深基坑的时空效应法施工

以杭州地铁秋涛路站深基坑施工为例,利用量测数据的统计分析成果,论述了深基坑施工的时空效应规律,以及快速开挖、及时支撑和加快施工进度。

1基坑工程中的时空效应

为解决深基坑整体稳定和坑周地层位移控制问题,参考了新奥法隧道施工中的时空效应理论,并通过大量的软土基坑实践发现,在基坑施工过程中,每个开挖步骤的开挖空间几何尺寸,围护墙无支撑暴露面积和时间等参数对基坑变形具有明显的相关性。时空效应法就是考虑时空效应的施工步骤,其主要特点是:根据基坑规模、几何尺寸、围护墙体及支撑结构体系的布置、基坑地基加固和施工条件,按照“分层、分块、对称、平衡、限时”的原则确定的施工方案。实践证明,科学地制定考虑时空效应的开挖、支撑设计施工方案,能可靠、合理地利用土体本身在开挖过程中控制位移的潜力,达到控制基坑变形及保护环境的目的。

2工程概况

以杭州市地铁一号线试验段秋涛路站为例,该基坑为长条形基坑,长259.6m,标准段宽度为19.0m,开挖深度16.5m~18.0m,端头井平面尺寸22.6m×12.3m,开挖深度18.2m~19.9m。围护结构采用Φ1000@750钻孔咬合灌注桩,设Φ609钢管内支撑,基坑标准段处的支撑及坑底标高见图一所示。勘探资料表明,基坑处于砂质粉土和砂质粉土夹粉砂层中。

基坑开挖过程中,考虑时空效应的标准开挖方法为:

工况1:首次开挖至第1道支撑下,开挖标高为5.5m,开挖宽度为10m,无支撑暴露时间限制在20小时以内;

工况2:第2次开挖至第2道支撑下(标高1.9m),开挖宽度为3~6m,无支撑暴露时间限制在12小时以内;

工况3:第3次开挖至第3道支撑下(标高-1.6m),开挖宽度为3m,无支撑暴露时间限制在8小时以内;

工况4:第4次开挖至第4道支撑下(标高-4.6m),开挖宽度为3m,无支撑暴露时间限制在8小时以内;

工况5:第5次开挖至第5道支撑下(标高-7.3m),开挖宽度为3m,无支撑暴露时间限制在8小时以内;

工况6:第6次开挖至坑底(标高-10.1m),6天内浇筑垫层及底板。

通过对基坑开挖过程各工况的跟踪记录,实际无支撑暴露时间一般在12小时左右,个别情况下超过此标准。

3基坑开挖过程中的时空效应规律

秋涛路站东区基坑开挖自04年8月10日开始,最先施工的是东风道及东端头井,开挖过程中对围护结构水平位移、钢支撑轴力、地面沉降等进行监测。

3.1支撑轴力的变化规律

通过对标准段ZL7-1~ZL7-5五个测点的支撑轴力监测数据及其对应工况对照分析发现:基坑开挖过程中随工况的变化,各道支撑轴力值大都呈现出有规律的增加或减少,如图二、图三所示。

从图二、图三中可以看出,当开挖深度至第三道支撑时(工况3),第二道支撑的轴力随时间在增长,第一道支撑轴力开始降低;当开挖深度至第四道支撑时(工况4),临近开挖面的第三道支撑的轴力随时间在增长,而远离开挖面的第一、二道支撑轴力在降低;开挖深度至第五道支撑时(工况5),临近开挖面的第三、四道支撑的轴力基本不变,而远离开挖面的第一、二道支撑轴力在降低;当开挖至基底并进行垫层施工时(工况6),临近开挖面的第四、五道支撑的轴力随时间在增长,第三道支撑的轴力基本不变,而远离开挖面的第一、二道支撑轴力在继续降低。

3.2水平位移的变化规律

对施工过程中与支撑轴力ZL7测点对应的水平位移监测点CX7的变化情况分析发现:围护墙的位移变化与开挖深度及时间关系密切,位移量随开挖深度和时间而增加,如图四、五、六所示。

从图四、图五中可以看出,随着开挖深度的增加,桩墙最大位移和最大位移增加的速率增大。

本段基坑各工况完成时间分别为:10月2日正式开挖、10月10日架设第一道支撑、10月14日架设第二道支撑、10月27日架设第三道支撑、11月20日架设第四道支撑、11月28日架设第五道支撑、12月9日浇注完垫层砼。从图四、图六中可清楚的看出,从10月2日开挖到第一道支撑架设完,搁置时间为7天,此处超挖量为2m,位移增加量为11mm;10月27日第三道支撑架设完后,停止开挖直到11月20日架设第四道支撑,中间搁置时间达23天,位移增加12mm;由此可见,基坑开挖过程中桩墙的最大位移随时间变化非常明显。

同时监测数据表明,围护墙的位移变化与支撑轴力变化是密切相关的,随着开挖深度的增加,围护墙的最大位移点逐渐向开挖面移动,而远离开挖面的墙体相对出现不同程度的反弹。

由于基坑开挖过程中,围护桩墙的横向变形会逐渐增大,这会引起支撑轴力的变化,而支撑轴力加大,又会反过来阻止墙体变形的进一步发展,因此,基坑土体挖除后,尽快架设支撑并施加预应力,能有效的减少围护桩墙的变形。

4结语

(1)基坑开挖过程中桩墙的最大位移和深度及时间的关系非常密切,通过对本基坑各测点监测数据的统计分析可知,当基坑开挖到坑底时,横向位移并没有停止,仍在继续增加,且开挖到底以后的横向位移增加量占总位移量的25%~45%。因此,在开挖深度确定的情况下,严格遵循时空效应原理,加快施工进度,是控制基坑变形的有效手段。

(2)基坑土体挖除后,及时架设支撑,能有效的减少围护桩墙的变形。有试验表明未及时架设第1道支撑的墙体其最大水平位移量为3cm,而及时支撑的墙体其最大水平位移量仅1cm。

(3)墙体位移是随开挖发展的,超挖将导致墙体在支撑架设前产生超量位移,该位移一旦产生,通过施加预应力既不能使其回复,也不能减少因墙体位移而引起的地面变形。因此,基坑开挖时应严格控制每个开挖步骤的开挖空间几何尺寸,及围护墙无支撑暴露面积和时间等参数。