宏伊大廈裙房施工與地鐵2號線河南中路站風井改造[摘要]介紹某施建于地鐵上方的建筑的施工難點和特點,并對施工過程及其監測結果進行了詳細的介紹,為類似工程提供經驗。[關鍵詞]地鐵;改造;施工技術;監測 上海宏伊大廈工程地處南京路步行街東端,其平面如圖1所示。規劃紅線范圍中北側包含了地鐵2號線河南中路站的3號出入口、風機房、風井結構。本工程中裙房在原風機房上部建造鋼結構與主體結構連接,如圖2所示。因鋼結構直接“蹲”在地鐵風機房上部,故如何有效地控制地下結構沉降成為施工中的重點。
1 工程難點和特點(1) 緊靠地鐵,施工要求高 地鐵2號線河南中路站是從浦東到浦西的第1站,保護等級為特級,地鐵公司給的控制指標為:地鐵結構最終絕對沉降、隆起及水平位移量<5ｍｍ;施工引起的結構變形<0.5ｍｍ/ｄ。(2)新結構的改造需確保風機房的正常功能 地鐵2號線河南中路站建成于1999年,新結構所覆蓋范圍為車站新風井、排風井及事故風井,其承擔了地下車站主要的通風換氣功能。宏伊大廈工程裙房有小部分位于地鐵風機房上部。其地下部分為地鐵物業用房,其中包括風機設備房、消聲設備等,地上部分為2個風井,其中北側較大風井為新風井及事故風井。改造工程范圍平面覆蓋整個紅線以內,立面中涉及地鐵頂板以上所有覆土挖除、風井鑿除等工作。地鐵公司要求,施工過程中不得有雨水、塵土、物體等進入風機房內部,以免危害設備正常運行。(3)大體積土體卸載帶來地下風機房結構上浮的風險 經過對地鐵2號線河南中路車站部分圖紙的研究發現:地下風機房結構無樁基,結構屬于抗浮箱體設計。地下2層,埋深約14ｍ,底板厚1.8ｍ。 經圖紙研究及現場勘察,在地鐵下部結構頂板上平均覆土1.8ｍ,挖土面積約508ｍ2。經計算挖除覆土約1650ｔ,若一次性挖除,將對地下結構產生較大的不均勻沉降。(4) 限時開挖和基礎梁限時施工要求高 土方開挖采用分區分塊,并和鋼筋混凝土基礎梁穿插結合施工。地鐵公司要求,挖除覆土后結構頂板不得長時間暴露在外,基礎梁限時48ｈ內完成。因場地位置特殊,混凝土澆搗難度大。基礎梁施工完畢之后要求立即回填砂袋以保持土體平衡,模板、支撐先埋在砂土中,對后續施工帶來麻煩。(5)上部鋼結構加載過程中須保持基礎(風機房)的平衡受力狀態不受影響 在上部結構施工過程中,為保持基礎所受荷載基本不變,需要同步卸載減壓。以達到施工過程中加減荷載的平衡,保證地下結構安全。鋼結構施工過程中,鋼柱、鋼梁安裝需考慮到臨時的集中荷載對下部結構產生的作用力,因此要避免集中方向安裝。2 施工指導原則2.1 信息化施工,掌握變形數據 地鐵公司所要求的0.5ｍｍ/ｄ之內的變化控制量對于普通的建筑工程來說是近乎苛刻的要求。三、四等水準測量儀的允許誤差就已經是0.5ｍｍ的6倍之多,根本無法測得準確而又細微的沉降變化。因此我們使用一級精密水準儀進行1天2次以上沉降觀測,將數據進行整理分析,以指導下一步的施工。2.2 施工不能影響地鐵正常工作 風井作為貫穿地上地下的結構部分,在改造過程中將鑿除其上部圓筒形鋼筋混凝土結構墻,并將原先2個風井(新風風井和事故風井合并在同一風井,但通風管路不同)改造成為新風、排風、事故3個各自獨立的風井。 為保證地鐵車站通風量及其質量,我們在施工中與地鐵公司進行充分的溝通,采取夜間施工。待每日末班車駛離之后開始施工,次日首班車之前30ｍｉｎ收工,并清除垃圾。確保施工過程中不影響地鐵的使用。 鑿除采用由內而外的鑿除方式,在風井內部用槽鋼梁挑腳手架,從圓筒內部向外鑿除,以防止磚、混凝土碎塊掉落到風機房內部造成設備損壞。 待風井上部結構鑿除后,新風井結構按設計圖暫時用空心磚砌至一定高度。2.3分區施工,集中人力速戰速決 對土方開挖及基礎梁施工進行分區設置,結合變形觀測數據合理安排工作量。事先按照挖土量、復雜程度并考慮最佳施工線路,將整個施工區域分為4個區塊。 由具有長年結構施工經驗的人員施工,挖土與基礎梁施工穿插進行。確保基礎梁從挖土、上排架、支模、鋼筋籠制作到完成混凝土澆搗時間不超過48ｈ。 按計算,新建鋼筋混凝土基礎梁的重量與被挖除覆土重量尚有一定差距,必須在基礎梁完成后,及時回填砂袋,以保持結構受力平衡,并適當加壓為下一分區施工創造條件。2.4結構施工,邊造邊挖 為減小上部荷載,裙房此部位設計為6層鋼結構,樓板為壓型鋼板加配筋陶粒混凝土。施工前經過詳細計算,結構荷載約為15500ｋＮ,折算每層約2600ｋＮ。原覆土重量按照平均1.8ｍ深,508ｍ2約為16500ｋＮ。結構施工是一個逐步加載的過程,為達到荷載平衡,必須在上部結構施工過程中同步挖除基礎梁下方后加載的砂袋等。3 施工方案3.1設置測量方案 對于地下結構沉降測量,我部專門制訂相適應的測量方案,由富有地鐵監測經驗的專業分包進行。 沉降監測點設置于地下風機房內,每根立柱均設1點,共19點。開工前兩周開始進行初始沉降觀測,以了解常規狀態下的沉降變化。 改建施工開始后,監測頻度增加。形成日報表、周報表、月報表。施工進程根據報表提示隨時采取相應變更。3.2分區施工設置 因地下情況復雜,優先考慮在風井處(整個施工區域東側)施工,西邊的基礎梁稍后進行。因為3個風井處的覆土較少,而且從結構圖看,有1根主要的基礎梁由南向北穿過風井,并影響到其他主要梁的成型,應先完成。先完成風井處,一方面可盡量減小風機房上部的卸載,另一方面也可在以后施工中有效防止對風井的影響。因此,總體上將施工區域分為4區塊,東邊按照順序1→2→3區域先施工,西邊4區后開挖。3.3風井施工 風井的結構改造分2次完成,在基礎梁施工階段先完成地下部分及地上2～3ｍ高度內的磚混結構;待上部鋼結構完成后,繼續進行并最終形成完整的結構。基礎梁施工階段,可在風井出地面的部分上方暫時做出通風口、設臨時屋蓋。3.4風井保護措施 在風井打鑿和改造中,在風井內外搭設防護架、腳手架,上部用彩鋼板設置臨時屋蓋,既保證進出風通暢,又防止雨水侵入。并在坑內和風機房內砌筑一些擋水墻,達到防水、防墜物的作用。另在風井洞口上滿蓋50ｍｍ×50ｍｍ網眼鋼板網,防止異物進入風井。3.5基礎梁施工 根據結構設計圖中梁的布置,以及有關結構施工規范,將基礎梁按次序編號,依次施工。原則上先完成主梁,后完成次梁,減少施工縫,保證主梁的完整性。3.64號區塊開槽挖土基礎梁施工 西側基礎梁施工時采取開槽挖土的方法,按基礎梁的高度確定挖土的深度,基礎梁完成后宜回填砂袋和覆土。3.7新樓板暫緩施工,作為取土口 新結構底層樓板暫緩施工,相應部位預留插筋。在上部鋼結構施工時,每完成一層,便挖除一定厚度的覆土或取出一定量的砂袋,維持風機房受力平衡。在覆土全部挖出、做好防水工程后再施工封閉。3.8合理安排鋼結構施工,避免集中荷載 在鋼結構施工的同時進行挖土卸載施工,但是還應避免鋼柱安裝出現集中在一邊的情況。施工過程中合理安排鋼柱鋼梁施工順序,從角到邊均布加載。4 實施效果4.1基坑開挖前期施工對地鐵風井監測數據分析 基坑開挖前經歷了4個施工階段(基坑圍護、工程樁、加固、預降水),施工對地鐵風井產生的影響如圖3所示。由圖3可見,風井變形呈隆起趨勢,根據現場工況分析,本階段鉆孔灌注樁施工與圍護連續墻接縫加固同時進行施工,由于加固施工注漿壓力比較大,周邊土層受到高壓旋噴破壞,風井呈明顯隆起趨勢,最大隆起點如Ｆ17,最大累計隆起量達4.6ｍｍ,該風井變化較為均勻,臨近測點差異沉降量不大,且變形曲線較為平緩,無突變等情況。4.2基坑開挖施工對地鐵風井監測數據分析 從圖4可以看出,地下風井結構沉降較為均勻。累計量較大的Ｆ11點最大隆起量超過6.4ｍｍ。從圖中還可看出,地下風井結構隆起趨勢為,從基坑開挖前期就有隆起現象。根據工況分析原因,開挖初期,風井結構因受土層變形摩擦,局部呈隆起狀;隨著基坑內土方的大量卸載,土體壓力的釋放和土體應力場的改變,風井結構最終表現為較明顯的隆起趨勢。據實際分析,一般開挖至2、3層土時,風井結構隆起達到峰值,此后逐步有沉降趨勢。4.3風井結構施工階段監測數據分析 從圖5可以看出,地下風井結構沉降較為均勻。累計量較大的Ｆ11點最大隆起量超過6.2ｍｍ。從圖5還可看出,地下風井結構變化趨勢為,隨著地上風井結構的不斷增加,地下風井結構不斷表現為下沉趨勢。根據工況分析原因,地上風井結構不斷增加,給地下結構帶來的荷載也越來越大,最終地下風井表現為輕微沉降趨勢。本階段風井變化較為均勻,臨近測點差異沉降量不大,無突變等情況。5結語 在運營地鐵風機房上部進行結構改建施工及新建結構施工,為嚴格控制建筑物沉降變形,保證地鐵安全營運,采取分區施工、高精度高密度的變形觀測、有效控制加減荷載量等施工控制手段,取得了良好的效果,可以為上海類似工程提供借鑒。
1 工程難點和特點(1) 緊靠地鐵,施工要求高 地鐵2號線河南中路站是從浦東到浦西的第1站,保護等級為特級,地鐵公司給的控制指標為:地鐵結構最終絕對沉降、隆起及水平位移量<5ｍｍ;施工引起的結構變形<0.5ｍｍ/ｄ。(2)新結構的改造需確保風機房的正常功能 地鐵2號線河南中路站建成于1999年,新結構所覆蓋范圍為車站新風井、排風井及事故風井,其承擔了地下車站主要的通風換氣功能。宏伊大廈工程裙房有小部分位于地鐵風機房上部。其地下部分為地鐵物業用房,其中包括風機設備房、消聲設備等,地上部分為2個風井,其中北側較大風井為新風井及事故風井。改造工程范圍平面覆蓋整個紅線以內,立面中涉及地鐵頂板以上所有覆土挖除、風井鑿除等工作。地鐵公司要求,施工過程中不得有雨水、塵土、物體等進入風機房內部,以免危害設備正常運行。(3)大體積土體卸載帶來地下風機房結構上浮的風險 經過對地鐵2號線河南中路車站部分圖紙的研究發現:地下風機房結構無樁基,結構屬于抗浮箱體設計。地下2層,埋深約14ｍ,底板厚1.8ｍ。 經圖紙研究及現場勘察,在地鐵下部結構頂板上平均覆土1.8ｍ,挖土面積約508ｍ2。經計算挖除覆土約1650ｔ,若一次性挖除,將對地下結構產生較大的不均勻沉降。(4) 限時開挖和基礎梁限時施工要求高 土方開挖采用分區分塊,并和鋼筋混凝土基礎梁穿插結合施工。地鐵公司要求,挖除覆土后結構頂板不得長時間暴露在外,基礎梁限時48ｈ內完成。因場地位置特殊,混凝土澆搗難度大。基礎梁施工完畢之后要求立即回填砂袋以保持土體平衡,模板、支撐先埋在砂土中,對后續施工帶來麻煩。(5)上部鋼結構加載過程中須保持基礎(風機房)的平衡受力狀態不受影響 在上部結構施工過程中,為保持基礎所受荷載基本不變,需要同步卸載減壓。以達到施工過程中加減荷載的平衡,保證地下結構安全。鋼結構施工過程中,鋼柱、鋼梁安裝需考慮到臨時的集中荷載對下部結構產生的作用力,因此要避免集中方向安裝。2 施工指導原則2.1 信息化施工,掌握變形數據 地鐵公司所要求的0.5ｍｍ/ｄ之內的變化控制量對于普通的建筑工程來說是近乎苛刻的要求。三、四等水準測量儀的允許誤差就已經是0.5ｍｍ的6倍之多,根本無法測得準確而又細微的沉降變化。因此我們使用一級精密水準儀進行1天2次以上沉降觀測,將數據進行整理分析,以指導下一步的施工。2.2 施工不能影響地鐵正常工作 風井作為貫穿地上地下的結構部分,在改造過程中將鑿除其上部圓筒形鋼筋混凝土結構墻,并將原先2個風井(新風風井和事故風井合并在同一風井,但通風管路不同)改造成為新風、排風、事故3個各自獨立的風井。 為保證地鐵車站通風量及其質量,我們在施工中與地鐵公司進行充分的溝通,采取夜間施工。待每日末班車駛離之后開始施工,次日首班車之前30ｍｉｎ收工,并清除垃圾。確保施工過程中不影響地鐵的使用。 鑿除采用由內而外的鑿除方式,在風井內部用槽鋼梁挑腳手架,從圓筒內部向外鑿除,以防止磚、混凝土碎塊掉落到風機房內部造成設備損壞。 待風井上部結構鑿除后,新風井結構按設計圖暫時用空心磚砌至一定高度。2.3分區施工,集中人力速戰速決 對土方開挖及基礎梁施工進行分區設置,結合變形觀測數據合理安排工作量。事先按照挖土量、復雜程度并考慮最佳施工線路,將整個施工區域分為4個區塊。 由具有長年結構施工經驗的人員施工,挖土與基礎梁施工穿插進行。確保基礎梁從挖土、上排架、支模、鋼筋籠制作到完成混凝土澆搗時間不超過48ｈ。 按計算,新建鋼筋混凝土基礎梁的重量與被挖除覆土重量尚有一定差距,必須在基礎梁完成后,及時回填砂袋,以保持結構受力平衡,并適當加壓為下一分區施工創造條件。2.4結構施工,邊造邊挖 為減小上部荷載,裙房此部位設計為6層鋼結構,樓板為壓型鋼板加配筋陶粒混凝土。施工前經過詳細計算,結構荷載約為15500ｋＮ,折算每層約2600ｋＮ。原覆土重量按照平均1.8ｍ深,508ｍ2約為16500ｋＮ。結構施工是一個逐步加載的過程,為達到荷載平衡,必須在上部結構施工過程中同步挖除基礎梁下方后加載的砂袋等。3 施工方案3.1設置測量方案 對于地下結構沉降測量,我部專門制訂相適應的測量方案,由富有地鐵監測經驗的專業分包進行。 沉降監測點設置于地下風機房內,每根立柱均設1點,共19點。開工前兩周開始進行初始沉降觀測,以了解常規狀態下的沉降變化。 改建施工開始后,監測頻度增加。形成日報表、周報表、月報表。施工進程根據報表提示隨時采取相應變更。3.2分區施工設置 因地下情況復雜,優先考慮在風井處(整個施工區域東側)施工,西邊的基礎梁稍后進行。因為3個風井處的覆土較少,而且從結構圖看,有1根主要的基礎梁由南向北穿過風井,并影響到其他主要梁的成型,應先完成。先完成風井處,一方面可盡量減小風機房上部的卸載,另一方面也可在以后施工中有效防止對風井的影響。因此,總體上將施工區域分為4區塊,東邊按照順序1→2→3區域先施工,西邊4區后開挖。3.3風井施工 風井的結構改造分2次完成,在基礎梁施工階段先完成地下部分及地上2～3ｍ高度內的磚混結構;待上部鋼結構完成后,繼續進行并最終形成完整的結構。基礎梁施工階段,可在風井出地面的部分上方暫時做出通風口、設臨時屋蓋。3.4風井保護措施 在風井打鑿和改造中,在風井內外搭設防護架、腳手架,上部用彩鋼板設置臨時屋蓋,既保證進出風通暢,又防止雨水侵入。并在坑內和風機房內砌筑一些擋水墻,達到防水、防墜物的作用。另在風井洞口上滿蓋50ｍｍ×50ｍｍ網眼鋼板網,防止異物進入風井。3.5基礎梁施工 根據結構設計圖中梁的布置,以及有關結構施工規范,將基礎梁按次序編號,依次施工。原則上先完成主梁,后完成次梁,減少施工縫,保證主梁的完整性。3.64號區塊開槽挖土基礎梁施工 西側基礎梁施工時采取開槽挖土的方法,按基礎梁的高度確定挖土的深度,基礎梁完成后宜回填砂袋和覆土。3.7新樓板暫緩施工,作為取土口 新結構底層樓板暫緩施工,相應部位預留插筋。在上部鋼結構施工時,每完成一層,便挖除一定厚度的覆土或取出一定量的砂袋,維持風機房受力平衡。在覆土全部挖出、做好防水工程后再施工封閉。3.8合理安排鋼結構施工,避免集中荷載 在鋼結構施工的同時進行挖土卸載施工,但是還應避免鋼柱安裝出現集中在一邊的情況。施工過程中合理安排鋼柱鋼梁施工順序,從角到邊均布加載。4 實施效果4.1基坑開挖前期施工對地鐵風井監測數據分析 基坑開挖前經歷了4個施工階段(基坑圍護、工程樁、加固、預降水),施工對地鐵風井產生的影響如圖3所示。由圖3可見,風井變形呈隆起趨勢,根據現場工況分析,本階段鉆孔灌注樁施工與圍護連續墻接縫加固同時進行施工,由于加固施工注漿壓力比較大,周邊土層受到高壓旋噴破壞,風井呈明顯隆起趨勢,最大隆起點如Ｆ17,最大累計隆起量達4.6ｍｍ,該風井變化較為均勻,臨近測點差異沉降量不大,且變形曲線較為平緩,無突變等情況。4.2基坑開挖施工對地鐵風井監測數據分析 從圖4可以看出,地下風井結構沉降較為均勻。累計量較大的Ｆ11點最大隆起量超過6.4ｍｍ。從圖中還可看出,地下風井結構隆起趨勢為,從基坑開挖前期就有隆起現象。根據工況分析原因,開挖初期,風井結構因受土層變形摩擦,局部呈隆起狀;隨著基坑內土方的大量卸載,土體壓力的釋放和土體應力場的改變,風井結構最終表現為較明顯的隆起趨勢。據實際分析,一般開挖至2、3層土時,風井結構隆起達到峰值,此后逐步有沉降趨勢。4.3風井結構施工階段監測數據分析 從圖5可以看出,地下風井結構沉降較為均勻。累計量較大的Ｆ11點最大隆起量超過6.2ｍｍ。從圖5還可看出,地下風井結構變化趨勢為,隨著地上風井結構的不斷增加,地下風井結構不斷表現為下沉趨勢。根據工況分析原因,地上風井結構不斷增加,給地下結構帶來的荷載也越來越大,最終地下風井表現為輕微沉降趨勢。本階段風井變化較為均勻,臨近測點差異沉降量不大,無突變等情況。5結語 在運營地鐵風機房上部進行結構改建施工及新建結構施工,為嚴格控制建筑物沉降變形,保證地鐵安全營運,采取分區施工、高精度高密度的變形觀測、有效控制加減荷載量等施工控制手段,取得了良好的效果,可以為上海類似工程提供借鑒。
