緊貼運營地鐵隧道的深基坑施工技術[摘要]上海金昌摩爾大廈在運營地鐵保護區內進行大面積的深基坑施工,風險高,難度大。在沒有經驗可以借鑒的前提下,采取SMW深層攪拌樁、地下連續墻“隔四做一”、對稱式土體加固、十字跳躍對稱式挖土、底板墊層內設預應力H型鋼等措施,在對關鍵工序進行深入研究和試驗后指導施工。同步監測數據顯示,施工期間深基坑施工對地鐵隧道的不良影響控制在允許范圍內,確保了運營地鐵的安全。[關鍵詞]深基坑;地鐵隧道;影響;施工技術1 工程概況 上海金昌摩爾大廈工程占地面積114 358m2。建筑紅線內西部有地鐵1號線,紅線外東側西藏中路下有M8號線地鐵隧道穿過。為充分利用地下空間,在距地鐵1號線上行線隧道以東6.50m處,采用地下連續墻作為中隔墻,以東為深基坑,以西為淺基坑(見圖1)。 深基坑開挖面積約5 850m2,開挖深度14.10m。淺基坑開挖面積約5 950m2,開挖深度4.90m,其下有地鐵1號線通過。地鐵隧道頂埋深約8.45m,開挖底面距離隧道頂約3.55m。2 深基坑關鍵工序施工技術 為最大限度地降低深基坑施工對地鐵隧道的影響,必須有效控制圍護結構變形,特別要有效控制中隔墻的變形。為此,從以下幾個關鍵工序入手,制定了有針對性的專項方案指導施工。
2.1 超長SMW深層攪拌樁施工 本工程深基坑采用32m深地下連續墻圍護,與中隔墻形成閉合;淺基坑則采用SMW工法樁圍護。 地鐵1號線區間隧道的底部埋深約為-15.55m, 中隔墻與地鐵1號線上行線隧道凈距僅6.50m,地下連續墻施工深度超過隧道底部達17m(見圖2)。為防止地下連續墻施工過程中,因地鐵運營引起的振動或護壁失敗、槽壁坍塌造成土體位移,影響地鐵1號線的正常運行,在地下連續墻兩側采用長31m的超長SMW深層攪拌樁加固土體,要求加固體的強度≥1.5MPa。由于沒有施工經驗可以借鑒,施工方法不當也將會對地鐵隧道造成不良影響,施工風險很大。為此,在地鐵隧道保護區以外,布置了1排共計6組SMW工法樁,選用3套不同的施工參數,采用“隔四打一,逐漸加密”的方法進行試驗性施工。樁位及測試孔如圖3所示。 通過試驗性施工發現,當Z1、Z6施工完成后,施工Z2時,由于間隔4幅樁,而且Z1施工后有一定的間歇時間,應力得到了釋放,Z2施工引起土體的變形量較小。而選用水灰比1.2,提升和下沉速度均采用0.3~0.5m/min的參數施工,既與施工設備能力相匹配,對土體變形的影響也最小[1]。2.2 地下連續墻“隔四做一” 地鐵1號線上行線隧道東側的中隔墻,由19幅地下連續墻組成。施工深度遠大于地鐵隧道的底部埋深(見圖2),雖然兩側土體已先行加固,但為防止意外,仍采取了以下針對性措施: 1)地下連續墻施工前,對兩側已施工的SMW深層攪拌樁加固體進行抽芯檢驗,強度達到設計要求后,再開始施工。 2)調整地下連續墻分幅施工順序,采取“隔四做一”的方法組織施工,施工順序如圖4所示。 3)首幅墻施工時,在地鐵停運的7h內試驗性施工,并在次日地鐵運行前,保證混凝土澆注高度達到隧道中軸線。地鐵監護部門對隧道進行同步監測,即時反饋測試數據。如果隧道變形沒有增大或在允許范圍內,后續各幅則可以24h正常施工,仍進行同步監測。 4)如監測數據出現異常,則立即暫停施工,待監測數據恢復正常后,重復措施3)。2.3 對稱式土體加固 為避免地鐵隧道同時承受下沉和隆起的雙重影響,本工程按照先深后淺的原則,即深基坑先行施工。對于中隔墻來說,當深基坑開始土方開挖時,墻背土壓力的大小對中隔墻位移的影響較大。為此,仍采用SMW工法樁,提前對中隔墻兩側的土體進行對稱式加固,提高土體的力學性質。當抽芯檢驗表明加固體強度達到設計要求后,深基坑開始土方開挖。 中隔墻以西土體加固區西邊緣與地鐵隧道的距離僅為3.0m。為將土體加固施工對地鐵隧道的影響控制在允許范圍內,在地鐵停運的7h內,按照“隔四做一,逐漸加密”的方法,先施工距隧道最近的一排,使其南北向閉合后,避開地鐵運營高峰時間(7:00~9:00,17:00~21:00),施工下一排,并逐漸遠離隧道。施工過程中,通過對均勻設置在隧道井壁上的監測點(SCJ01~SCJ31)進行跟蹤監測,結果顯示隧道垂直位移最大值為0.4mm,而隧道環向收斂基本沒有變化,隧道結構是安全的(見圖5)。2.4 十字跳躍對稱式挖土 深基坑設置了3道鋼筋混凝土支撐和圍檁,第1道支撐施工時正值3月中旬,最高溫度小于15℃。支撐施工完成一周后,回彈儀測試結果顯示,混凝土強度均達到80%(添加早強劑)。隨著溫度逐漸升高,混凝土強度將快速上升,但要達到設計工作強度,工藝間歇時間必不可少。因此,根據時空效應原理,深基坑土方總體上采用盆式開挖法(見圖6),而盆邊土方則采用十字跳躍對稱挖土的方式,減小圍護結構無支撐暴露的空間和時間。 1)第2層土方開挖 如圖6a所示,第2層土方開挖時,限時挖除盆中土方,并做好盆中部位的支撐。此時已是3月下旬,最高溫度達到了20℃以上,盆中部位支撐施工完成2d后,開始開挖盆邊土方。盆邊土方按照圖6a中數字,由小到大,十字跳躍開挖,及時形成對撐。每一塊從土方開挖到混凝土澆注完成,均限制在16~20h以內。當東西向和南北向分別形成3道以上的對撐后,再分別開挖角部的土方,并完成相應支撐。2)第3層土方開挖 第3層土方的開挖深度已經位于地鐵隧道中軸線以下,因此土方開挖時圍護結構的變形對地鐵隧道的影響最大。由于有大量的工程樁頭要處理,坑中坑的土方要二次開挖,所以墊層施工前的工序工作時間必然增加,對土方開挖空間的限制就更加嚴格。 如圖6b所示,第3層土方分成兩部分開挖,中隔墻以東15m范圍內的土方暫時保留。其余部位的土方仍采用盆式開挖方式,先挖除盆中土方,同時依次開挖坑中坑,并及時處理工程樁頭,及時澆注墊層。盆邊按照圖6b中數字,由小到大,依次對稱開挖。中隔墻以東15m范圍內的土方,分成3m寬、共計33塊,從南北兩端開始,依次對稱開挖。2.5 底板墊層內設預應力H型鋼支撐 為控制中隔墻以東15m范圍內的土方開挖引起中隔墻變形,除了降低每塊土方的開挖面積外,在地下連續墻的接頭部位,左右分別對稱設置一根H型鋼支撐(澆注在墊層內),一端作用在地下連續墻體上,另一端作用在已經完成的混凝土墊層上,并按設計要求施加預應力。為提供足夠的反力,墊層的厚度增大為30cm,同時在墊層內設置一道暗梁(見圖7)。3 地鐵盾構隧道沉降變形監測數據分析 為及時獲得地鐵盾構隧道沉降變形數據,在地鐵1號線上、下行線盾構隧道內,分別設置了32個自動監測點(SL01~SL32),同時輔以人工監測。 1)第1層土方開挖、混凝土支撐完成時,地鐵盾構隧道上行線總體沉降不大,最大沉降點SL25累計沉降3.21mm(見圖8a)。 2)第2層土方開挖、混凝土支撐完成時,地鐵盾構隧道上行線總體沉降基本沒有變化,最大沉降點SL25累計沉降3.01mm(見圖8b)。 3)第3層土方開挖、混凝土支撐完成時,地鐵盾構隧道上行線在SL09~SL25累計沉降較大,盆式特征比較明顯,最大沉降點SL13累計沉降5.20mm,盆邊有輕微隆起的現象(見圖8c)。 4)第4層土方開挖、混凝土支撐完成時,地鐵盾構隧道上行線在SL09~SL25累計沉降最大,盆式特征更為明顯,最大沉降點SL12累計沉降9.95mm,幾乎接近10mm的極限,但日變形量仍然很小,盆邊仍然有輕微隆起的現象(見圖8d)。 5)基坑墊層和底板施工期間,地鐵盾構隧道上行線日沉降量很小,而且多日出現整體輕微隆起的現象。基坑墊層和底板施工完成時,地鐵盾構隧道上行線累計沉降的盆式特征仍然未變,但盆中SL12~SL19隆起較為明顯,其中SL15點累計隆起1.87mm,盆邊隆起的現象消失,最大沉降點SL10累計沉降9.62mm(見圖8e)。4 結語 在運營地鐵保護區內,特別是在距離地鐵隧道僅6.50m的地方,進行大面積的深基坑開挖,風險巨大。在加強施工組織管理,確保人力、物力及時有效地投入的同時,對關鍵工序進行了深入研究和試驗后指導施工,成效顯著。土方開挖、墊層及底板全部施工完成時,同步監測數據顯示,中隔墻最大位移點的平面位置在其中部轉折處,發生深度為-17m左右,位移值為32.5mm。地鐵盾構隧道結構收斂基本沒有變化,隧道沉降最大值為9.95mm,至深基坑結構出±0.00后,仍穩定在9.17mm左右,實現了在深基坑施工期間,確保地鐵隧道沉降變形不大于10mm的目標。參考文獻:[1]謝兆耕,傅先華.緊鄰地鐵隧道超長深層攪拌樁加固施工試驗[J].施工技術,2006,(1).
2.1 超長SMW深層攪拌樁施工 本工程深基坑采用32m深地下連續墻圍護,與中隔墻形成閉合;淺基坑則采用SMW工法樁圍護。 地鐵1號線區間隧道的底部埋深約為-15.55m, 中隔墻與地鐵1號線上行線隧道凈距僅6.50m,地下連續墻施工深度超過隧道底部達17m(見圖2)。為防止地下連續墻施工過程中,因地鐵運營引起的振動或護壁失敗、槽壁坍塌造成土體位移,影響地鐵1號線的正常運行,在地下連續墻兩側采用長31m的超長SMW深層攪拌樁加固土體,要求加固體的強度≥1.5MPa。由于沒有施工經驗可以借鑒,施工方法不當也將會對地鐵隧道造成不良影響,施工風險很大。為此,在地鐵隧道保護區以外,布置了1排共計6組SMW工法樁,選用3套不同的施工參數,采用“隔四打一,逐漸加密”的方法進行試驗性施工。樁位及測試孔如圖3所示。 通過試驗性施工發現,當Z1、Z6施工完成后,施工Z2時,由于間隔4幅樁,而且Z1施工后有一定的間歇時間,應力得到了釋放,Z2施工引起土體的變形量較小。而選用水灰比1.2,提升和下沉速度均采用0.3~0.5m/min的參數施工,既與施工設備能力相匹配,對土體變形的影響也最小[1]。2.2 地下連續墻“隔四做一” 地鐵1號線上行線隧道東側的中隔墻,由19幅地下連續墻組成。施工深度遠大于地鐵隧道的底部埋深(見圖2),雖然兩側土體已先行加固,但為防止意外,仍采取了以下針對性措施: 1)地下連續墻施工前,對兩側已施工的SMW深層攪拌樁加固體進行抽芯檢驗,強度達到設計要求后,再開始施工。 2)調整地下連續墻分幅施工順序,采取“隔四做一”的方法組織施工,施工順序如圖4所示。 3)首幅墻施工時,在地鐵停運的7h內試驗性施工,并在次日地鐵運行前,保證混凝土澆注高度達到隧道中軸線。地鐵監護部門對隧道進行同步監測,即時反饋測試數據。如果隧道變形沒有增大或在允許范圍內,后續各幅則可以24h正常施工,仍進行同步監測。 4)如監測數據出現異常,則立即暫停施工,待監測數據恢復正常后,重復措施3)。2.3 對稱式土體加固 為避免地鐵隧道同時承受下沉和隆起的雙重影響,本工程按照先深后淺的原則,即深基坑先行施工。對于中隔墻來說,當深基坑開始土方開挖時,墻背土壓力的大小對中隔墻位移的影響較大。為此,仍采用SMW工法樁,提前對中隔墻兩側的土體進行對稱式加固,提高土體的力學性質。當抽芯檢驗表明加固體強度達到設計要求后,深基坑開始土方開挖。 中隔墻以西土體加固區西邊緣與地鐵隧道的距離僅為3.0m。為將土體加固施工對地鐵隧道的影響控制在允許范圍內,在地鐵停運的7h內,按照“隔四做一,逐漸加密”的方法,先施工距隧道最近的一排,使其南北向閉合后,避開地鐵運營高峰時間(7:00~9:00,17:00~21:00),施工下一排,并逐漸遠離隧道。施工過程中,通過對均勻設置在隧道井壁上的監測點(SCJ01~SCJ31)進行跟蹤監測,結果顯示隧道垂直位移最大值為0.4mm,而隧道環向收斂基本沒有變化,隧道結構是安全的(見圖5)。2.4 十字跳躍對稱式挖土 深基坑設置了3道鋼筋混凝土支撐和圍檁,第1道支撐施工時正值3月中旬,最高溫度小于15℃。支撐施工完成一周后,回彈儀測試結果顯示,混凝土強度均達到80%(添加早強劑)。隨著溫度逐漸升高,混凝土強度將快速上升,但要達到設計工作強度,工藝間歇時間必不可少。因此,根據時空效應原理,深基坑土方總體上采用盆式開挖法(見圖6),而盆邊土方則采用十字跳躍對稱挖土的方式,減小圍護結構無支撐暴露的空間和時間。 1)第2層土方開挖 如圖6a所示,第2層土方開挖時,限時挖除盆中土方,并做好盆中部位的支撐。此時已是3月下旬,最高溫度達到了20℃以上,盆中部位支撐施工完成2d后,開始開挖盆邊土方。盆邊土方按照圖6a中數字,由小到大,十字跳躍開挖,及時形成對撐。每一塊從土方開挖到混凝土澆注完成,均限制在16~20h以內。當東西向和南北向分別形成3道以上的對撐后,再分別開挖角部的土方,并完成相應支撐。2)第3層土方開挖 第3層土方的開挖深度已經位于地鐵隧道中軸線以下,因此土方開挖時圍護結構的變形對地鐵隧道的影響最大。由于有大量的工程樁頭要處理,坑中坑的土方要二次開挖,所以墊層施工前的工序工作時間必然增加,對土方開挖空間的限制就更加嚴格。 如圖6b所示,第3層土方分成兩部分開挖,中隔墻以東15m范圍內的土方暫時保留。其余部位的土方仍采用盆式開挖方式,先挖除盆中土方,同時依次開挖坑中坑,并及時處理工程樁頭,及時澆注墊層。盆邊按照圖6b中數字,由小到大,依次對稱開挖。中隔墻以東15m范圍內的土方,分成3m寬、共計33塊,從南北兩端開始,依次對稱開挖。2.5 底板墊層內設預應力H型鋼支撐 為控制中隔墻以東15m范圍內的土方開挖引起中隔墻變形,除了降低每塊土方的開挖面積外,在地下連續墻的接頭部位,左右分別對稱設置一根H型鋼支撐(澆注在墊層內),一端作用在地下連續墻體上,另一端作用在已經完成的混凝土墊層上,并按設計要求施加預應力。為提供足夠的反力,墊層的厚度增大為30cm,同時在墊層內設置一道暗梁(見圖7)。3 地鐵盾構隧道沉降變形監測數據分析 為及時獲得地鐵盾構隧道沉降變形數據,在地鐵1號線上、下行線盾構隧道內,分別設置了32個自動監測點(SL01~SL32),同時輔以人工監測。 1)第1層土方開挖、混凝土支撐完成時,地鐵盾構隧道上行線總體沉降不大,最大沉降點SL25累計沉降3.21mm(見圖8a)。 2)第2層土方開挖、混凝土支撐完成時,地鐵盾構隧道上行線總體沉降基本沒有變化,最大沉降點SL25累計沉降3.01mm(見圖8b)。 3)第3層土方開挖、混凝土支撐完成時,地鐵盾構隧道上行線在SL09~SL25累計沉降較大,盆式特征比較明顯,最大沉降點SL13累計沉降5.20mm,盆邊有輕微隆起的現象(見圖8c)。 4)第4層土方開挖、混凝土支撐完成時,地鐵盾構隧道上行線在SL09~SL25累計沉降最大,盆式特征更為明顯,最大沉降點SL12累計沉降9.95mm,幾乎接近10mm的極限,但日變形量仍然很小,盆邊仍然有輕微隆起的現象(見圖8d)。 5)基坑墊層和底板施工期間,地鐵盾構隧道上行線日沉降量很小,而且多日出現整體輕微隆起的現象。基坑墊層和底板施工完成時,地鐵盾構隧道上行線累計沉降的盆式特征仍然未變,但盆中SL12~SL19隆起較為明顯,其中SL15點累計隆起1.87mm,盆邊隆起的現象消失,最大沉降點SL10累計沉降9.62mm(見圖8e)。4 結語 在運營地鐵保護區內,特別是在距離地鐵隧道僅6.50m的地方,進行大面積的深基坑開挖,風險巨大。在加強施工組織管理,確保人力、物力及時有效地投入的同時,對關鍵工序進行了深入研究和試驗后指導施工,成效顯著。土方開挖、墊層及底板全部施工完成時,同步監測數據顯示,中隔墻最大位移點的平面位置在其中部轉折處,發生深度為-17m左右,位移值為32.5mm。地鐵盾構隧道結構收斂基本沒有變化,隧道沉降最大值為9.95mm,至深基坑結構出±0.00后,仍穩定在9.17mm左右,實現了在深基坑施工期間,確保地鐵隧道沉降變形不大于10mm的目標。參考文獻:[1]謝兆耕,傅先華.緊鄰地鐵隧道超長深層攪拌樁加固施工試驗[J].施工技術,2006,(1).