紧贴运营地铁隧道的深基坑施工技术[摘要]上海金昌摩尔大厦在运营地铁保护区内进行大面积的深基坑施工,风险高,难度大。在没有经验可以借鉴的前提下,采取SMW深层搅拌桩、地下连续墙“隔四做一”、对称式土体加固、十字跳跃对称式挖土、底板垫层内设预应力H型钢等措施,在对关键工序进行深入研究和试验后指导施工。同步监测数据显示,施工期间深基坑施工对地铁隧道的不良影响控制在允许范围内,确保了运营地铁的安全。[关键词]深基坑;地铁隧道;影响;施工技术1 工程概况 上海金昌摩尔大厦工程占地面积114 358m2。建筑红线内西部有地铁1号线,红线外东侧西藏中路下有M8号线地铁隧道穿过。为充分利用地下空间,在距地铁1号线上行线隧道以东6.50m处,采用地下连续墙作为中隔墙,以东为深基坑,以西为浅基坑(见图1)。 深基坑开挖面积约5 850m2,开挖深度14.10m。浅基坑开挖面积约5 950m2,开挖深度4.90m,其下有地铁1号线通过。地铁隧道顶埋深约8.45m,开挖底面距离隧道顶约3.55m。2 深基坑关键工序施工技术 为最大限度地降低深基坑施工对地铁隧道的影响,必须有效控制围护结构变形,特别要有效控制中隔墙的变形。为此,从以下几个关键工序入手,制定了有针对性的专项方案指导施工。
2.1 超长SMW深层搅拌桩施工 本工程深基坑采用32m深地下连续墙围护,与中隔墙形成闭合;浅基坑则采用SMW工法桩围护。 地铁1号线区间隧道的底部埋深约为-15.55m, 中隔墙与地铁1号线上行线隧道净距仅6.50m,地下连续墙施工深度超过隧道底部达17m(见图2)。为防止地下连续墙施工过程中,因地铁运营引起的振动或护壁失败、槽壁坍塌造成土体位移,影响地铁1号线的正常运行,在地下连续墙两侧采用长31m的超长SMW深层搅拌桩加固土体,要求加固体的强度≥1.5MPa。由于没有施工经验可以借鉴,施工方法不当也将会对地铁隧道造成不良影响,施工风险很大。为此,在地铁隧道保护区以外,布置了1排共计6组SMW工法桩,选用3套不同的施工参数,采用“隔四打一,逐渐加密”的方法进行试验性施工。桩位及测试孔如图3所示。 通过试验性施工发现,当Z1、Z6施工完成后,施工Z2时,由于间隔4幅桩,而且Z1施工后有一定的间歇时间,应力得到了释放,Z2施工引起土体的变形量较小。而选用水灰比1.2,提升和下沉速度均采用0.3~0.5m/min的参数施工,既与施工设备能力相匹配,对土体变形的影响也最小[1]。2.2 地下连续墙“隔四做一” 地铁1号线上行线隧道东侧的中隔墙,由19幅地下连续墙组成。施工深度远大于地铁隧道的底部埋深(见图2),虽然两侧土体已先行加固,但为防止意外,仍采取了以下针对性措施: 1)地下连续墙施工前,对两侧已施工的SMW深层搅拌桩加固体进行抽芯检验,强度达到设计要求后,再开始施工。 2)调整地下连续墙分幅施工顺序,采取“隔四做一”的方法组织施工,施工顺序如图4所示。 3)首幅墙施工时,在地铁停运的7h内试验性施工,并在次日地铁运行前,保证混凝土浇注高度达到隧道中轴线。地铁监护部门对隧道进行同步监测,即时反馈测试数据。如果隧道变形没有增大或在允许范围内,后续各幅则可以24h正常施工,仍进行同步监测。 4)如监测数据出现异常,则立即暂停施工,待监测数据恢复正常后,重复措施3)。2.3 对称式土体加固 为避免地铁隧道同时承受下沉和隆起的双重影响,本工程按照先深后浅的原则,即深基坑先行施工。对于中隔墙来说,当深基坑开始土方开挖时,墙背土压力的大小对中隔墙位移的影响较大。为此,仍采用SMW工法桩,提前对中隔墙两侧的土体进行对称式加固,提高土体的力学性质。当抽芯检验表明加固体强度达到设计要求后,深基坑开始土方开挖。 中隔墙以西土体加固区西边缘与地铁隧道的距离仅为3.0m。为将土体加固施工对地铁隧道的影响控制在允许范围内,在地铁停运的7h内,按照“隔四做一,逐渐加密”的方法,先施工距隧道最近的一排,使其南北向闭合后,避开地铁运营高峰时间(7:00~9:00,17:00~21:00),施工下一排,并逐渐远离隧道。施工过程中,通过对均匀设置在隧道井壁上的监测点(SCJ01~SCJ31)进行跟踪监测,结果显示隧道垂直位移最大值为0.4mm,而隧道环向收敛基本没有变化,隧道结构是安全的(见图5)。2.4 十字跳跃对称式挖土 深基坑设置了3道钢筋混凝土支撑和围檩,第1道支撑施工时正值3月中旬,最高温度小于15℃。支撑施工完成一周后,回弹仪测试结果显示,混凝土强度均达到80%(添加早强剂)。随着温度逐渐升高,混凝土强度将快速上升,但要达到设计工作强度,工艺间歇时间必不可少。因此,根据时空效应原理,深基坑土方总体上采用盆式开挖法(见图6),而盆边土方则采用十字跳跃对称挖土的方式,减小围护结构无支撑暴露的空间和时间。 1)第2层土方开挖 如图6a所示,第2层土方开挖时,限时挖除盆中土方,并做好盆中部位的支撑。此时已是3月下旬,最高温度达到了20℃以上,盆中部位支撑施工完成2d后,开始开挖盆边土方。盆边土方按照图6a中数字,由小到大,十字跳跃开挖,及时形成对撑。每一块从土方开挖到混凝土浇注完成,均限制在16~20h以内。当东西向和南北向分别形成3道以上的对撑后,再分别开挖角部的土方,并完成相应支撑。2)第3层土方开挖 第3层土方的开挖深度已经位于地铁隧道中轴线以下,因此土方开挖时围护结构的变形对地铁隧道的影响最大。由于有大量的工程桩头要处理,坑中坑的土方要二次开挖,所以垫层施工前的工序工作时间必然增加,对土方开挖空间的限制就更加严格。 如图6b所示,第3层土方分成两部分开挖,中隔墙以东15m范围内的土方暂时保留。其余部位的土方仍采用盆式开挖方式,先挖除盆中土方,同时依次开挖坑中坑,并及时处理工程桩头,及时浇注垫层。盆边按照图6b中数字,由小到大,依次对称开挖。中隔墙以东15m范围内的土方,分成3m宽、共计33块,从南北两端开始,依次对称开挖。2.5 底板垫层内设预应力H型钢支撑 为控制中隔墙以东15m范围内的土方开挖引起中隔墙变形,除了降低每块土方的开挖面积外,在地下连续墙的接头部位,左右分别对称设置一根H型钢支撑(浇注在垫层内),一端作用在地下连续墙体上,另一端作用在已经完成的混凝土垫层上,并按设计要求施加预应力。为提供足够的反力,垫层的厚度增大为30cm,同时在垫层内设置一道暗梁(见图7)。3 地铁盾构隧道沉降变形监测数据分析 为及时获得地铁盾构隧道沉降变形数据,在地铁1号线上、下行线盾构隧道内,分别设置了32个自动监测点(SL01~SL32),同时辅以人工监测。 1)第1层土方开挖、混凝土支撑完成时,地铁盾构隧道上行线总体沉降不大,最大沉降点SL25累计沉降3.21mm(见图8a)。 2)第2层土方开挖、混凝土支撑完成时,地铁盾构隧道上行线总体沉降基本没有变化,最大沉降点SL25累计沉降3.01mm(见图8b)。 3)第3层土方开挖、混凝土支撑完成时,地铁盾构隧道上行线在SL09~SL25累计沉降较大,盆式特征比较明显,最大沉降点SL13累计沉降5.20mm,盆边有轻微隆起的现象(见图8c)。 4)第4层土方开挖、混凝土支撑完成时,地铁盾构隧道上行线在SL09~SL25累计沉降最大,盆式特征更为明显,最大沉降点SL12累计沉降9.95mm,几乎接近10mm的极限,但日变形量仍然很小,盆边仍然有轻微隆起的现象(见图8d)。 5)基坑垫层和底板施工期间,地铁盾构隧道上行线日沉降量很小,而且多日出现整体轻微隆起的现象。基坑垫层和底板施工完成时,地铁盾构隧道上行线累计沉降的盆式特征仍然未变,但盆中SL12~SL19隆起较为明显,其中SL15点累计隆起1.87mm,盆边隆起的现象消失,最大沉降点SL10累计沉降9.62mm(见图8e)。4 结语 在运营地铁保护区内,特别是在距离地铁隧道仅6.50m的地方,进行大面积的深基坑开挖,风险巨大。在加强施工组织管理,确保人力、物力及时有效地投入的同时,对关键工序进行了深入研究和试验后指导施工,成效显著。土方开挖、垫层及底板全部施工完成时,同步监测数据显示,中隔墙最大位移点的平面位置在其中部转折处,发生深度为-17m左右,位移值为32.5mm。地铁盾构隧道结构收敛基本没有变化,隧道沉降最大值为9.95mm,至深基坑结构出±0.00后,仍稳定在9.17mm左右,实现了在深基坑施工期间,确保地铁隧道沉降变形不大于10mm的目标。参考文献:[1]谢兆耕,傅先华.紧邻地铁隧道超长深层搅拌桩加固施工试验[J].施工技术,2006,(1).
2.1 超长SMW深层搅拌桩施工 本工程深基坑采用32m深地下连续墙围护,与中隔墙形成闭合;浅基坑则采用SMW工法桩围护。 地铁1号线区间隧道的底部埋深约为-15.55m, 中隔墙与地铁1号线上行线隧道净距仅6.50m,地下连续墙施工深度超过隧道底部达17m(见图2)。为防止地下连续墙施工过程中,因地铁运营引起的振动或护壁失败、槽壁坍塌造成土体位移,影响地铁1号线的正常运行,在地下连续墙两侧采用长31m的超长SMW深层搅拌桩加固土体,要求加固体的强度≥1.5MPa。由于没有施工经验可以借鉴,施工方法不当也将会对地铁隧道造成不良影响,施工风险很大。为此,在地铁隧道保护区以外,布置了1排共计6组SMW工法桩,选用3套不同的施工参数,采用“隔四打一,逐渐加密”的方法进行试验性施工。桩位及测试孔如图3所示。 通过试验性施工发现,当Z1、Z6施工完成后,施工Z2时,由于间隔4幅桩,而且Z1施工后有一定的间歇时间,应力得到了释放,Z2施工引起土体的变形量较小。而选用水灰比1.2,提升和下沉速度均采用0.3~0.5m/min的参数施工,既与施工设备能力相匹配,对土体变形的影响也最小[1]。2.2 地下连续墙“隔四做一” 地铁1号线上行线隧道东侧的中隔墙,由19幅地下连续墙组成。施工深度远大于地铁隧道的底部埋深(见图2),虽然两侧土体已先行加固,但为防止意外,仍采取了以下针对性措施: 1)地下连续墙施工前,对两侧已施工的SMW深层搅拌桩加固体进行抽芯检验,强度达到设计要求后,再开始施工。 2)调整地下连续墙分幅施工顺序,采取“隔四做一”的方法组织施工,施工顺序如图4所示。 3)首幅墙施工时,在地铁停运的7h内试验性施工,并在次日地铁运行前,保证混凝土浇注高度达到隧道中轴线。地铁监护部门对隧道进行同步监测,即时反馈测试数据。如果隧道变形没有增大或在允许范围内,后续各幅则可以24h正常施工,仍进行同步监测。 4)如监测数据出现异常,则立即暂停施工,待监测数据恢复正常后,重复措施3)。2.3 对称式土体加固 为避免地铁隧道同时承受下沉和隆起的双重影响,本工程按照先深后浅的原则,即深基坑先行施工。对于中隔墙来说,当深基坑开始土方开挖时,墙背土压力的大小对中隔墙位移的影响较大。为此,仍采用SMW工法桩,提前对中隔墙两侧的土体进行对称式加固,提高土体的力学性质。当抽芯检验表明加固体强度达到设计要求后,深基坑开始土方开挖。 中隔墙以西土体加固区西边缘与地铁隧道的距离仅为3.0m。为将土体加固施工对地铁隧道的影响控制在允许范围内,在地铁停运的7h内,按照“隔四做一,逐渐加密”的方法,先施工距隧道最近的一排,使其南北向闭合后,避开地铁运营高峰时间(7:00~9:00,17:00~21:00),施工下一排,并逐渐远离隧道。施工过程中,通过对均匀设置在隧道井壁上的监测点(SCJ01~SCJ31)进行跟踪监测,结果显示隧道垂直位移最大值为0.4mm,而隧道环向收敛基本没有变化,隧道结构是安全的(见图5)。2.4 十字跳跃对称式挖土 深基坑设置了3道钢筋混凝土支撑和围檩,第1道支撑施工时正值3月中旬,最高温度小于15℃。支撑施工完成一周后,回弹仪测试结果显示,混凝土强度均达到80%(添加早强剂)。随着温度逐渐升高,混凝土强度将快速上升,但要达到设计工作强度,工艺间歇时间必不可少。因此,根据时空效应原理,深基坑土方总体上采用盆式开挖法(见图6),而盆边土方则采用十字跳跃对称挖土的方式,减小围护结构无支撑暴露的空间和时间。 1)第2层土方开挖 如图6a所示,第2层土方开挖时,限时挖除盆中土方,并做好盆中部位的支撑。此时已是3月下旬,最高温度达到了20℃以上,盆中部位支撑施工完成2d后,开始开挖盆边土方。盆边土方按照图6a中数字,由小到大,十字跳跃开挖,及时形成对撑。每一块从土方开挖到混凝土浇注完成,均限制在16~20h以内。当东西向和南北向分别形成3道以上的对撑后,再分别开挖角部的土方,并完成相应支撑。2)第3层土方开挖 第3层土方的开挖深度已经位于地铁隧道中轴线以下,因此土方开挖时围护结构的变形对地铁隧道的影响最大。由于有大量的工程桩头要处理,坑中坑的土方要二次开挖,所以垫层施工前的工序工作时间必然增加,对土方开挖空间的限制就更加严格。 如图6b所示,第3层土方分成两部分开挖,中隔墙以东15m范围内的土方暂时保留。其余部位的土方仍采用盆式开挖方式,先挖除盆中土方,同时依次开挖坑中坑,并及时处理工程桩头,及时浇注垫层。盆边按照图6b中数字,由小到大,依次对称开挖。中隔墙以东15m范围内的土方,分成3m宽、共计33块,从南北两端开始,依次对称开挖。2.5 底板垫层内设预应力H型钢支撑 为控制中隔墙以东15m范围内的土方开挖引起中隔墙变形,除了降低每块土方的开挖面积外,在地下连续墙的接头部位,左右分别对称设置一根H型钢支撑(浇注在垫层内),一端作用在地下连续墙体上,另一端作用在已经完成的混凝土垫层上,并按设计要求施加预应力。为提供足够的反力,垫层的厚度增大为30cm,同时在垫层内设置一道暗梁(见图7)。3 地铁盾构隧道沉降变形监测数据分析 为及时获得地铁盾构隧道沉降变形数据,在地铁1号线上、下行线盾构隧道内,分别设置了32个自动监测点(SL01~SL32),同时辅以人工监测。 1)第1层土方开挖、混凝土支撑完成时,地铁盾构隧道上行线总体沉降不大,最大沉降点SL25累计沉降3.21mm(见图8a)。 2)第2层土方开挖、混凝土支撑完成时,地铁盾构隧道上行线总体沉降基本没有变化,最大沉降点SL25累计沉降3.01mm(见图8b)。 3)第3层土方开挖、混凝土支撑完成时,地铁盾构隧道上行线在SL09~SL25累计沉降较大,盆式特征比较明显,最大沉降点SL13累计沉降5.20mm,盆边有轻微隆起的现象(见图8c)。 4)第4层土方开挖、混凝土支撑完成时,地铁盾构隧道上行线在SL09~SL25累计沉降最大,盆式特征更为明显,最大沉降点SL12累计沉降9.95mm,几乎接近10mm的极限,但日变形量仍然很小,盆边仍然有轻微隆起的现象(见图8d)。 5)基坑垫层和底板施工期间,地铁盾构隧道上行线日沉降量很小,而且多日出现整体轻微隆起的现象。基坑垫层和底板施工完成时,地铁盾构隧道上行线累计沉降的盆式特征仍然未变,但盆中SL12~SL19隆起较为明显,其中SL15点累计隆起1.87mm,盆边隆起的现象消失,最大沉降点SL10累计沉降9.62mm(见图8e)。4 结语 在运营地铁保护区内,特别是在距离地铁隧道仅6.50m的地方,进行大面积的深基坑开挖,风险巨大。在加强施工组织管理,确保人力、物力及时有效地投入的同时,对关键工序进行了深入研究和试验后指导施工,成效显著。土方开挖、垫层及底板全部施工完成时,同步监测数据显示,中隔墙最大位移点的平面位置在其中部转折处,发生深度为-17m左右,位移值为32.5mm。地铁盾构隧道结构收敛基本没有变化,隧道沉降最大值为9.95mm,至深基坑结构出±0.00后,仍稳定在9.17mm左右,实现了在深基坑施工期间,确保地铁隧道沉降变形不大于10mm的目标。参考文献:[1]谢兆耕,傅先华.紧邻地铁隧道超长深层搅拌桩加固施工试验[J].施工技术,2006,(1).
