地下連續(xù)墻大面積微損開洞施工技術(shù)【摘要】介紹上海地鐵人民廣場站換乘大廳工程在既有地下連續(xù)墻墻體上進行大面積門洞施工時采用的微損開洞技術(shù)。施工中，通過理論分析預(yù)測和現(xiàn)場實測，優(yōu)化了施工方案，不僅保證了既有結(jié)構(gòu)的安全，也有效控制了既有結(jié)構(gòu)的各項變形。該項技術(shù)不僅適用于軌道交通工程，還適用于其他類型的地下建筑，可提供一定的借鑒作用。【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻微損開洞技術(shù)開洞順序優(yōu)化實時監(jiān)測1 工程概況 上海地鐵人民廣場站換乘大廳位于上海西藏中路和九江路路口的西南角，介于地鐵1號線、2號線和聯(lián)絡(luò)長通道之間，并利用其現(xiàn)有輪廓擴大而成，呈三角形，可實現(xiàn)地鐵1號線、2號線、8號線三線客流的集中換乘。 人民廣場站換乘大廳作為軌道交通三線換乘樞紐，為達到快速便捷的換乘目的，需要在1號線的站廳層、2號線的站廳層、下一層以及聯(lián)絡(luò)長通道的800 mm厚地下連續(xù)墻上大量開設(shè)換乘門洞。門洞數(shù)量共計25只，門洞寬度最小1.2 m，最大8 m，高度2.75 m～4.4 m。
2 難點分析 人民廣場站換乘大廳門洞開設(shè)數(shù)量達25個，寬度最大為8 m，在既有地下連續(xù)墻上進行如此大面積、大規(guī)模的門洞施工，是相當(dāng)少見的，施工難度也非常大。再者，在既有結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻上開鑿如此大量的門洞，勢必將改變其受力性狀，結(jié)構(gòu)剛度和整體性能都將大大削弱。而且地鐵1、2號線都已開通，車站結(jié)構(gòu)及軌道正處于運營狀態(tài)，除了要保證開鑿門洞的車站結(jié)構(gòu)的安全外，還要嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)及軌道的各項變形在規(guī)范許可范圍內(nèi)，施工難度和風(fēng)險相當(dāng)大。尤其是地鐵1號線車站為單襯墻，自身墻體剛度非常小，開設(shè)如此數(shù)量的門洞對既有車站結(jié)構(gòu)影響相當(dāng)大。3 施工技術(shù)研究3.1 開洞順序優(yōu)化分析 在人民廣場站換乘大廳建設(shè)過程中，需要在地鐵1號線站廳層開設(shè)5只3 m×8 m的大型洞口，總長度為站廳長度的10%，相鄰兩洞口最短間距僅為9 m。為保證開洞完成后整個站廳結(jié)構(gòu)的安全性，同時盡量減小新開洞口對已完成洞口的影響，必須對1號線站廳進行開洞順序優(yōu)化分析。3.1.1 開洞順序假定 在進行分析前，我們首先假定了兩種不同的開洞方式。第一為“1-2-3-4-5”，即順序開洞方法；第二為“3-2-4-1-5”，即中間開洞方法。分析方法采用有限元單元生死技術(shù)，分別按照兩種不同順序“殺死”被鑿除的洞口，最終通過對比兩種開洞順序洞口位置的撓度曲線來判定新開洞口對既有洞口的影響。 圖4給出了采用順序1開洞時洞口位置的豎向撓度曲線。應(yīng)當(dāng)指出的是，該組曲線的撓度已經(jīng)減去了未開洞口時墻體在恒活荷載作用下的豎向撓度，也即曲線的撓度值均為相對撓度。該組撓度曲線表明采用順序1開洞時： 新洞口的開鑿會加大前面洞口的撓度，增大的幅度約為7.5%。 新增洞口的影響范圍僅僅局限于對前一個洞口（例如：洞口3的開鑿僅影響洞口2的撓度，而對洞口1的影響甚微）。3.1.3 采用順序2對墻體開洞的有限元分析 圖5是采用順序2開洞時墻體的最后撓度曲線，與順序1前文類似，該組曲線亦減去了未開洞口時墻體的豎向撓度，曲線數(shù)據(jù)也是相對值。該組撓度曲線表明，采用順序2開洞時： 新開洞口會加大既有洞口的撓度值，增大幅度約為7.5%； 新開洞口僅影響上次開鑿洞口，但影響方式較順序1復(fù)雜。3.1.4 結(jié)論 兩種假定的開洞順序分析表明，兩種不同的開洞順序最終得到的洞口撓度值一致，新開洞口都會加大既有洞口的撓度，影響也僅局限于上一次開鑿的洞口，增大幅度約為7.5%。但采用順序2開鑿的影響方式較洞口1復(fù)雜，且理論上較實際情況偏小，因此,采用順序1的方式開洞是最優(yōu)化方案。3.2 微損開洞施工技術(shù)3.2.1 施工工藝流程 抽條鑿除老結(jié)構(gòu)地下墻混凝土（型鋼頂撐制作）→安裝型鋼頂撐→鑿除剩余老結(jié)構(gòu)地下墻混凝土→安裝全斷面注漿管→門洞梁、柱鋼筋綁扎（止水角鐵框制作）→預(yù)埋止水角鐵框→門洞梁柱支模、澆筑混凝土→門洞梁柱拆模→型鋼頂撐拆除→安裝可卸式止水帶→全斷面注漿管注漿。3.2.2 技術(shù)方案 （1）準(zhǔn)備階段 ①在地鐵1號線、2號線站廳層及聯(lián)絡(luò)長通道一側(cè)內(nèi)將門洞施工范圍內(nèi)的各類既有設(shè)施及管線進行搬移，確保門洞處施工范圍內(nèi)無影響施工的物體。 ②待影響施工的設(shè)施搬移后，在站廳層一側(cè)進行門洞施工作業(yè)點封閉圍護，做到綠色施工，以確保門洞施工不影響既有地鐵車站的正常運營。 （2）門洞鑿除階段 ①鑿除地下連續(xù)墻鋼筋保護層，割斷地下連續(xù)墻鋼筋。 ②根據(jù)門洞寬度確定架設(shè)型鋼臨時頂撐的根數(shù)，一般不得少于1根，當(dāng)門洞寬度大于8 m的，不得少于3根。從上至下由門洞一側(cè)抽條鑿除地下連續(xù)墻混凝土，抽條寬度1～2 m，在鑿除地下連續(xù)墻位置中間位置附近架設(shè)型鋼頂撐。 ③用10 mm厚鋼板或8#槽鋼焊接地下連續(xù)墻主筋，然后用神仙葫蘆吊起并安裝型鋼頂撐，型鋼頂撐采用300H型鋼，型鋼上部1 m由300H型鋼調(diào)整為300 mm×200 mm。型鋼頂撐最上端用鋼板與地下連續(xù)墻楔緊后將型鋼頂撐、鋼板、地下墻主筋電焊焊接固定。 ④鑿除剩余部分地下連續(xù)墻混凝土。 （3）門洞結(jié)構(gòu)施工階段 ①在門洞四周新老結(jié)構(gòu)相貼處打注水膨脹聚氨酯密封膠，并在門洞地下連續(xù)墻中間四周安裝全斷面出漿注漿管。 ②按設(shè)計圖紙要求綁扎柱鋼筋及門框梁鋼筋，并安裝門框可卸式止水裝置的角鐵框。 ③門洞梁柱結(jié)構(gòu)施工。 （4）收尾清理階段 ①當(dāng)混凝土達到強度后，拆除門框排架及梁底模并拆除型鋼頂撐。 ②安裝可卸式止水帶，并通過全斷面出漿注漿管對門框新老混凝土交接處進行注水泥漿。門洞防水節(jié)點圖詳見圖7。 ③恢復(fù)老結(jié)構(gòu)門洞處裝飾、設(shè)施、管線，拆除彩鋼板圍護。3.3 現(xiàn)場監(jiān)測 在采用微損開洞施工技術(shù)的同時，我們還對門洞周邊的地下連續(xù)墻進行了現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測墻體在拆除過程中的變形情況。監(jiān)測設(shè)備采用JDEBJ-2型振弦式混凝土表面應(yīng)變計并配合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行現(xiàn)場監(jiān)測。 經(jīng)有限元初步計算分析表明，洞口開設(shè)后沿洞口上方的應(yīng)變變化最大，為此選定17號門洞作為主要監(jiān)測對象，在該洞口上方布置了三個測點。 整個監(jiān)測過程歷時45 d，共進行了3次數(shù)據(jù)采集。圖8為17號門洞正上方測點的應(yīng)變監(jiān)測情況。 監(jiān)測結(jié)果反映了洞口開設(shè)過程中的應(yīng)變發(fā)展情況，即在門洞頂端墻體應(yīng)變變化最劇烈且以拉應(yīng)變?yōu)橹鳌Ｏ鄬τ诔跏紤?yīng)變狀態(tài)，該門洞上方墻體的應(yīng)變隨著洞口的開設(shè)增大了306.1μe，應(yīng)變的發(fā)展基本呈現(xiàn)為線性發(fā)展過程，表明了開洞后洞口上方墻體處于受拉狀態(tài)，需要在門洞開鑿?fù)瓿珊蠹皶r施加支撐體系，以防止洞口頂部受載過大引起破壞。這點與微損開洞技術(shù)中即時安裝型鋼頂撐是相吻合的。通過對曲線的分析也表明，采用微損開洞技術(shù)造成的應(yīng)變集中相對較小，對地下連續(xù)墻的影響較小，保證了既有車站結(jié)構(gòu)的安全。4 結(jié)語 上海地鐵人民廣場站換乘大廳在既有地下連續(xù)墻上大面積開設(shè)門洞，門洞數(shù)量、規(guī)模如此巨大，在業(yè)界較為罕見。通過對老車站地下連續(xù)墻大面積微損開洞技術(shù)的研究，將理論分析預(yù)測和現(xiàn)場實測相結(jié)合，再通過多方案對比優(yōu)化，以及抽條鑿除、設(shè)置臨時頂撐等措施，保證了車站結(jié)構(gòu)的安全，有效控制了結(jié)構(gòu)的各項變形。 該項新技術(shù)不僅適用于軌道交通工程，也可應(yīng)用于其他新建地下工程與周邊已建工程地下結(jié)構(gòu)連通時的老結(jié)構(gòu)地下墻開門洞施工。因此，地下連續(xù)墻大面積微損開洞技術(shù)對今后類似工程具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。參考文獻[1]閻維明，周福霖，譚平，土木工程結(jié)構(gòu)振動控制的研究進展，世界地震工程，Vol.13(2)，1997，6:9-20.[2]孫鴻敏，李宏男，土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究進展，防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，Vol.23(3),2003,9:92-98.[3]鐵道部科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，振動測試和分析，人民鐵道出版社，1979.
2 難點分析 人民廣場站換乘大廳門洞開設(shè)數(shù)量達25個，寬度最大為8 m，在既有地下連續(xù)墻上進行如此大面積、大規(guī)模的門洞施工，是相當(dāng)少見的，施工難度也非常大。再者，在既有結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻上開鑿如此大量的門洞，勢必將改變其受力性狀，結(jié)構(gòu)剛度和整體性能都將大大削弱。而且地鐵1、2號線都已開通，車站結(jié)構(gòu)及軌道正處于運營狀態(tài)，除了要保證開鑿門洞的車站結(jié)構(gòu)的安全外，還要嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)及軌道的各項變形在規(guī)范許可范圍內(nèi)，施工難度和風(fēng)險相當(dāng)大。尤其是地鐵1號線車站為單襯墻，自身墻體剛度非常小，開設(shè)如此數(shù)量的門洞對既有車站結(jié)構(gòu)影響相當(dāng)大。3 施工技術(shù)研究3.1 開洞順序優(yōu)化分析 在人民廣場站換乘大廳建設(shè)過程中，需要在地鐵1號線站廳層開設(shè)5只3 m×8 m的大型洞口，總長度為站廳長度的10%，相鄰兩洞口最短間距僅為9 m。為保證開洞完成后整個站廳結(jié)構(gòu)的安全性，同時盡量減小新開洞口對已完成洞口的影響，必須對1號線站廳進行開洞順序優(yōu)化分析。3.1.1 開洞順序假定 在進行分析前，我們首先假定了兩種不同的開洞方式。第一為“1-2-3-4-5”，即順序開洞方法；第二為“3-2-4-1-5”，即中間開洞方法。分析方法采用有限元單元生死技術(shù)，分別按照兩種不同順序“殺死”被鑿除的洞口，最終通過對比兩種開洞順序洞口位置的撓度曲線來判定新開洞口對既有洞口的影響。 圖4給出了采用順序1開洞時洞口位置的豎向撓度曲線。應(yīng)當(dāng)指出的是，該組曲線的撓度已經(jīng)減去了未開洞口時墻體在恒活荷載作用下的豎向撓度，也即曲線的撓度值均為相對撓度。該組撓度曲線表明采用順序1開洞時： 新洞口的開鑿會加大前面洞口的撓度，增大的幅度約為7.5%。 新增洞口的影響范圍僅僅局限于對前一個洞口（例如：洞口3的開鑿僅影響洞口2的撓度，而對洞口1的影響甚微）。3.1.3 采用順序2對墻體開洞的有限元分析 圖5是采用順序2開洞時墻體的最后撓度曲線，與順序1前文類似，該組曲線亦減去了未開洞口時墻體的豎向撓度，曲線數(shù)據(jù)也是相對值。該組撓度曲線表明，采用順序2開洞時： 新開洞口會加大既有洞口的撓度值，增大幅度約為7.5%； 新開洞口僅影響上次開鑿洞口，但影響方式較順序1復(fù)雜。3.1.4 結(jié)論 兩種假定的開洞順序分析表明，兩種不同的開洞順序最終得到的洞口撓度值一致，新開洞口都會加大既有洞口的撓度，影響也僅局限于上一次開鑿的洞口，增大幅度約為7.5%。但采用順序2開鑿的影響方式較洞口1復(fù)雜，且理論上較實際情況偏小，因此,采用順序1的方式開洞是最優(yōu)化方案。3.2 微損開洞施工技術(shù)3.2.1 施工工藝流程 抽條鑿除老結(jié)構(gòu)地下墻混凝土（型鋼頂撐制作）→安裝型鋼頂撐→鑿除剩余老結(jié)構(gòu)地下墻混凝土→安裝全斷面注漿管→門洞梁、柱鋼筋綁扎（止水角鐵框制作）→預(yù)埋止水角鐵框→門洞梁柱支模、澆筑混凝土→門洞梁柱拆模→型鋼頂撐拆除→安裝可卸式止水帶→全斷面注漿管注漿。3.2.2 技術(shù)方案 （1）準(zhǔn)備階段 ①在地鐵1號線、2號線站廳層及聯(lián)絡(luò)長通道一側(cè)內(nèi)將門洞施工范圍內(nèi)的各類既有設(shè)施及管線進行搬移，確保門洞處施工范圍內(nèi)無影響施工的物體。 ②待影響施工的設(shè)施搬移后，在站廳層一側(cè)進行門洞施工作業(yè)點封閉圍護，做到綠色施工，以確保門洞施工不影響既有地鐵車站的正常運營。 （2）門洞鑿除階段 ①鑿除地下連續(xù)墻鋼筋保護層，割斷地下連續(xù)墻鋼筋。 ②根據(jù)門洞寬度確定架設(shè)型鋼臨時頂撐的根數(shù)，一般不得少于1根，當(dāng)門洞寬度大于8 m的，不得少于3根。從上至下由門洞一側(cè)抽條鑿除地下連續(xù)墻混凝土，抽條寬度1～2 m，在鑿除地下連續(xù)墻位置中間位置附近架設(shè)型鋼頂撐。 ③用10 mm厚鋼板或8#槽鋼焊接地下連續(xù)墻主筋，然后用神仙葫蘆吊起并安裝型鋼頂撐，型鋼頂撐采用300H型鋼，型鋼上部1 m由300H型鋼調(diào)整為300 mm×200 mm。型鋼頂撐最上端用鋼板與地下連續(xù)墻楔緊后將型鋼頂撐、鋼板、地下墻主筋電焊焊接固定。 ④鑿除剩余部分地下連續(xù)墻混凝土。 （3）門洞結(jié)構(gòu)施工階段 ①在門洞四周新老結(jié)構(gòu)相貼處打注水膨脹聚氨酯密封膠，并在門洞地下連續(xù)墻中間四周安裝全斷面出漿注漿管。 ②按設(shè)計圖紙要求綁扎柱鋼筋及門框梁鋼筋，并安裝門框可卸式止水裝置的角鐵框。 ③門洞梁柱結(jié)構(gòu)施工。 （4）收尾清理階段 ①當(dāng)混凝土達到強度后，拆除門框排架及梁底模并拆除型鋼頂撐。 ②安裝可卸式止水帶，并通過全斷面出漿注漿管對門框新老混凝土交接處進行注水泥漿。門洞防水節(jié)點圖詳見圖7。 ③恢復(fù)老結(jié)構(gòu)門洞處裝飾、設(shè)施、管線，拆除彩鋼板圍護。3.3 現(xiàn)場監(jiān)測 在采用微損開洞施工技術(shù)的同時，我們還對門洞周邊的地下連續(xù)墻進行了現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測墻體在拆除過程中的變形情況。監(jiān)測設(shè)備采用JDEBJ-2型振弦式混凝土表面應(yīng)變計并配合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行現(xiàn)場監(jiān)測。 經(jīng)有限元初步計算分析表明，洞口開設(shè)后沿洞口上方的應(yīng)變變化最大，為此選定17號門洞作為主要監(jiān)測對象，在該洞口上方布置了三個測點。 整個監(jiān)測過程歷時45 d，共進行了3次數(shù)據(jù)采集。圖8為17號門洞正上方測點的應(yīng)變監(jiān)測情況。 監(jiān)測結(jié)果反映了洞口開設(shè)過程中的應(yīng)變發(fā)展情況，即在門洞頂端墻體應(yīng)變變化最劇烈且以拉應(yīng)變?yōu)橹鳌Ｏ鄬τ诔跏紤?yīng)變狀態(tài)，該門洞上方墻體的應(yīng)變隨著洞口的開設(shè)增大了306.1μe，應(yīng)變的發(fā)展基本呈現(xiàn)為線性發(fā)展過程，表明了開洞后洞口上方墻體處于受拉狀態(tài)，需要在門洞開鑿?fù)瓿珊蠹皶r施加支撐體系，以防止洞口頂部受載過大引起破壞。這點與微損開洞技術(shù)中即時安裝型鋼頂撐是相吻合的。通過對曲線的分析也表明，采用微損開洞技術(shù)造成的應(yīng)變集中相對較小，對地下連續(xù)墻的影響較小，保證了既有車站結(jié)構(gòu)的安全。4 結(jié)語 上海地鐵人民廣場站換乘大廳在既有地下連續(xù)墻上大面積開設(shè)門洞，門洞數(shù)量、規(guī)模如此巨大，在業(yè)界較為罕見。通過對老車站地下連續(xù)墻大面積微損開洞技術(shù)的研究，將理論分析預(yù)測和現(xiàn)場實測相結(jié)合，再通過多方案對比優(yōu)化，以及抽條鑿除、設(shè)置臨時頂撐等措施，保證了車站結(jié)構(gòu)的安全，有效控制了結(jié)構(gòu)的各項變形。 該項新技術(shù)不僅適用于軌道交通工程，也可應(yīng)用于其他新建地下工程與周邊已建工程地下結(jié)構(gòu)連通時的老結(jié)構(gòu)地下墻開門洞施工。因此，地下連續(xù)墻大面積微損開洞技術(shù)對今后類似工程具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。參考文獻[1]閻維明，周福霖，譚平，土木工程結(jié)構(gòu)振動控制的研究進展，世界地震工程，Vol.13(2)，1997，6:9-20.[2]孫鴻敏，李宏男，土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究進展，防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，Vol.23(3),2003,9:92-98.[3]鐵道部科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，振動測試和分析，人民鐵道出版社，1979.