在运营地铁隧道正上方的深基坑土方开挖施工技术

'图10测斜孔Q8、Q13、Q17原始信息资料图11地铁上行线隧道沉降曲线图建筑施工BUILDINGCONSTRUCTIONVo1.30No.7●地基基础在运营地铁隧道正上方的深基坑土方开挖施工技术ConstructionTechnologyforDeepFoundationPitExcavatedRightaboveMetroinOperation□何国建丁铁华周峰312000)(浙江环宇建设集团有限公司绍兴【摘要】位于运营地铁隧道正上方3.55m以上的深基坑施工,技术要求高,施工难度大。且由于在地铁运营的时间段不允许施工,只能在夜间停运期施工;隧道允许变形又极小,施工控制难度大。针对这些难题,介绍了基坑围护、支撑加固、分块挖土、堆截回压、变形监测等施工方法及采取的技术措施,最终安全顺利地完成了基坑施工。【关键词】软土地区地铁隧道土体加固分块限时施工变形控制/文献标识码【中图分类号】TU751.+3B【文章编号】1004-1001(2008)07-0515-051工程概况坑开挖后,底板底部距离隧道顶仅余3.55m,直接影响隧道长达120m。上海雅居乐国际广场位于西藏中路以西、长沙路以东、凤阳路以北、牯岭路以南。总建筑面积约为114000m2,整个基坑工程分为深基坑和浅基坑两大部分,在地铁1号线上行线隧道东侧6.50m设置一道中隔墙,以东为深坑,深坑东侧有地铁8号线,地下三层;以西为浅坑,其下有地铁1号线通过,开挖深度4.90m。本文介绍的是浅坑部分,基坑总面积为5750m2,地铁1号线区间运营隧道顶埋深约8.45m,基2施工难点(1)浅坑地下室施工的核心问题是不影响运营1号线区间隧道的结构稳定,确保1号线的高速度运营功能。在浅坑土方开挖时,如坑底土体隆起过大,后果将不堪设想。因此,必须严格控制坑底土体隆起,以保证区间隧道隆起变形在允许范围内。【作者简介】何国建(1975-),男,本科,工程师。联系地址:绍兴市越城区府山西路295号(312000)。【收稿日期】2008-05-10(2)本基坑安全等级为一级,周边道路及管线均很重要,特别是地处闹市中心,周围都是大型百货商场及娱乐设""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""层、分块、对称、平衡、限时”施工技术支持下,基坑工程各工况全部顺利完成,没有突破警戒线,工程施工安全、可靠、经济、合理。信息资源验证:在基坑围护体系优化技术和“分区、分2008年7月出版·515· 第7期7/2008何国建、丁铁华、周峰:在运营地铁隧道正上方的深基坑土方开挖施工技术3.3.2对基坑开挖顺序和底板浇筑时间要求严格采取“先远后近”基坑开挖方式,基坑开挖时,在地铁运营时段内先开挖对隧道变形影响较小的土体,并进行凿桩、模板与钢筋的绑扎工作,在晚上地铁停运时段内再来施工隧道正上方的土方开挖及模板、钢筋绑扎、浇混凝土等其它施工作业。在开挖过程中不得超挖,土方开挖的顺序必须与设计工况相一致,严格按照“分区、分层、分块、对称、平衡、限时”的原则进行施工。底板混凝土浇筑时间尽可能短,并及时采取回压措施,确保地铁隧道上方荷载的平衡。施,一旦道路及管线出现险情,其影响及后果是无法估量的,如何减少施工时(降水和和基坑开挖)对临近道路的影响,把地面沉降和地下管线沉降控制在允许变形以内,是施工中必须高度重视并妥善解决的技术难题。(3)隧道正上方基坑开挖,有关部门要求施工必须在晚上22:00列车停止运营之后到凌晨5:00列车运行之前的时间段内进行。在有限的时间段内(7h),需要快速完成单幅底板施工,其中包括挖土、凿桩、工程桩测小应变、止水钢板焊制、钢筋绑扎、立模板、浇筑混凝土施加等效荷载等各分项工程,对施工单位的施工组织水平要求相当高。3.3.3施工时间有限制,对施工组织水平要求极高隧道正上方基坑施工应在晚上地铁停运时间段内(7h)完成各道工序的施工,工序之间应紧密结合,做到各分项工序有时间限制,缩短基坑暴露时间,从而达到保护地铁的要求。3设计思路3.1基坑施工方案的选择针对本工程地理环境特点,从保护地铁隧道安全出发,在施工之前做了精心的准备工作,变形控制成为基坑施工需要解决的首要问题。对于隧道上方基坑开挖而言,面临的变形控制难度较大。大面积卸载使得地铁隧道原本就富裕量很小的允许变形幅度变得更加紧张,从而给运营地铁的安全保护带来了更大的挑战。由于地铁对隧道变形的要求极高,因此选择正确的施工方案,如何保证基坑开挖过程中和施工结束后,隧道变形量满足地铁保护要求成为本工程施工的重点,总的思路是将基坑底板分块划小,使开挖至底板的浇筑混凝土所耗费的时间,在地铁停运的时间段内,短时间内基坑的隆起不会很大,地铁隧道也得到了保护。4工艺原理4.1隔离隧道影响区为减小基坑两侧施工对隧道的影响,采用两排SMW工法桩将隧道与周围土体隔离。4.2消散超孔隙水压力在饱和软土中进行水泥土搅拌桩施工会在土体内部产生很大的超孔隙水压力,超孔隙水压力的积聚效应会使夹在中间的隧道产生一定程度的变形,为了减小超孔隙水压力对隧道带来的不利影响,需要控制沉桩速度,合理安排工法桩的施工顺序。事前对工法桩施工做了试验,根据影响最小的原则确定施工参数。3.2保护地铁主要控制参数为防止基坑变形过大和保护地铁隧道安全,在设计和4.3施工过程中,必须满足《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》,深基坑高楼桩基、降水、堆载等各种卸载和加载的建筑活动,对地铁结构的影响限度必须符合以下标准:①地铁隧道外边线两侧的邻近3m范围内不能进行任何建筑活动;②地铁隧道绝对沉降量及水平位移≤10mm(包括各种加载和卸载的最终位移量);③隧道变形曲率半径R≥15000m;④相对变曲≤1/2500;⑤由于建筑物垂直荷载(包括基础地下室)及降水、注浆等施工因素而引起的地铁隧道外壁附加荷载≤20MPa;⑥由于打桩振动、爆炸产生的震动对隧道引起的峰值速度≤2.5cm/s。提高坑底土体的回弹模量隧道上方基坑开挖实质上构成隧道上方土体大面积卸载,坑底土体由于卸载向上隆起,带动土体中的隧道上抬。根据Winkler弹性地基梁模型,隧道变形与基床系数呈反比关系,通过提高基床系数,来减小上方基坑开挖的卸载作用对隧道的影响。为此,基坑坑底采用水泥搅拌加固,通过提高坑底土体的с、ф值和压缩模量有效地提高了基床系数。4.4削弱卸载效应为了尽可能减小隧道上方卸去的土体荷载对隧道的影响,底板混凝土浇筑并达到初凝强度后,即采用人工堆载的形式加载(如等量砂袋、钢碇等),根据荷载等效原则控制隧道最大上抬量。4.5减小软土流变的副作用基坑开挖后,在没有外部荷载的情况下,软土的变形会随时间的增长进一步增长,这种现象称为软土的流变。为减3.3工艺特点3.3.1对地基加固过程及效果要求严格隧道上方及邻近地铁隧道侧的地基加固必须在隧道跟踪监测数据指导下组织施工,精确定位,严控标高。地铁侧按照“先近后远”的次序组织施工,靠近隧道侧的加固辅以早强剂,最贴近隧道侧的加固在地铁列车夜间停运后实施。工程桩施工前,必须对加固土体强度进行检测,当其强度极限达到设计及运营地铁保护要求后,方可进行后续工序。钻孔灌小软土流变产生的土体位移对隧道带来的不利影响,根据“时空效应”原理,基坑开挖和底板采取分段、分块原则进行。4.6充分做到信息化施工由于土体变形的复杂性和影响因素的多样性,注桩施工必须严格控制施工时间,单桩施工时间控制在实际工12h(桩长80m),并且必须按照“先近后远”的原则进行。程采用信息化施工,施工过程中密切监测隧道和围护结构的·516·《建筑施工》第30卷 图1基坑加固剖面图图2基坑支撑平面布置图7/2008第7期何国建、丁铁华、周峰:在运营地铁隧道正上方的深基坑土方开挖施工技术变形情况,对照监测结果及时调整设计施工参数,再反馈到实际施工中,将设计与施工紧密结合,尽量减小基坑开挖对运营地铁隧道的影响。5施工工艺流程本工程施工工艺流程为:施工准备→围护结构施工、地基加固及桩基施工→加固土体强度检测→第一层土方分区、分层、分块开挖→地铁隧道正上方两侧土方开挖、凿桩(监测)、钢筋绑扎、模板安装→地铁隧道正上方土方开挖、模板安装、钢筋笼吊装→浇混凝土→等效荷载回压。6主要施工技术要点和措施6.2.2施工操作要点在搅拌成桩时,所需容量70%~80%的水泥浆,宜在下沉时灌入,其余的20%~30%在提升时灌入。螺旋钻提升时,螺旋钻宜反向旋转,且不能停止,以防产生真空,导致侧壁土体坍塌。在搅拌桩的施工过程中,要特别注意水泥浆液的注入量和搅拌头沉入、提升速度。下沉钻进的速度应比提升时的速度慢一倍左右,以便尽可能保证水泥土的充分搅拌,又可获得较高的灌入量。在砂土层或土性变化较大的土层施工时,应根据土质的情况选择合适的水泥浆液的配合比,以便得到比较均匀的土体,确保施工质量。6.3基坑开挖与支撑施工根据本工程浅坑地下室所处环境条件,支撑系统采用“钢筋混凝土支撑与钢管支撑”两者相结合的施工方法,同时,基坑开挖施工中将采取一系列环境保护措施和优化施工工序,以达到安全、快速、优质的目标。6.3.1钢混凝土支撑与钢支撑布置与要求本浅坑地下室面积约5870m2,开挖深度4.90m,土方量约28763m3。控制基坑变形最有效的方法就是及时可靠地加设支撑系统和支撑系统施加预应力,挖土和支撑是两项不可分离的工作,挖土的成败取决于支撑的施工,支撑加设的是否及时,直接影响到挖土的进度,二者相辅相成,施工方案必须同时考虑,缺一不可。本工程支撑系统具体为:在基坑南北局部采用一道钢筋混凝土角支撑,混凝土强度等级C30。设立柱桩16根,其中13根利用工程桩,插入钢格构柱,3根临时立柱桩在工程桩施工时完成。在靠近长沙路侧采用φ609mm钢管做斜撑,钢管斜撑上端固定在围护结构上,下端支撑在中部先期浇好的底板牛腿上(图2)。6.1围护结构施工6.1.1基坑围护结构浅基坑与深基坑相邻的中隔墙采用厚度1000mm的地下连续墙,每幅宽度6m,埋深31m,作为深、浅基坑共用的围护结构,为防止该部位地下连续墙在成槽过程中产生槽壁坍塌现象,而影响正在运行的地铁1号线,为此在地下连续墙两侧用SMW水泥搅拌桩加固。浅坑其余三面的围护结构均采用φ850mmSMW工法桩进行基坑围护,凤阳路、牯岭路侧地铁隧道正上方采用双排φ850mmSMW工法桩围护,桩长为7.5m,内侧一排满插型钢,外侧隔一插一,型钢(尺寸:700×300×13×24)长度为7.5m。其他位置桩长11.5m,内插H型钢,长度为11.5m,在②轴以西部位隔一插二,2轴以东部位满插H型钢。6.1.2地下连续墙段连接地下连续墙无论采用何种接头形式,都需解决接头处的地下水渗漏问题。渗水、甚至墙后细砂、泥向坑内流入,都会影响基坑开挖,并且水土流失产生地层土体变形对周围环境保护极为不利。本工程地下墙接头形式为凹形接头。6.1.3地下连续墙清底和墙趾注浆为控制连续墙本身的竖向沉降量,严格控制连续墙清理质量,并在连续墙混凝土大于设计强度70%后进行墙趾注浆。在每幅地下墙内布置2根压浆管,插入深度与注浆范围为墙底下1m。6.2隧道两侧及坑内加固6.2.1基本操作要点对基坑内土体满堂加固是为了加强土体强度以改善隧道周边土体的物理力学性能,增强其抵抗变形的能力。基坑内土体加固采用三轴搅拌桩,直径为850mm,三轴中心距离600mm,搭接长度250mm,水灰比为0.5。加固深度范围内水泥掺量不小于20%(即每立方米加固土的水泥用量为360kg),加固深度范围以上水泥掺量不小于10%,加固土体28d龄期水泥土无侧限抗压强度≥1.5MPa。加固深度为坑底以下2.5m及以上3.5m,其中隧道保护区以外2.5m范围内为坑底以下13.5m(具体坑内加固详见图1)。2008年7月出版·517· 说明:A、C分块为暗梁,B分块为承台。Ⅰ区为地铁隧道上行线部位,Ⅱ区为地铁隧道下行线部位。图3基坑隧道上方底板分块示意图第7期7/2008何国建、丁铁华、周峰:在运营地铁隧道正上方的深基坑土方开挖施工技术6.3.2围檩及支撑施工顺序及方法在第一层土方开挖完成后,开始围檩及支撑施工。Ⅰ、Ⅱ区分块上层底板一次性浇注,同时施工φ609mm钢支撑牛腿。待钢支撑牛腿混凝土强度达到设计要求后,再分块开挖Ⅲ区钢支撑位置的土方,穿插安装钢支撑。施工流程为:基坑面层土方开挖→围檩、支撑底模铺设→钢筋制作安装→侧模安装→验收浇混凝土→拆模清理。6.3.3钢混凝土围檩及支撑梁施工根据实际施工场地的限制,考虑到二个工地大门出入口的错位临时封闭,优化施工方案,把围檩梁和支撑梁施工划分为2个区域,即以南北分界,把南面划为Ⅰ区,北面划为Ⅱ区,依次按由Ⅰ区向Ⅱ区施工。(1)支撑梁部位的土方由挖机挖至支撑梁底标高以上200mm,再由人工修平。(2)围檩梁部位的土方由于H型钢受阻,需全部由人工挖土、修土。(3)为以后便于拔出H型钢,在土方开挖完成后,把伸入围檩梁部位的H型钢用泡沫板保护,使H型钢与围檩梁起到隔离作用。6.3.4钢管支撑施工浅基坑长沙路侧一边中部采用φ609mm×14钢管支撑(7套)。待Ⅰ、Ⅱ区分块底板和上部的牛腿支座全部施工完成后,开始开挖Ⅲ区土方,具体操作为:根据设计单位与地铁部门所审批的底板分块施工图,先进行首层土方开挖,在二层土方开挖之前,按设计规定需要设置的钢支撑部位先进行土方开槽,逐根安装钢支撑,安装时垂直运输由塔吊配合,吊装,人工焊接安装,φ609mm钢管上端支撑在围檩梁上,下端支撑在底板中间部位先浇筑好的牛腿钢筋混凝土支座上,施加预应力(300kN)后,焊接完成安装。原则分成一个或多个区;各区再进一步按照宽度3~4m左右的原则分块,随挖随浇混凝土,各参数需要根据监测结果及时调整。(2)土方与底板分块情况:根据专家反复论证,并由地铁公司同意的施工方案为:将两条地铁隧道(上下行线)正上方底板各分成27分块(图4)。根据地铁公司规定的施工时间(地铁隧道正上方两侧施工时间为10:00~第二天5:00,地铁隧道正上方施工时间为22:00~第二天5:00),安排各道工序的施工时间(表1),严格按照地铁公司要求圆满完成浅基坑底板工程。表1隧道正上方底板分块各工序施工时间安排表6.4土方开挖和底板施工6.4.1基本操作要点严格执行开挖程序,第一层挖土必须在加固土体强度达到设计强度后,方可开始挖土,第二层土方开挖必须严格执行“分区、分层、分块、限时”的“时空效应”原理,随挖随施工垫层及底板,并及时加载。为了使地铁隧道及下卧土层在基坑施工过程中产生的卸载附加应力场分布均匀,更好地控制土体回弹变形和隧道位移,根据“时空效应”原理,在施工工艺和施工参数上采用先中间后四周的盆式挖土方式,做到“分区、分层、分块、对称、平衡、限时”挖土支撑。基坑施工顺序、分块土体开挖的深度和面积、分块土体开挖中心到隧道的距离、基坑的放置时间等都是影响土体回弹和隧道变形的重要因素。6.4.2施工操作要点(1)土方与底板分块原则:根据隧道所处位置,地铁保护区外为一个区,此部位按常规方法施工,不受地铁限制;将隧道上方区域根据影响范围大小,与隧道轴线平行按照20m(3)地铁正上方开挖留土宽度不小于4h(h为单层土体开挖层厚),增加基坑内近地铁侧区域内被动土体的保留时间以控制墙体位移。(4)土方开挖完成后,必须迅速进行吊装绑扎成形的钢筋笼,以便及时浇捣混凝土。6.5底板浇筑完成后进行等效荷载回压根据设计要求并经地铁公司同意,地铁下行线上方Ⅱ、C、B区挖至坑底后,铺设高强度模板(经设计及地铁公司同意,混凝土垫层取消改为竹胶合模板),每施工段限时浇筑底板,混凝土初凝后压载2t/m2第二天再堆载2t/m2,待完成±0.00标高以下主体结构后再卸载2t/m2,待上部结构施工完二层后再卸载2t/m2。堆载可以部分抵消挖土所引起的卸荷效应,减少隧道的回弹变形量。堆载量为挖除土方的等效荷载,加载范围为各底板在地铁隧道上方的区域,堆载持续到·518·《建筑施工》第30卷序号各道工序名称开始至结束时间计划用时1第一层土方开挖(包括A-1,B-1,Ⅰ-Ⅰ)10:00~11:301.5h2暗梁(JL2)土方开挖(凿桩、测桩穿插),(即A区为TL2)11:30~15:304h3暗梁修桩、调桩钢筋、铺底模15:30~17:001.5h4暗梁底筋、箍筋绑扎,侧模安装17:00~24:007h5承台土方开挖(凿桩、测桩穿插)11:30~16:004.5h6承台修桩、调桩钢筋、铺底模16:00~17:301.5h7承台底筋绑扎、侧模安装17:30~22:004.5h8地铁隧道正上方分块土方开挖22:00~1:003h9地铁隧道正上方分块铺泡沫板1:00~1:300.5h10(钢构梁)、承台、暗梁底板面筋、吊装拼装、施工缝模板安装1:30~3:302h11浇混凝土3:30~5:001.5h 图4堆载混凝土块制作隧道沉降点(SCJ1～31)、(XCJ1～31),间距5m图5地铁1号线监测点布置图图6浅坑开挖期间地铁1号线上行线隧道沉降曲线图图7浅坑开挖期间地铁1号线下行线隧道沉降曲线图7/2008第7期何国建、丁铁华、周峰:在运营地铁隧道正上方的深基坑土方开挖施工技术底板混凝土达到设计强度完毕。施工前根据设计要求选用四种材料(沙包、加固土、钢锭、混凝土预制块)进行费用和可行性的对比,最后确定混凝土预制块为堆载材料。按设计要求现场预制,分二层堆载,一层一块,每块重量为2t(图4)。在实际施工中,第Ⅰ-1、2、3分块进行了堆载,由于严格按照地铁公司要求施工,经监测单位多次监测地铁隧道回弹量均在控制范围内。考虑到本基坑范围内的地铁隧道在建成后的运行过程中已有较大沉降,本基坑施工时挖土卸载导致的地铁隧道隆起可抵消原有的部分沉降量,总体上对本区间的地铁运行有利,经过各方面慎重研究决定取消回压。测人员随时进行跟踪监测(见图5),其中地铁1号上行线最大变形量SCJ19监测点数据为4.72mm(cx1)(图6),下行线最大变形量SCJ20监测点数据为8.52mm(cx1)(图7),其次为SCJ19数据为8.48mm(cx1),所有监测点未达到报警值,并且在变化过程中比较平稳,没有突变现象发生。7地铁隧道上行线因原沉降而采取的回弹措施地铁隧道上行线在本工程施工之前,由于其种种原因该隧道沉降变形过大,为使其有适当回弹以保持隧道的正常线型,决定在施工地铁隧道上行线正上方部位基础底板底部铺设(EPS)泡沫板,以使隧道的沉降有所回弹。泡沫板选材需试验确定。根据地铁公司要求,我们和设计单位协商委托上海同济岩土建筑实业有限公司分别进行了20kg/m3、18kg/m3板材的短时压缩试验,并在此基础上确定进行15kg/m3、12kg/m3、10kg/m3压缩蠕变试验,最后由设计院确定并征得地铁公司同意确定为:上行线上方区域Ⅰ区在挖至坑底后铺设100厚10kg/m3胜柏EPS泡沫板,再上铺18mm厚高强度复合模板,底板分块限时浇筑后不堆载。8环境监护和施工监测9结语实践证明,按照时空效应的理论和设计方法,基坑工程在各施工区域开挖过程中,因土方卸载向上隆起,带动土体中的隧道上抬变形量已基本符合设计预测值。但由于地质条件、荷载条件、材料性质、施工条件和外界其它因素,很难单纯从理论上预测工程中可能遇到的问题,再加上本工程特定的地理位置,需保护地铁1号线的正常运行,为确保优质、安全、经济完成本工程,有计划进行现场监测十分必要。同时,利用监测数据进行反分析,从而摸索一整套优化施工参数、控制基坑变形和保护周围环境的信息化施工技术。(1)隧道上方基坑从围护结构施工至底板混凝土浇筑完毕并达到设计强度后,对应运营隧道内局部监测点的最大累计隆起量为8.52mm,满足地铁保护要求,未影响隧道结构和运营安全。(2)在运营隧道正上方的基坑工程一直被工程界视为“禁区”,本技术的成功突破了这一技术“禁区”。使运营隧道正上方土地得到充分利用,节约了国家日益紧张的土地资源,为投资者增加了使用面积。(3)基坑内采取降水加固、SMW工法桩加固和旋喷桩加固,对维持基坑稳定和控制隧道隆起变形具有良好的效果。(4)施工过程以理论为指导,以施工过程中的量测监控为依据,通过完善的监控系统,获得动态的施工信息,有效地指导施工、优化和调整施工参数。本技术的成功具有推广应用价值,可为类似工程的实施提供借鉴。针对本工程实际情况出发,地铁1号线区间隧道是本监测的重点,在整个基坑施工过程中,项目部严格执行挖土专项施工方案,严格执行“分区、分块、限时”施工原则,为确保1号运营地铁隧道的安全,在晚上22:00地铁停运之后至次日5:00地铁运营开始时间段内,加快了各道工序的施工,缩短了基坑的暴露时间,从挖土开始到混凝土浇筑完成,监2008年7月出版·519·'