn)定。同時13#樓的沉降曲線顯示，13#樓總體上與10#樓有著相似的變化趨勢。通過對10#、13#樓沉降監(jiān)測成果的分析，可以說明以下幾個方面的問題：建筑物的沉降變形主要是由土方開挖所致，在土方開挖期間建筑物的沉降變形速率較快，特別是在基坑開挖至一定階段時沉降突然加速，開挖暫停時變形速