地下連續墻大面積微損開洞施工技術【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墻墻體上進行大面積門洞施工時采用的微損開洞技術。施工中，通過理論分析預測和現場實測，優化了施工方案，不僅保證了既有結構的安全，也有效控制了既有結構的各項變形。該項技術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。【關鍵詞】建筑結構地下連續墻微損開洞技術開洞順序優化實時監測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號線和聯絡長通道之間，并利用其現有輪廓擴大而成，呈三角形，可實現地鐵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、下一層以及聯絡長通道的800 mm厚地下連續墻上大量開設換乘門洞。門洞數量共計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數量達25個，寬度最大為8 m，在既有地下連續墻上進行如此大面積、大規模的門洞施工，是相當少見的，施工難度也非常大。再者，在既有結構的地下連續墻上開鑿如此大量的門洞，勢必將改變其受力性狀，結構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，車站結構及軌道正處于運營狀態，除了要保證開鑿門洞的車站結構的安全外，還要嚴格控制結構及軌道的各項變形在規范許可范圍內，施工難度和風險相當大。尤其是地鐵1號線車站為單襯墻，自身墻體剛度非常小，開設如此數量的門洞對既有車站結構影響相當大。3 施工技術研究3.1 開洞順序優化分析 在人民廣場站換乘大廳建設過程中，需要在地鐵1號線站廳層開設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構的安全性，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，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。應當指出的是，該組曲線的撓度已經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，曲線數據也是相對值。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復雜。3.1.4 結論 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的方式開洞是最優化方案。3.2 微損開洞施工技術3.2.1 施工工藝流程 抽條鑿除老結構地下墻混凝土（型鋼頂撐制作）→安裝型鋼頂撐→鑿除剩余老結構地下墻混凝土→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 技術方案 （1）準備階段 ①在地鐵1號線、2號線站廳層及聯絡長通道一側內將門洞施工范圍內的各類既有設施及管線進行搬移，確保門洞處施工范圍內無影響施工的物體。 ②待影響施工的設施搬移后，在站廳層一側進行門洞施工作業點封閉圍護，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鑿除地下連續墻鋼筋保護層，割斷地下連續墻鋼筋。 ②根據門洞寬度確定架設型鋼臨時頂撐的根數，一般不得少于1根，當門洞寬度大于8 m的，不得少于3根。從上至下由門洞一側抽條鑿除地下連續墻混凝土，抽條寬度1～2 m，在鑿除地下連續墻位置中間位置附近架設型鋼頂撐。 ③用10 mm厚鋼板或8#槽鋼焊接地下連續墻主筋，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型鋼調整為300 mm×200 mm。型鋼頂撐最上端用鋼板與地下連續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墻混凝土。 （3）門洞結構施工階段 ①在門洞四周新老結構相貼處打注水膨脹聚氨酯密封膠，并在門洞地下連續墻中間四周安裝全斷面出漿注漿管。 ②按設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門洞梁柱結構施工。 （4）收尾清理階段 ①當混凝土達到強度后，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。門洞防水節點圖詳見圖7。 ③恢復老結構門洞處裝飾、設施、管線，拆除彩鋼板圍護。3.3 現場監測 在采用微損開洞施工技術的同時，我們還對門洞周邊的地下連續墻進行了現場監測，監測墻體在拆除過程中的變形情況。監測設備采用JDEBJ-2型振弦式混凝土表面應變計并配合數據采集系統進行現場監測。 經有限元初步計算分析表明，洞口開設后沿洞口上方的應變變化最大，為此選定17號門洞作為主要監測對象，在該洞口上方布置了三個測點。 整個監測過程歷時45 d，共進行了3次數據采集。圖8為17號門洞正上方測點的應變監測情況。 監測結果反映了洞口開設過程中的應變發展情況，即在門洞頂端墻體應變變化最劇烈且以拉應變為主。相對于初始應變狀態，該門洞上方墻體的應變隨著洞口的開設增大了306.1μe，應變的發展基本呈現為線性發展過程，表明了開洞后洞口上方墻體處于受拉狀態，需要在門洞開鑿完成后及時施加支撐體系，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，采用微損開洞技術造成的應變集中相對較小，對地下連續墻的影響較小，保證了既有車站結構的安全。4 結語 上海地鐵人民廣場站換乘大廳在既有地下連續墻上大面積開設門洞，門洞數量、規模如此巨大，在業界較為罕見。通過對老車站地下連續墻大面積微損開洞技術的研究，將理論分析預測和現場實測相結合，再通過多方案對比優化，以及抽條鑿除、設置臨時頂撐等措施，保證了車站結構的安全，有效控制了結構的各項變形。 該項新技術不僅適用于軌道交通工程，也可應用于其他新建地下工程與周邊已建工程地下結構連通時的老結構地下墻開門洞施工。因此，地下連續墻大面積微損開洞技術對今后類似工程具有一定的借鑒和指導意義。參考文獻[1]閻維明，周福霖，譚平，土木工程結構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，土木工程結構健康監測研究進展，防災減災工程學報，Vol.23(3),2003,9:92-98.[3]鐵道部科學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數量達25個，寬度最大為8 m，在既有地下連續墻上進行如此大面積、大規模的門洞施工，是相當少見的，施工難度也非常大。再者，在既有結構的地下連續墻上開鑿如此大量的門洞，勢必將改變其受力性狀，結構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，車站結構及軌道正處于運營狀態，除了要保證開鑿門洞的車站結構的安全外，還要嚴格控制結構及軌道的各項變形在規范許可范圍內，施工難度和風險相當大。尤其是地鐵1號線車站為單襯墻，自身墻體剛度非常小，開設如此數量的門洞對既有車站結構影響相當大。3 施工技術研究3.1 開洞順序優化分析 在人民廣場站換乘大廳建設過程中，需要在地鐵1號線站廳層開設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構的安全性，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，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。應當指出的是，該組曲線的撓度已經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，曲線數據也是相對值。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復雜。3.1.4 結論 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的方式開洞是最優化方案。3.2 微損開洞施工技術3.2.1 施工工藝流程 抽條鑿除老結構地下墻混凝土（型鋼頂撐制作）→安裝型鋼頂撐→鑿除剩余老結構地下墻混凝土→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 技術方案 （1）準備階段 ①在地鐵1號線、2號線站廳層及聯絡長通道一側內將門洞施工范圍內的各類既有設施及管線進行搬移，確保門洞處施工范圍內無影響施工的物體。 ②待影響施工的設施搬移后，在站廳層一側進行門洞施工作業點封閉圍護，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鑿除地下連續墻鋼筋保護層，割斷地下連續墻鋼筋。 ②根據門洞寬度確定架設型鋼臨時頂撐的根數，一般不得少于1根，當門洞寬度大于8 m的，不得少于3根。從上至下由門洞一側抽條鑿除地下連續墻混凝土，抽條寬度1～2 m，在鑿除地下連續墻位置中間位置附近架設型鋼頂撐。 ③用10 mm厚鋼板或8#槽鋼焊接地下連續墻主筋，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型鋼調整為300 mm×200 mm。型鋼頂撐最上端用鋼板與地下連續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墻混凝土。 （3）門洞結構施工階段 ①在門洞四周新老結構相貼處打注水膨脹聚氨酯密封膠，并在門洞地下連續墻中間四周安裝全斷面出漿注漿管。 ②按設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門洞梁柱結構施工。 （4）收尾清理階段 ①當混凝土達到強度后，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。門洞防水節點圖詳見圖7。 ③恢復老結構門洞處裝飾、設施、管線，拆除彩鋼板圍護。3.3 現場監測 在采用微損開洞施工技術的同時，我們還對門洞周邊的地下連續墻進行了現場監測，監測墻體在拆除過程中的變形情況。監測設備采用JDEBJ-2型振弦式混凝土表面應變計并配合數據采集系統進行現場監測。 經有限元初步計算分析表明，洞口開設后沿洞口上方的應變變化最大，為此選定17號門洞作為主要監測對象，在該洞口上方布置了三個測點。 整個監測過程歷時45 d，共進行了3次數據采集。圖8為17號門洞正上方測點的應變監測情況。 監測結果反映了洞口開設過程中的應變發展情況，即在門洞頂端墻體應變變化最劇烈且以拉應變為主。相對于初始應變狀態，該門洞上方墻體的應變隨著洞口的開設增大了306.1μe，應變的發展基本呈現為線性發展過程，表明了開洞后洞口上方墻體處于受拉狀態，需要在門洞開鑿完成后及時施加支撐體系，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，采用微損開洞技術造成的應變集中相對較小，對地下連續墻的影響較小，保證了既有車站結構的安全。4 結語 上海地鐵人民廣場站換乘大廳在既有地下連續墻上大面積開設門洞，門洞數量、規模如此巨大，在業界較為罕見。通過對老車站地下連續墻大面積微損開洞技術的研究，將理論分析預測和現場實測相結合，再通過多方案對比優化，以及抽條鑿除、設置臨時頂撐等措施，保證了車站結構的安全，有效控制了結構的各項變形。 該項新技術不僅適用于軌道交通工程，也可應用于其他新建地下工程與周邊已建工程地下結構連通時的老結構地下墻開門洞施工。因此，地下連續墻大面積微損開洞技術對今后類似工程具有一定的借鑒和指導意義。參考文獻[1]閻維明，周福霖，譚平，土木工程結構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，土木工程結構健康監測研究進展，防災減災工程學報，Vol.23(3),2003,9:92-98.[3]鐵道部科學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.