地下连续墙大面积微损开洞施工技术【摘要】介绍上海地铁人民广场站换乘大厅工程在既有地下连续墙墙体上进行大面积门洞施工时采用的微损开洞技术。施工中，通过理论分析预测和现场实测，优化了施工方案，不仅保证了既有结构的安全，也有效控制了既有结构的各项变形。该项技术不仅适用于轨道交通工程，还适用于其他类型的地下建筑，可提供一定的借鉴作用。【关键词】建筑结构地下连续墙微损开洞技术开洞顺序优化实时监测1 工程概况 上海地铁人民广场站换乘大厅位于上海西藏中路和九江路路口的西南角，介于地铁1号线、2号线和联络长通道之间，并利用其现有轮廓扩大而成，呈三角形，可实现地铁1号线、2号线、8号线三线客流的集中换乘。 人民广场站换乘大厅作为轨道交通三线换乘枢纽，为达到快速便捷的换乘目的，需要在1号线的站厅层、2号线的站厅层、下一层以及联络长通道的800 mm厚地下连续墙上大量开设换乘门洞。门洞数量共计25只，门洞宽度最小1.2 m，最大8 m，高度2.75 m～4.4 m。
2 难点分析 人民广场站换乘大厅门洞开设数量达25个，宽度最大为8 m，在既有地下连续墙上进行如此大面积、大规模的门洞施工，是相当少见的，施工难度也非常大。再者，在既有结构的地下连续墙上开凿如此大量的门洞，势必将改变其受力性状，结构刚度和整体性能都将大大削弱。而且地铁1、2号线都已开通，车站结构及轨道正处于运营状态，除了要保证开凿门洞的车站结构的安全外，还要严格控制结构及轨道的各项变形在规范许可范围内，施工难度和风险相当大。尤其是地铁1号线车站为单衬墙，自身墙体刚度非常小，开设如此数量的门洞对既有车站结构影响相当大。3 施工技术研究3.1 开洞顺序优化分析 在人民广场站换乘大厅建设过程中，需要在地铁1号线站厅层开设5只3 m×8 m的大型洞口，总长度为站厅长度的10%，相邻两洞口最短间距仅为9 m。为保证开洞完成后整个站厅结构的安全性，同时尽量减小新开洞口对已完成洞口的影响，必须对1号线站厅进行开洞顺序优化分析。3.1.1 开洞顺序假定 在进行分析前，我们首先假定了两种不同的开洞方式。第一为“1-2-3-4-5”，即顺序开洞方法；第二为“3-2-4-1-5”，即中间开洞方法。分析方法采用有限元单元生死技术，分别按照两种不同顺序“杀死”被凿除的洞口，最终通过对比两种开洞顺序洞口位置的挠度曲线来判定新开洞口对既有洞口的影响。 图4给出了采用顺序1开洞时洞口位置的竖向挠度曲线。应当指出的是，该组曲线的挠度已经减去了未开洞口时墙体在恒活荷载作用下的竖向挠度，也即曲线的挠度值均为相对挠度。该组挠度曲线表明采用顺序1开洞时： 新洞口的开凿会加大前面洞口的挠度，增大的幅度约为7.5%。 新增洞口的影响范围仅仅局限于对前一个洞口（例如：洞口3的开凿仅影响洞口2的挠度，而对洞口1的影响甚微）。3.1.3 采用顺序2对墙体开洞的有限元分析 图5是采用顺序2开洞时墙体的最后挠度曲线，与顺序1前文类似，该组曲线亦减去了未开洞口时墙体的竖向挠度，曲线数据也是相对值。该组挠度曲线表明，采用顺序2开洞时： 新开洞口会加大既有洞口的挠度值，增大幅度约为7.5%； 新开洞口仅影响上次开凿洞口，但影响方式较顺序1复杂。3.1.4 结论 两种假定的开洞顺序分析表明，两种不同的开洞顺序最终得到的洞口挠度值一致，新开洞口都会加大既有洞口的挠度，影响也仅局限于上一次开凿的洞口，增大幅度约为7.5%。但采用顺序2开凿的影响方式较洞口1复杂，且理论上较实际情况偏小，因此,采用顺序1的方式开洞是最优化方案。3.2 微损开洞施工技术3.2.1 施工工艺流程 抽条凿除老结构地下墙混凝土（型钢顶撑制作）→安装型钢顶撑→凿除剩余老结构地下墙混凝土→安装全断面注浆管→门洞梁、柱钢筋绑扎（止水角铁框制作）→预埋止水角铁框→门洞梁柱支模、浇筑混凝土→门洞梁柱拆模→型钢顶撑拆除→安装可卸式止水带→全断面注浆管注浆。3.2.2 技术方案 （1）准备阶段 ①在地铁1号线、2号线站厅层及联络长通道一侧内将门洞施工范围内的各类既有设施及管线进行搬移，确保门洞处施工范围内无影响施工的物体。 ②待影响施工的设施搬移后，在站厅层一侧进行门洞施工作业点封闭围护，做到绿色施工，以确保门洞施工不影响既有地铁车站的正常运营。 （2）门洞凿除阶段 ①凿除地下连续墙钢筋保护层，割断地下连续墙钢筋。 ②根据门洞宽度确定架设型钢临时顶撑的根数，一般不得少于1根，当门洞宽度大于8 m的，不得少于3根。从上至下由门洞一侧抽条凿除地下连续墙混凝土，抽条宽度1～2 m，在凿除地下连续墙位置中间位置附近架设型钢顶撑。 ③用10 mm厚钢板或8#槽钢焊接地下连续墙主筋，然后用神仙葫芦吊起并安装型钢顶撑，型钢顶撑采用300H型钢，型钢上部1 m由300H型钢调整为300 mm×200 mm。型钢顶撑最上端用钢板与地下连续墙楔紧后将型钢顶撑、钢板、地下墙主筋电焊焊接固定。 ④凿除剩余部分地下连续墙混凝土。 （3）门洞结构施工阶段 ①在门洞四周新老结构相贴处打注水膨胀聚氨酯密封胶，并在门洞地下连续墙中间四周安装全断面出浆注浆管。 ②按设计图纸要求绑扎柱钢筋及门框梁钢筋，并安装门框可卸式止水装置的角铁框。 ③门洞梁柱结构施工。 （4）收尾清理阶段 ①当混凝土达到强度后，拆除门框排架及梁底模并拆除型钢顶撑。 ②安装可卸式止水带，并通过全断面出浆注浆管对门框新老混凝土交接处进行注水泥浆。门洞防水节点图详见图7。 ③恢复老结构门洞处装饰、设施、管线，拆除彩钢板围护。3.3 现场监测 在采用微损开洞施工技术的同时，我们还对门洞周边的地下连续墙进行了现场监测，监测墙体在拆除过程中的变形情况。监测设备采用JDEBJ-2型振弦式混凝土表面应变计并配合数据采集系统进行现场监测。 经有限元初步计算分析表明，洞口开设后沿洞口上方的应变变化最大，为此选定17号门洞作为主要监测对象，在该洞口上方布置了三个测点。 整个监测过程历时45 d，共进行了3次数据采集。图8为17号门洞正上方测点的应变监测情况。 监测结果反映了洞口开设过程中的应变发展情况，即在门洞顶端墙体应变变化最剧烈且以拉应变为主。相对于初始应变状态，该门洞上方墙体的应变随着洞口的开设增大了306.1μe，应变的发展基本呈现为线性发展过程，表明了开洞后洞口上方墙体处于受拉状态，需要在门洞开凿完成后及时施加支撑体系，以防止洞口顶部受载过大引起破坏。这点与微损开洞技术中即时安装型钢顶撑是相吻合的。通过对曲线的分析也表明，采用微损开洞技术造成的应变集中相对较小，对地下连续墙的影响较小，保证了既有车站结构的安全。4 结语 上海地铁人民广场站换乘大厅在既有地下连续墙上大面积开设门洞，门洞数量、规模如此巨大，在业界较为罕见。通过对老车站地下连续墙大面积微损开洞技术的研究，将理论分析预测和现场实测相结合，再通过多方案对比优化，以及抽条凿除、设置临时顶撑等措施，保证了车站结构的安全，有效控制了结构的各项变形。 该项新技术不仅适用于轨道交通工程，也可应用于其他新建地下工程与周边已建工程地下结构连通时的老结构地下墙开门洞施工。因此，地下连续墙大面积微损开洞技术对今后类似工程具有一定的借鉴和指导意义。参考文献[1]阎维明，周福霖，谭平，土木工程结构振动控制的研究进展，世界地震工程，Vol.13(2)，1997，6:9-20.[2]孙鸿敏，李宏男，土木工程结构健康监测研究进展，防灾减灾工程学报，Vol.23(3),2003,9:92-98.[3]铁道部科学研究院铁道建筑研究所，振动测试和分析，人民铁道出版社，1979.
2 难点分析 人民广场站换乘大厅门洞开设数量达25个，宽度最大为8 m，在既有地下连续墙上进行如此大面积、大规模的门洞施工，是相当少见的，施工难度也非常大。再者，在既有结构的地下连续墙上开凿如此大量的门洞，势必将改变其受力性状，结构刚度和整体性能都将大大削弱。而且地铁1、2号线都已开通，车站结构及轨道正处于运营状态，除了要保证开凿门洞的车站结构的安全外，还要严格控制结构及轨道的各项变形在规范许可范围内，施工难度和风险相当大。尤其是地铁1号线车站为单衬墙，自身墙体刚度非常小，开设如此数量的门洞对既有车站结构影响相当大。3 施工技术研究3.1 开洞顺序优化分析 在人民广场站换乘大厅建设过程中，需要在地铁1号线站厅层开设5只3 m×8 m的大型洞口，总长度为站厅长度的10%，相邻两洞口最短间距仅为9 m。为保证开洞完成后整个站厅结构的安全性，同时尽量减小新开洞口对已完成洞口的影响，必须对1号线站厅进行开洞顺序优化分析。3.1.1 开洞顺序假定 在进行分析前，我们首先假定了两种不同的开洞方式。第一为“1-2-3-4-5”，即顺序开洞方法；第二为“3-2-4-1-5”，即中间开洞方法。分析方法采用有限元单元生死技术，分别按照两种不同顺序“杀死”被凿除的洞口，最终通过对比两种开洞顺序洞口位置的挠度曲线来判定新开洞口对既有洞口的影响。 图4给出了采用顺序1开洞时洞口位置的竖向挠度曲线。应当指出的是，该组曲线的挠度已经减去了未开洞口时墙体在恒活荷载作用下的竖向挠度，也即曲线的挠度值均为相对挠度。该组挠度曲线表明采用顺序1开洞时： 新洞口的开凿会加大前面洞口的挠度，增大的幅度约为7.5%。 新增洞口的影响范围仅仅局限于对前一个洞口（例如：洞口3的开凿仅影响洞口2的挠度，而对洞口1的影响甚微）。3.1.3 采用顺序2对墙体开洞的有限元分析 图5是采用顺序2开洞时墙体的最后挠度曲线，与顺序1前文类似，该组曲线亦减去了未开洞口时墙体的竖向挠度，曲线数据也是相对值。该组挠度曲线表明，采用顺序2开洞时： 新开洞口会加大既有洞口的挠度值，增大幅度约为7.5%； 新开洞口仅影响上次开凿洞口，但影响方式较顺序1复杂。3.1.4 结论 两种假定的开洞顺序分析表明，两种不同的开洞顺序最终得到的洞口挠度值一致，新开洞口都会加大既有洞口的挠度，影响也仅局限于上一次开凿的洞口，增大幅度约为7.5%。但采用顺序2开凿的影响方式较洞口1复杂，且理论上较实际情况偏小，因此,采用顺序1的方式开洞是最优化方案。3.2 微损开洞施工技术3.2.1 施工工艺流程 抽条凿除老结构地下墙混凝土（型钢顶撑制作）→安装型钢顶撑→凿除剩余老结构地下墙混凝土→安装全断面注浆管→门洞梁、柱钢筋绑扎（止水角铁框制作）→预埋止水角铁框→门洞梁柱支模、浇筑混凝土→门洞梁柱拆模→型钢顶撑拆除→安装可卸式止水带→全断面注浆管注浆。3.2.2 技术方案 （1）准备阶段 ①在地铁1号线、2号线站厅层及联络长通道一侧内将门洞施工范围内的各类既有设施及管线进行搬移，确保门洞处施工范围内无影响施工的物体。 ②待影响施工的设施搬移后，在站厅层一侧进行门洞施工作业点封闭围护，做到绿色施工，以确保门洞施工不影响既有地铁车站的正常运营。 （2）门洞凿除阶段 ①凿除地下连续墙钢筋保护层，割断地下连续墙钢筋。 ②根据门洞宽度确定架设型钢临时顶撑的根数，一般不得少于1根，当门洞宽度大于8 m的，不得少于3根。从上至下由门洞一侧抽条凿除地下连续墙混凝土，抽条宽度1～2 m，在凿除地下连续墙位置中间位置附近架设型钢顶撑。 ③用10 mm厚钢板或8#槽钢焊接地下连续墙主筋，然后用神仙葫芦吊起并安装型钢顶撑，型钢顶撑采用300H型钢，型钢上部1 m由300H型钢调整为300 mm×200 mm。型钢顶撑最上端用钢板与地下连续墙楔紧后将型钢顶撑、钢板、地下墙主筋电焊焊接固定。 ④凿除剩余部分地下连续墙混凝土。 （3）门洞结构施工阶段 ①在门洞四周新老结构相贴处打注水膨胀聚氨酯密封胶，并在门洞地下连续墙中间四周安装全断面出浆注浆管。 ②按设计图纸要求绑扎柱钢筋及门框梁钢筋，并安装门框可卸式止水装置的角铁框。 ③门洞梁柱结构施工。 （4）收尾清理阶段 ①当混凝土达到强度后，拆除门框排架及梁底模并拆除型钢顶撑。 ②安装可卸式止水带，并通过全断面出浆注浆管对门框新老混凝土交接处进行注水泥浆。门洞防水节点图详见图7。 ③恢复老结构门洞处装饰、设施、管线，拆除彩钢板围护。3.3 现场监测 在采用微损开洞施工技术的同时，我们还对门洞周边的地下连续墙进行了现场监测，监测墙体在拆除过程中的变形情况。监测设备采用JDEBJ-2型振弦式混凝土表面应变计并配合数据采集系统进行现场监测。 经有限元初步计算分析表明，洞口开设后沿洞口上方的应变变化最大，为此选定17号门洞作为主要监测对象，在该洞口上方布置了三个测点。 整个监测过程历时45 d，共进行了3次数据采集。图8为17号门洞正上方测点的应变监测情况。 监测结果反映了洞口开设过程中的应变发展情况，即在门洞顶端墙体应变变化最剧烈且以拉应变为主。相对于初始应变状态，该门洞上方墙体的应变随着洞口的开设增大了306.1μe，应变的发展基本呈现为线性发展过程，表明了开洞后洞口上方墙体处于受拉状态，需要在门洞开凿完成后及时施加支撑体系，以防止洞口顶部受载过大引起破坏。这点与微损开洞技术中即时安装型钢顶撑是相吻合的。通过对曲线的分析也表明，采用微损开洞技术造成的应变集中相对较小，对地下连续墙的影响较小，保证了既有车站结构的安全。4 结语 上海地铁人民广场站换乘大厅在既有地下连续墙上大面积开设门洞，门洞数量、规模如此巨大，在业界较为罕见。通过对老车站地下连续墙大面积微损开洞技术的研究，将理论分析预测和现场实测相结合，再通过多方案对比优化，以及抽条凿除、设置临时顶撑等措施，保证了车站结构的安全，有效控制了结构的各项变形。 该项新技术不仅适用于轨道交通工程，也可应用于其他新建地下工程与周边已建工程地下结构连通时的老结构地下墙开门洞施工。因此，地下连续墙大面积微损开洞技术对今后类似工程具有一定的借鉴和指导意义。参考文献[1]阎维明，周福霖，谭平，土木工程结构振动控制的研究进展，世界地震工程，Vol.13(2)，1997，6:9-20.[2]孙鸿敏，李宏男，土木工程结构健康监测研究进展，防灾减灾工程学报，Vol.23(3),2003,9:92-98.[3]铁道部科学研究院铁道建筑研究所，振动测试和分析，人民铁道出版社，1979.
