关于上海地铁站地基工程的问题探讨

 引　言
      近年来上海轨道交通建设大规模发展,对地铁深基坑施工和设计也提出了越来越高的要求。目前上海市大部分地铁深基坑工程都采用刘建航院士提出的“时空效应”施工方法,采用“分层、分段、对称、平衡”的开挖方法和“随挖随撑,按规定时限施加预应力,减少基坑暴露时间”的支撑方法,取得了较好的效果;但在地铁基坑设计尤其是基坑变形计算方面还存在一定的欠缺。地铁车站基坑工程的主要设计内容是根据地质条件和环境保护要求合理地确定围护结构支撑体系、地基加固要求和施工方法及工艺。其中一个关键问题就是如何选取围护结构被动土压区的水平基床系数Kh。Kh是综合反映地质条件、支撑和围护结构条件以及开挖施工条件的等效水平基床系数。合理地选取Kh关系到基坑设计的安全合理性。Kh的正确取得有赖于工程实践中的大量观测分析和总结。
      本文通过对近几年施工的20多个地铁车站基坑的观测,对基坑的支撑围护结构条件、地质条件、地基加固条件、施工条件及相应的基坑变形进行了较全面的总结,可供设计者对其在一定地质条件下所选用的地基加固方法和基坑开挖施工方法能否达到控制基坑变形、满足环境保护要求上进行宏观的判断;从工程类比中也可对其选用不同加固方式及Kh取值是否适当进行检验;最后还总结了上海地铁基坑围护墙体变形的一些数据,并提出了对基坑变形警戒值的一些看法。
1 基坑开挖分段施工参数的选用
      考虑时空效应的基坑施工要点有:按分段浇捣底板要求分段开挖,每段又分层分小段,随挖、随撑,及时施加支撑预应力,限制无支撑暴露时间等。考虑时空效应的基坑开挖施工示意见图1。分段开挖施工的主要施工参数有:分段长L,分层高度hi,每小段长度b(其间加2根支撑),每小段开挖和支撑的施工时间t。开挖参数应由设计规定,一般L≤25m,hi为3~3.5m,b为6m,t为24h,设计中大多可以此作为施工参数控制要求;而b与t的调整(如b≤6m,t≤24h),则可作为施工单位在施工过程中调整施工参数、控制基坑变形留有的安全储备。时空效应理论中对各种基坑的开挖方式和参数均作了详尽的规定并且提供了计算方法。具体参数参见(SZ—08—2000)《上海地铁基坑工程施工规程》
2 各种基坑加固方式选取
     上海地区地表下30m深度以内的地层多属软弱的黏性土,其特点为强度低、含水量高、有很大的流变性,尤以深基坑下部所处的淤泥质黏土的流变性为大。为了提高土体的强度,需对土体进行加固。加固的方式主要有井点降水、注浆、搅拌加固、旋喷加固等。#p#分页标题#e#
      1)井点降水
      主要用于黏土夹薄层粉砂及砂性土地层中,可明显提高土层抗力。提前降水(提前20d)一般可提高强度30%左右。
      2)注浆加固
      采用注浆加固可以达到二级保护要求,一般用于井点降水难以奏效的淤泥质土层中。其双液分层注浆的抗压强度Ps可达到1.2MPa。
      3)旋喷加固
      一般用于变形控制严格、环境保护要求较高的基坑。上海的软弱地层中均可采用此种加固方式。根据软弱地层的不同埋深,亦可采用分层加固方式。施工工艺可分为双重管旋喷和三重管旋喷。双高压三重管的无侧限抗压强度qu可达1.5MPa;普通三重管的qu可达1.0MPa。
      4)搅拌桩加固
      一般用于变形控制严格、环境保护要求较高的基坑。上海的软弱地层中均可采用此种加固方式。搅拌桩加固可分为裙边式和抽条对撑式。其中裙边式加固特别适用于坑内降水的条件。其施工工艺可分为双轴机搅拌桩和三轴机搅拌桩。三轴的qu可达1.5MPa;双轴的qu可达1.0MPa。
3 等效水平基床系数Kh的参考取值
      基坑开挖过程中,由于软土的流变性及被动土压力和开挖方式的差异性,被动土压力及Kh都是变化的[2]。为了获得在一定地质和一定施工条件下的Kh值,可收集围护挡墙的位移、内力、土压力等实测数据,并通过大量反算分析获得反映Kh与开挖工况、时间、分块尺寸、位置等一系列因素相关性的计算方法。按此计算方法得到的Kh称为等效水平基床系数。
      本文收集了近20个地铁基坑围护墙体测斜实测数据,并结合现场地质条件与实际施工工况,在前人研究的基础上,用弹性地基梁理论杆系有限元算法计算基坑围护结构的内力和变形,采用反算分析的方法,给出了标准工况(开挖宽度6m,支撑时限24h)下Kh的参考取值。
3 基坑变形警戒值的讨论
      深基坑变形监测贯穿于其施工的全过程。在基坑工程监测中,每一监测项目理应根据设计计算书和客观环境,事先确定相应的报警标准,以判断挡土支护结构的内力与变形、周围土地及邻近建筑物和地下管线的位移等是否会超过允许范围,以判断基坑施工是否安全可靠(即是否处于受控状态中);同时还应判断是否需要调整施工步骤或优化原设计方案。由此可见,报警标准的确定是至关重要的。目前上海地铁基坑的警戒值确定标准主要是依据《上海市基坑工程规范》和《上海地铁基坑工程施工规程》(见表3)。从表4中可以看出,目前一般测斜警戒值的确定是根据开挖深度的一定百分比、日变形速率来加以设定。而根据笔者对上海地铁上百个基坑测斜变形值的统计,实践证明这个警戒值的设定仍偏于保守(如图2)。笔者认为,可根据挡土支护结构形式、地下水、开挖工况、支撑形式、基坑周边环境、暴露时间等重要影响因素,首先通过大量数据统计来设定各自影响因素分项系数,在原有警戒值(开挖深度的一定百分比)基础上,乘上总的修正系数;而总的修正系数可由各影响因素分项系数来确定。#p#分页标题#e#
4 结语
      文中所指的加固方法及指标均指按规范要求的常规工艺的结果,鉴于同一加固方法在不同工艺及参数下加固指标变化很大,设计时应在图纸中对加固的工艺、水泥掺量、孔位布置等提出具体要求。
      文中Kh取值指的是顺筑法、采用钢支撑的地铁车站基坑;若采用逆筑法或其它支撑形式(如混凝土支撑),该Kh值仅供参考。若采取文中未提到的加固工艺时(如超高压旋喷等),Kh值应以该工艺的试验或工程实测值为准。