軟土逆作施工技術關鍵及對環境影響的探討 ———以上海軌道交通Ｒ4線東安路站為背景摘 要:以軌道交通Ｒ4線東安路車站逆作法施工為背景,介紹了軟土逆作法施工中,調整支撐布置,采用全機械化挖土的方法,介紹了逆作法施工技術關鍵節點的處理方法,通過信息化監測,探討了逆作法施工對基坑周圍環境的影響。關鍵詞:軟土逆作法;全機械化挖土;支撐;環境1工程概況 東安路車站坐落于零陵路,呈東西向穿越東安路。車站外包總長214.8ｍ,東西兩端各設置端頭井,中間設有換乘段。車站除換乘段為三層外,其余均為二層結構。標準段開挖深度14.87ｍ,換乘段開挖深度21.64ｍ。東西端頭井開挖深度分別為16.68ｍ、16.26ｍ。基坑設計采用800ｍｍ厚地下連續墻作為圍護,標準段地連墻深27ｍ,端頭井地連墻深29ｍ,換乘段地連墻深38ｍ。土體加固采用深層攪拌樁,支撐體系采用Φ609鋼支撐,底板下的Φ1200鉆孔灌注樁深75ｍ,樁內的Ｈ400型鋼作為逆作法施工時結構荷載的支撐柱。2周邊環境 車站周邊環境復雜,東安路零陵路口的兩幢高層建筑的裙房已局部侵入施工用地范圍,腫瘤醫院淺埋基礎的放射治療室距地連墻僅1.2ｍ,其直線加速器機房地下室底板距地下連續墻僅0.64ｍ,根據腫瘤醫院提供的資料,其直線加速器的水平傾斜度應不超過0.4ｍｍ/ｍ,即1/2500(即差異沉降不得超過8ｍｍ)。東端頭井距在建的有機所大樓圍護僅0.5ｍ,西端頭井與環保局大樓相距2ｍ,而且這2ｍ范圍內有上下水管、煤氣管和高壓電纜。 鑒于上述工程周邊環境情況,施工方選擇了在東安路車站采用全逆作法施工,同時為保證進度和安全,挖土采用機械化挖土。設計確定本工程基坑保護等級為一級,要求墻頂水平位移≤1%ｈ,墻體最大水平位移≤1.4%ｈ,坑外最大地表沉降≤1%ｈ(ｈ為基坑開挖深度)。3地質情況 地基土自上而下為第①-1層填土;第②-1層褐黃色粘土;第②-2層灰黃色粉質粘土;第③層灰色淤泥質粉質粘土;第④-1層灰色淤泥質粘土;第④-2層灰色淤泥質粉質粘土(粘砂互層);第⑤-1-1層灰色粘土;第⑤-1-2層灰色粉質粘土;第⑤-3層灰色粉質粘土;第⑤-4層灰綠色粉質粘土;第⑦-1層灰綠粘質粉土;第⑦-2層青灰色-草黃色粉細砂。 基底位于④-1淤泥質粘土層(標準段)⑤-1-1粘土層及⑤-1-2粉質粘土層中(換乘段),地下墻墻趾位于⑤-1-2及⑤-3粉質粘土層中。4 逆作法施工關鍵節點處理方法4.1中間立柱 中間立柱是在逆作法施工期間,在底板尚未澆筑之前與地下連續墻共同承受地下各層結構自重和施工荷載的最主要的受力構件之一,亦是施工中的一大難點。立柱按壓彎構件計算,要求定位精度高,允許最大偏心距為±30ｍｍ,垂直度偏差≤1/600。樁基采用鉆孔灌注樁,鉆深70～80ｍ至⑦-2持力層內,垂直度控制在1/400～1/800之間,水下混凝土灌注充盈系數為1.07～1.10。 Ｈ型鋼柱長21ｍ,在頂中底板底部位置預留腰孔,以便固定梁的牛腿剪力板塊,在逆作結構板主筋位置也預留腰孔,讓板筋通過其接續,在柱底錨固段內開有橢圓孔,以強化柱和樁的連接。鋼柱依托格構柱作其導向架置入,格構柱斷面為450×450ｍｍ,長16ｍ,上下四外側有氣囊,由斜傳感器連接電腦終端,通過對進出氣量的控制調節格構柱的垂直度在1%。 澆入灌注樁的混凝土初凝前,沿導向格構柱垂直插入Ｈ型鋼柱,埋入混凝土2ｍ以上錨固,準確核對柱頂標高和軸線位置后,固定于孔口井字托梁上,上部孔內回填素土。 基坑開挖后,鋼柱的平面位移極小,垂直度良好,高程位置符合使用范圍。4.2 梁柱節點處理 (1)后澆樓板和底板梁的鋼筋,穿越Ｈ型鋼預留腰孔,承受節點彎距。在頂板和中板底處的鋼柱上,螺栓固定的鋼牛腿和底板內焊入的剪力鍵,可以將剪力有效地傳給鋼柱和核心混凝土。 (2)當挖土到頂板底將出露的Ｈ型鋼柱割除, 焊入帶錨筋的封頭鋼板,頂板梁筋穿入錨筋內,澆注混凝土完成梁與柱節點的處理。當后澆結構柱的插筋從底板逐節升到頂板梁后,要分別進行下一、下二、下三層的后澆注柱混凝土澆注,均從先期板層上預留澆注孔,緩慢澆注混凝土,要防止梁柱接頭不密實影響剪力向支座的傳遞,對脫空縫隙進行ＪＧＮ建筑結構粘合劑填充。4.3 調整支撐布置,逆作法施工采用全機械化挖土4.3.1 調整支撐布置,全機械化挖土 (1)逆作法設計圖紙中共有四道支撐,支撐的垂直間距只有0.9ｍ至2ｍ,如果要在逆作法施工中采用機械挖土,則支撐的垂直間距必須大于2.8ｍ。經驗算表明,改為三道支撐后,最大理論墻體位移為27.3ｍｍ,能夠滿足周邊環境保護要求。 (2)中板施工時于-2.7ｍ設一道支撐,底板施工時于-7.6ｍ設一道支撐,頂板至第二道支撐的凈距變為2.87ｍ,中板至第三道支撐的凈距變為3.2ｍ,第三道支撐至底板墊層底的凈距變為3.12ｍ,能夠滿足機械挖土的要求。4.3.2 土方開挖 設置首道支撐,在中部抽槽挖方,然后挖余土,施工頂板時預留取土口。下挖中板和底板土方時,仍然從取土口向下,逐層由島心橫向擴展,盆式挖土到結構標高,再逐塊挖去1-2ｍ的裙邊坡土,邊挖邊及時架設第2-4道支撐。 取土口是逆作施工中的垂直運輸通道,若設置過多會削弱結構板的支撐作用同時增加頂板的滲水機會,本工程在頂板上共設3個取土口(4×8ｍ)。4.4 防水處理 (1)地墻幅間縫的防水采用十字鋼板剛性接頭,先澆幅止水板寬150ｍｍ,后澆幅為250ｍｍ,用刷壁器刷洗干凈不附泥土才澆筑混凝土。 (2)車站頂板、上翻梁及地墻上翻0.5ｍ內,用濕克威防水材三度涂刷,厚2ｍｍ以上。再用油氈和15ｃｍ厚素混凝土保護層組成,頂板未見有滲水。 (3)底板裂縫和誘導縫滲水處,均用聚氨酯多次反復的注壓后得以堵漏。4.5 地基加固技術 原設計采用深層攪拌樁進行坑內土體加固,按基坑橫向格柵布置(適用順作法開挖)。逆作法施工中,要先在取土口間挖掘先行通道,將橫向跨中兩側的加固土體挖取,起不到加固土體的超前支撐作用。為此把土體加固形式改為裙邊式布置,提高基坑穩定性,又方便挖土施工,提高作業工效。4.6 鋼支撐施加預應力 (1)及時完成支撐對控制基坑變形至關重要,為減少墻體位移,安裝時需施加預應力,彌補壓應力的損失,順作法挖方上撐施加的預應力,通常是設計軸力的70～80%,本工程逆作法施工時,施加的預應力是設計值的50%左右。 (2)全逆作法產生的框架構筑物具有巨大的剛性,能有效控制墻體受壓變形,實測墻位移量小,垂直沉降量小。5 信息化施工,分析逆作法對周邊環境的影響5.1 圍護墻體水平位移變化 (1)端頭井及標準段的地連墻墻體最終水平位移量經實測均小于設計控制要求。 (2)位移與挖深的最終比值,最小為0.048%,最大為0.205%,平均為0.095%,挖深到頂板、中板和底板時,該比值均小于0.4%的設計要求。 (3)端頭井內襯墻澆注后墻體位移基本趨于穩定,但標準段頂板覆土后墻體仍有微小位移量,趨于穩定時間較端頭井長,可見有無內襯墻結構,對位移的穩定有一定影響。 (4)當墻頂位移量是墻趾的1～2倍時,墻體的位移量均處于8～9ｍｍ內,但當墻趾位移量是墻頂的1～3倍時,墻體的位移量均處于18～30ｍｍ內,因此減少墻頂位移(把第一道支撐盡量提高)和加固被動區提高被動土壓力可以減小墻體的位移。 (5)當頂板、中板和梁柱連系的剛性框架結構形成后,具有巨大的抗衡能力以消除或減小墻體的位移;加以攪拌樁加固坑底的阻力,得以有效控制位移,揭示了一種時空效應現象。5.2 支撐軸力變化 (1)逆作法施工具有良好的剛度,沒有使支撐增加軸力,支撐體系處在安全可靠的狀態中。 (2)端頭井均以斜支撐施工,其3、4道的最大支撐軸力平均為1660ｋＮ左右,而標準段第3道的最大支撐軸力平均只有800ｋＮ左右,支撐形式和部位不同,軸力有明顯的差異。5.3 逆作法施工對地表沉降的大致影響 沉降與挖深的最終比值平均為0.139%,距坑10ｍ內的地表。當基坑挖深3～4ｍ后,該比值均大于最大值0.2%的要求,挖深增大到8～9ｍ后,比值反而減少到0.2%以下;說明近距離的地表變形,在開始階段發展較快,但趨于穩定的時間也較快。地表沉降在主體結構完成、頂板回填后,再延續2個月,即可趨向收斂之中。5.4類似工程監測數據比較 表1為類似工程監測數據的對比。可看出本車站的支撐軸力、墻體變形、地表沉降等均較小,也說明充分利用逆作法有可能使地墻入土深度縮小的可能。
6 結語 (1)采用逆作法建造了位于軟土地基的東安路地鐵車站,首次把全機械化挖土引入到逆作法施工,成功解決了以往逆作法施工中因為人工挖土而導致施工進度緩慢的難題,使得逆作法的優點得到充分發揮,也很好地體現和應用了“時空效應”的理論。為今后逆作法的推廣應用打下扎實的基礎。 (2)監測表明在基坑正常施工條件下,圍護結構的水平變形,基本控制在10～20ｍｍ內,澆三板后支撐軸力有下降趨勢,對周圍環境變形影響較小,隨三板結構及回填的完成,所有監測對象的變化基本趨向穩定。 (3)由取土口向下,逐層沿中軸線抽槽開挖坑道,吊入支撐及時架設,支撐下層應有3ｍ凈空才能實現全機械挖土,充分發揮時空效應。 (4)在軟土層深基坑采用逆作法施工,能有效減少圍護墻體側向變形引起坑外土體的沉降,對環境保護的安全性顯而易見,結構設計對支撐間距的布置要突破傳統思路,使全機械化操作得以在挖土、出土、架設等方面具有綜合優勢。參考文獻:[1]夏明躍,曾世倫 地下工程設計施工手冊[Ｍ].北京:中國建筑工業出版社,1999[2]劉建航,侯學淵 基坑工程手冊[Ｍ].北京:中國建筑工業出版社,1997
6 結語 (1)采用逆作法建造了位于軟土地基的東安路地鐵車站,首次把全機械化挖土引入到逆作法施工,成功解決了以往逆作法施工中因為人工挖土而導致施工進度緩慢的難題,使得逆作法的優點得到充分發揮,也很好地體現和應用了“時空效應”的理論。為今后逆作法的推廣應用打下扎實的基礎。 (2)監測表明在基坑正常施工條件下,圍護結構的水平變形,基本控制在10～20ｍｍ內,澆三板后支撐軸力有下降趨勢,對周圍環境變形影響較小,隨三板結構及回填的完成,所有監測對象的變化基本趨向穩定。 (3)由取土口向下,逐層沿中軸線抽槽開挖坑道,吊入支撐及時架設,支撐下層應有3ｍ凈空才能實現全機械挖土,充分發揮時空效應。 (4)在軟土層深基坑采用逆作法施工,能有效減少圍護墻體側向變形引起坑外土體的沉降,對環境保護的安全性顯而易見,結構設計對支撐間距的布置要突破傳統思路,使全機械化操作得以在挖土、出土、架設等方面具有綜合優勢。參考文獻:[1]夏明躍,曾世倫 地下工程設計施工手冊[Ｍ].北京:中國建筑工業出版社,1999[2]劉建航,侯學淵 基坑工程手冊[Ｍ].北京:中國建筑工業出版社,1997
