鬧市中心緊臨地鐵的超深基坑逆作法施工技術【摘要】地處鬧市中心的深基坑工程,緊鄰運營中的地鐵2號線,而且周邊環境復雜,采用逆作法成功完成了地下5層超深基坑施工,確保了基坑及周邊環境和建筑的安全。深基坑逆作法施工,具有減少基坑變形、節省費用、縮短工期等憂點。【關鍵詞】深基坑工程逆作法支撐體系承壓水降水1 工程概況 廖創興金融中心大廈位于上海市黃浦區南京西路與新昌路交叉口。基地占地面積約5 151 m2,地下室5層,基坑平均開挖深度為22.4 m,局部深坑挖深達28.4 m。上部3層裙房,主樓34層,建筑總高度161.50 m,為一類超高層建筑,建筑總面積72 000 m2。 基礎形式為鋼筋混凝土灌注樁及現澆鋼筋混凝土厚底板基礎,底板厚為3 m和2 m兩種,工程樁為φ850 mm和φ1 100 mm的鉆孔灌注樁共460根,立柱樁126根,采用φ770 mm和φ630 mm鋼管混凝土立柱以及480 mm×480 mm格構柱。圍護結構為地下連續墻,墻厚1 000 mm,深度35 m,近萬象商廈及地鐵2號線位置,深度為36 m和39 m。 基坑周邊環境復雜,管線及建筑物距離基坑較近,運營中的2號線地鐵隧道,離基坑南側內邊線距離約13 m,隧道內徑6 m、頂標高約-13.500 m(圖1)。
2 地質條件 根據廖創興金融中心大廈巖土工程勘察報告,本工程場區地質單元屬長江三角洲沖淤積平原,土性由粘性土和砂性土組成。第⑤2層粉質粘土夾少量粉砂。地層土結構較松散,透水性強,在動水條件下易產生流砂等不良現象;基坑開挖層以下有高水頭的承壓含水層(第⑦層砂土),對基坑底板的穩定性產生不利影響。3 逆作法圍護設計3.1 結構支撐體系 根據常規的結構受力特點,結構上部的荷載通過豎向結構將力傳遞至底板繼而至工程樁。而逆作法施工時,上層的結構優先于下層結構施工,荷載無法通過豎向結構進行傳遞,因此需設置臨時的豎向傳力體系卸除上部荷載。同時因逆作施工需要而留設的臨時取土洞口,切斷了力的水平傳遞,需在洞口內設置臨時的橫向傳力體系以傳遞水平力。3.1.1 豎向傳力體系 逆作法各層結構施工時只施工梁板結構,柱及剪力墻順作,因此在各豎向傳力節點處設置臨時支柱使力系通過支柱向下傳遞。主要的支柱形式為φ770 mm和φ630 mm鋼管混凝土立柱、480 mm×480 mm格構柱,立柱錨入鉆孔灌注樁內的深度為3 m,各立柱的頂標高為-0.300 m。3.1.2 水平向傳力體系 各層板面均留4個取土口,洞口空缺處除首層為鋼支撐外均采用混凝土梁作為支撐,支撐面標高均與相應結構樓層面標高相同。支撐的端點支承于梁上或柱梁節點位置,以更有效傳遞水平力。3.1.3 首層板加固 逆作法首層板作為土方運輸的行走路線及抓土機的施工區,承受較大的荷載,根據本工程采用的挖機及土方運輸車的重量,設計院出圖,確定在首層板上對板進行加固處理。 主要是調整板的配筋,配筋加密,直徑加大的方式。加固完以后的結構樓板最大荷載為活載33.5 kN/m2恒載:5 kN/m2;一般荷載區為活載5 kN/m2恒載:5 kN/m2;土方車行走區域為活載16.5 kN/m2恒載5 kN/m2。在施工過程中,嚴格限制車輛的行走范圍,土方車及挖機在指定的范圍內行走。3.2 基坑內土體加固 由于地基土的力學指標較弱,粉質土比率較大,為控制地墻變形和建筑物位移,且根據上海市軌道交通管理條例,為保障地鐵2號線運營安全正常,對基坑采用旋噴樁加固。 加固分兩個區域:一是在地墻邊寬度6 m范圍內采用鋸齒形加固,二是在靠地鐵一側沿地墻邊10 m寬度范圍內采用格構式加固,加固深度亦從標高-15.25至第⑥層土面以上標高-26.70 m位置(底板下4.0 m)。底板下加固強度為1.5 MPa,底板以上強度約為0.8 MPa。3.3 底板板內撐設計 B4層樓板面標高為-15.300 m,底板底標高為-22.700 m,兩板間的凈高大,挖土深度達到7.4 m,對地墻等圍護結構構成一定的威脅,項目部經過研究決定在底板內加一道板內混凝土支撐,以降低挖土的凈高。支撐形式主要是在地墻邊設置成桁架形式的支撐,在基坑中部設置三道對撐,在基坑的四個角落設置角撐,組成一套完整的支撐體系(圖2)。4 降水施工4.1 疏干井降水 為確保基坑開挖及逆作法施工順利進行,結合基坑開挖深度和范圍,采用真空井點和深層井點降水。真空深井降水,即在深井中用真空聚水,深井水泵抽水以達到基坑降水和土體排水固結目的,增強基坑內被動土壓力,減少連續墻體根部的位移,為基坑開挖創造有利條件。降水效果如何是逆作法施工能否順利進行的關鍵之一。 為滿足深基坑土方施工進一步降水的需要,采用ZGJ—50型真空管井式井點,深井成孔φ700 mm,考慮到沉渣的因素,每口井的鑿井深度相應加深0.5~1 m。在整個基坑范圍內布置12口疏干井,連接4臺真空泵進行降水。4.2 承壓水降水 本場地承壓含水層主要由第⑦層砂質粉土及粉砂層與第⑨層粉細砂層構成,該兩層土為上海地區的第Ⅰ與第Ⅱ承壓含水層。本次降承壓水主要針對第⑦層砂質粉土與粉砂層,但必須考慮下伏第⑨層粉細砂層對第⑦層砂質粉土及粉砂層的越流補給的影響。第⑦層的頂板平均埋深在地表以下-30.800 m。 本次降水按照計算布置的7口降壓井進行,其中Y7作為備用井兼觀測井(圖3),由觀測井抽水試驗測得初始水頭位于-8.00 m標高。根據計算,基坑開挖至18.00 m時,基坑上覆土重與下伏承壓含水層的頂托力持平,此時應開始正式抽水運行。 土方開挖至結束,整個基坑均處于受控狀態,未出現承壓水突涌等現象,而且在基坑周圍的建筑等也未發生不均勻沉降,沒有出現變形情況,降水效果是明顯的,成功的。5 地下挖土施工 深基坑施工關鍵在時間控制,時間的長短直接影響到基坑的安全與否,而在基坑的施工過程中最占時間的就是挖土工程,尤其是暗挖土作業。保證挖土的時間,才能加快結構樓板支撐的施工速度,縮短基坑處于無支撐狀態下的時間,使圍護結構處于受控狀態。因此在逆作施工過程中,必須合理科學的安排施工順序和施工工藝,以最短時間完成各層挖土工作。 地下室挖土采用分區流水開挖結合盆邊留土、對稱抽條開挖方式,整個地下室分三個區施工(圖4)。按照“時空效應”理論指導挖土支撐施工,做到“分層、分塊、對稱、平衡、限時”開挖和支撐,22.7 m深坑土體分七次開挖。為確保基坑圍護結構及地鐵的安全,地下室各層盆邊土體采用對稱抽條開挖方式,隨挖隨澆混凝土墊層,將整個基坑墊層作為一道臨時的混凝土支撐。6 結論 在鬧市中心復雜的環境條件下,建造地下5層地下室, 存在很大的風險,項目部憑借所掌握的地下深基坑施工知識和經驗,以及所搜集的豐富信息資料進行不斷檢查、不斷總結,發現偏差及時糾正,并且密切觀測周圍環境的變化,將監測數據與基坑變化情況進行對照,做到精細管理,確保了本工程地下5層順利完成。同時根據監測數據顯示,在本基坑施工過程中,圍護體變形量比同類基坑要小,可見逆作法施工對保護周圍建筑物、地下管線的安全起到了很大的作用。 從本工程實例我們可以看出,城市地下空間施工,采取逆作法工藝在環境保護、施工進度、社會和經濟效益方面有著極大的優越性。隨著我國城市進一步的發展,城市地下空間的開發任務愈來愈重,逆作法以其有利控制周邊環境、降低工程造價、縮短施工工期等優點,將在城市綜合地下空間施工中發揮更大作用。
2 地質條件 根據廖創興金融中心大廈巖土工程勘察報告,本工程場區地質單元屬長江三角洲沖淤積平原,土性由粘性土和砂性土組成。第⑤2層粉質粘土夾少量粉砂。地層土結構較松散,透水性強,在動水條件下易產生流砂等不良現象;基坑開挖層以下有高水頭的承壓含水層(第⑦層砂土),對基坑底板的穩定性產生不利影響。3 逆作法圍護設計3.1 結構支撐體系 根據常規的結構受力特點,結構上部的荷載通過豎向結構將力傳遞至底板繼而至工程樁。而逆作法施工時,上層的結構優先于下層結構施工,荷載無法通過豎向結構進行傳遞,因此需設置臨時的豎向傳力體系卸除上部荷載。同時因逆作施工需要而留設的臨時取土洞口,切斷了力的水平傳遞,需在洞口內設置臨時的橫向傳力體系以傳遞水平力。3.1.1 豎向傳力體系 逆作法各層結構施工時只施工梁板結構,柱及剪力墻順作,因此在各豎向傳力節點處設置臨時支柱使力系通過支柱向下傳遞。主要的支柱形式為φ770 mm和φ630 mm鋼管混凝土立柱、480 mm×480 mm格構柱,立柱錨入鉆孔灌注樁內的深度為3 m,各立柱的頂標高為-0.300 m。3.1.2 水平向傳力體系 各層板面均留4個取土口,洞口空缺處除首層為鋼支撐外均采用混凝土梁作為支撐,支撐面標高均與相應結構樓層面標高相同。支撐的端點支承于梁上或柱梁節點位置,以更有效傳遞水平力。3.1.3 首層板加固 逆作法首層板作為土方運輸的行走路線及抓土機的施工區,承受較大的荷載,根據本工程采用的挖機及土方運輸車的重量,設計院出圖,確定在首層板上對板進行加固處理。 主要是調整板的配筋,配筋加密,直徑加大的方式。加固完以后的結構樓板最大荷載為活載33.5 kN/m2恒載:5 kN/m2;一般荷載區為活載5 kN/m2恒載:5 kN/m2;土方車行走區域為活載16.5 kN/m2恒載5 kN/m2。在施工過程中,嚴格限制車輛的行走范圍,土方車及挖機在指定的范圍內行走。3.2 基坑內土體加固 由于地基土的力學指標較弱,粉質土比率較大,為控制地墻變形和建筑物位移,且根據上海市軌道交通管理條例,為保障地鐵2號線運營安全正常,對基坑采用旋噴樁加固。 加固分兩個區域:一是在地墻邊寬度6 m范圍內采用鋸齒形加固,二是在靠地鐵一側沿地墻邊10 m寬度范圍內采用格構式加固,加固深度亦從標高-15.25至第⑥層土面以上標高-26.70 m位置(底板下4.0 m)。底板下加固強度為1.5 MPa,底板以上強度約為0.8 MPa。3.3 底板板內撐設計 B4層樓板面標高為-15.300 m,底板底標高為-22.700 m,兩板間的凈高大,挖土深度達到7.4 m,對地墻等圍護結構構成一定的威脅,項目部經過研究決定在底板內加一道板內混凝土支撐,以降低挖土的凈高。支撐形式主要是在地墻邊設置成桁架形式的支撐,在基坑中部設置三道對撐,在基坑的四個角落設置角撐,組成一套完整的支撐體系(圖2)。4 降水施工4.1 疏干井降水 為確保基坑開挖及逆作法施工順利進行,結合基坑開挖深度和范圍,采用真空井點和深層井點降水。真空深井降水,即在深井中用真空聚水,深井水泵抽水以達到基坑降水和土體排水固結目的,增強基坑內被動土壓力,減少連續墻體根部的位移,為基坑開挖創造有利條件。降水效果如何是逆作法施工能否順利進行的關鍵之一。 為滿足深基坑土方施工進一步降水的需要,采用ZGJ—50型真空管井式井點,深井成孔φ700 mm,考慮到沉渣的因素,每口井的鑿井深度相應加深0.5~1 m。在整個基坑范圍內布置12口疏干井,連接4臺真空泵進行降水。4.2 承壓水降水 本場地承壓含水層主要由第⑦層砂質粉土及粉砂層與第⑨層粉細砂層構成,該兩層土為上海地區的第Ⅰ與第Ⅱ承壓含水層。本次降承壓水主要針對第⑦層砂質粉土與粉砂層,但必須考慮下伏第⑨層粉細砂層對第⑦層砂質粉土及粉砂層的越流補給的影響。第⑦層的頂板平均埋深在地表以下-30.800 m。 本次降水按照計算布置的7口降壓井進行,其中Y7作為備用井兼觀測井(圖3),由觀測井抽水試驗測得初始水頭位于-8.00 m標高。根據計算,基坑開挖至18.00 m時,基坑上覆土重與下伏承壓含水層的頂托力持平,此時應開始正式抽水運行。 土方開挖至結束,整個基坑均處于受控狀態,未出現承壓水突涌等現象,而且在基坑周圍的建筑等也未發生不均勻沉降,沒有出現變形情況,降水效果是明顯的,成功的。5 地下挖土施工 深基坑施工關鍵在時間控制,時間的長短直接影響到基坑的安全與否,而在基坑的施工過程中最占時間的就是挖土工程,尤其是暗挖土作業。保證挖土的時間,才能加快結構樓板支撐的施工速度,縮短基坑處于無支撐狀態下的時間,使圍護結構處于受控狀態。因此在逆作施工過程中,必須合理科學的安排施工順序和施工工藝,以最短時間完成各層挖土工作。 地下室挖土采用分區流水開挖結合盆邊留土、對稱抽條開挖方式,整個地下室分三個區施工(圖4)。按照“時空效應”理論指導挖土支撐施工,做到“分層、分塊、對稱、平衡、限時”開挖和支撐,22.7 m深坑土體分七次開挖。為確保基坑圍護結構及地鐵的安全,地下室各層盆邊土體采用對稱抽條開挖方式,隨挖隨澆混凝土墊層,將整個基坑墊層作為一道臨時的混凝土支撐。6 結論 在鬧市中心復雜的環境條件下,建造地下5層地下室, 存在很大的風險,項目部憑借所掌握的地下深基坑施工知識和經驗,以及所搜集的豐富信息資料進行不斷檢查、不斷總結,發現偏差及時糾正,并且密切觀測周圍環境的變化,將監測數據與基坑變化情況進行對照,做到精細管理,確保了本工程地下5層順利完成。同時根據監測數據顯示,在本基坑施工過程中,圍護體變形量比同類基坑要小,可見逆作法施工對保護周圍建筑物、地下管線的安全起到了很大的作用。 從本工程實例我們可以看出,城市地下空間施工,采取逆作法工藝在環境保護、施工進度、社會和經濟效益方面有著極大的優越性。隨著我國城市進一步的發展,城市地下空間的開發任務愈來愈重,逆作法以其有利控制周邊環境、降低工程造價、縮短施工工期等優點,將在城市綜合地下空間施工中發揮更大作用。