软土逆作施工技术关键及对环境影响探讨

软土逆作施工技术关键及对环境影响的探讨 ———以上海轨道交通Ｒ4线东安路站为背景摘　要:以轨道交通Ｒ4线东安路车站逆作法施工为背景,介绍了软土逆作法施工中,调整支撑布置,采用全机械化挖土的方法,介绍了逆作法施工技术关键节点的处理方法,通过信息化监测,探讨了逆作法施工对基坑周围环境的影响。关键词:软土逆作法;全机械化挖土;支撑;环境1工程概况 东安路车站坐落于零陵路,呈东西向穿越东安路。车站外包总长214.8ｍ,东西两端各设置端头井,中间设有换乘段。车站除换乘段为三层外,其余均为二层结构。标准段开挖深度14.87ｍ,换乘段开挖深度21.64ｍ。东西端头井开挖深度分别为16.68ｍ、16.26ｍ。基坑设计采用800ｍｍ厚地下连续墙作为围护,标准段地连墙深27ｍ,端头井地连墙深29ｍ,换乘段地连墙深38ｍ。土体加固采用深层搅拌桩,支撑体系采用Φ609钢支撑,底板下的Φ1200钻孔灌注桩深75ｍ,桩内的Ｈ400型钢作为逆作法施工时结构荷载的支撑柱。2周边环境 车站周边环境复杂,东安路零陵路口的两幢高层建筑的裙房已局部侵入施工用地范围,肿瘤医院浅埋基础的放射治疗室距地连墙仅1.2ｍ,其直线加速器机房地下室底板距地下连续墙仅0.64ｍ,根据肿瘤医院提供的资料,其直线加速器的水平倾斜度应不超过0.4ｍｍ/ｍ,即1/2500(即差异沉降不得超过8ｍｍ)。东端头井距在建的有机所大楼围护仅0.5ｍ,西端头井与环保局大楼相距2ｍ,而且这2ｍ范围内有上下水管、煤气管和高压电缆。 鉴于上述工程周边环境情况,施工方选择了在东安路车站采用全逆作法施工,同时为保证进度和安全,挖土采用机械化挖土。设计确定本工程基坑保护等级为一级,要求墙顶水平位移≤1%ｈ,墙体最大水平位移≤1.4%ｈ,坑外最大地表沉降≤1%ｈ(ｈ为基坑开挖深度)。3地质情况 地基土自上而下为第①-1层填土;第②-1层褐黄色粘土;第②-2层灰黄色粉质粘土;第③层灰色淤泥质粉质粘土;第④-1层灰色淤泥质粘土;第④-2层灰色淤泥质粉质粘土(粘砂互层);第⑤-1-1层灰色粘土;第⑤-1-2层灰色粉质粘土;第⑤-3层灰色粉质粘土;第⑤-4层灰绿色粉质粘土;第⑦-1层灰绿粘质粉土;第⑦-2层青灰色-草黄色粉细砂。 基底位于④-1淤泥质粘土层(标准段)⑤-1-1粘土层及⑤-1-2粉质粘土层中(换乘段),地下墙墙趾位于⑤-1-2及⑤-3粉质粘土层中。4 逆作法施工关键节点处理方法4.1中间立柱 中间立柱是在逆作法施工期间,在底板尚未浇筑之前与地下连续墙共同承受地下各层结构自重和施工荷载的最主要的受力构件之一,亦是施工中的一大难点。立柱按压弯构件计算,要求定位精度高,允许最大偏心距为±30ｍｍ,垂直度偏差≤1/600。桩基采用钻孔灌注桩,钻深70～80ｍ至⑦-2持力层内,垂直度控制在1/400～1/800之间,水下混凝土灌注充盈系数为1.07～1.10。 Ｈ型钢柱长21ｍ,在顶中底板底部位置预留腰孔,以便固定梁的牛腿剪力板块,在逆作结构板主筋位置也预留腰孔,让板筋通过其接续,在柱底锚固段内开有椭圆孔,以强化柱和桩的连接。钢柱依托格构柱作其导向架置入,格构柱断面为450×450ｍｍ,长16ｍ,上下四外侧有气囊,由斜传感器连接电脑终端,通过对进出气量的控制调节格构柱的垂直度在1%。 浇入灌注桩的混凝土初凝前,沿导向格构柱垂直插入Ｈ型钢柱,埋入混凝土2ｍ以上锚固,准确核对柱顶标高和轴线位置后,固定于孔口井字托梁上,上部孔内回填素土。 基坑开挖后,钢柱的平面位移极小,垂直度良好,高程位置符合使用范围。4.2 梁柱节点处理 (1)后浇楼板和底板梁的钢筋,穿越Ｈ型钢预留腰孔,承受节点弯距。在顶板和中板底处的钢柱上,螺栓固定的钢牛腿和底板内焊入的剪力键,可以将剪力有效地传给钢柱和核心混凝土。 (2)当挖土到顶板底将出露的Ｈ型钢柱割除, 焊入带锚筋的封头钢板,顶板梁筋穿入锚筋内,浇注混凝土完成梁与柱节点的处理。当后浇结构柱的插筋从底板逐节升到顶板梁后,要分别进行下一、下二、下三层的后浇注柱混凝土浇注,均从先期板层上预留浇注孔,缓慢浇注混凝土,要防止梁柱接头不密实影响剪力向支座的传递,对脱空缝隙进行ＪＧＮ建筑结构粘合剂填充。4.3 调整支撑布置,逆作法施工采用全机械化挖土4.3.1 调整支撑布置,全机械化挖土 (1)逆作法设计图纸中共有四道支撑,支撑的垂直间距只有0.9ｍ至2ｍ,如果要在逆作法施工中采用机械挖土,则支撑的垂直间距必须大于2.8ｍ。经验算表明,改为三道支撑后,最大理论墙体位移为27.3ｍｍ,能够满足周边环境保护要求。 (2)中板施工时于-2.7ｍ设一道支撑,底板施工时于-7.6ｍ设一道支撑,顶板至第二道支撑的净距变为2.87ｍ,中板至第三道支撑的净距变为3.2ｍ,第三道支撑至底板垫层底的净距变为3.12ｍ,能够满足机械挖土的要求。4.3.2 土方开挖 设置首道支撑,在中部抽槽挖方,然后挖余土,施工顶板时预留取土口。下挖中板和底板土方时,仍然从取土口向下,逐层由岛心横向扩展,盆式挖土到结构标高,再逐块挖去1-2ｍ的裙边坡土,边挖边及时架设第2-4道支撑。 取土口是逆作施工中的垂直运输通道,若设置过多会削弱结构板的支撑作用同时增加顶板的渗水机会,本工程在顶板上共设3个取土口(4×8ｍ)。4.4 防水处理 (1)地墙幅间缝的防水采用十字钢板刚性接头,先浇幅止水板宽150ｍｍ,后浇幅为250ｍｍ,用刷壁器刷洗干净不附泥土才浇筑混凝土。 (2)车站顶板、上翻梁及地墙上翻0.5ｍ内,用湿克威防水材三度涂刷,厚2ｍｍ以上。再用油毡和15ｃｍ厚素混凝土保护层组成,顶板未见有渗水。 (3)底板裂缝和诱导缝渗水处,均用聚氨酯多次反复的注压后得以堵漏。4.5 地基加固技术 原设计采用深层搅拌桩进行坑内土体加固,按基坑横向格栅布置(适用顺作法开挖)。逆作法施工中,要先在取土口间挖掘先行通道,将横向跨中两侧的加固土体挖取,起不到加固土体的超前支撑作用。为此把土体加固形式改为裙边式布置,提高基坑稳定性,又方便挖土施工,提高作业工效。4.6 钢支撑施加预应力 (1)及时完成支撑对控制基坑变形至关重要,为减少墙体位移,安装时需施加预应力,弥补压应力的损失,顺作法挖方上撑施加的预应力,通常是设计轴力的70～80%,本工程逆作法施工时,施加的预应力是设计值的50%左右。 (2)全逆作法产生的框架构筑物具有巨大的刚性,能有效控制墙体受压变形,实测墙位移量小,垂直沉降量小。5 信息化施工,分析逆作法对周边环境的影响5.1 围护墙体水平位移变化 (1)端头井及标准段的地连墙墙体最终水平位移量经实测均小于设计控制要求。 (2)位移与挖深的最终比值,最小为0.048%,最大为0.205%,平均为0.095%,挖深到顶板、中板和底板时,该比值均小于0.4%的设计要求。 (3)端头井内衬墙浇注后墙体位移基本趋于稳定,但标准段顶板覆土后墙体仍有微小位移量,趋于稳定时间较端头井长,可见有无内衬墙结构,对位移的稳定有一定影响。 (4)当墙顶位移量是墙趾的1～2倍时,墙体的位移量均处于8～9ｍｍ内,但当墙趾位移量是墙顶的1～3倍时,墙体的位移量均处于18～30ｍｍ内,因此减少墙顶位移(把第一道支撑尽量提高)和加固被动区提高被动土压力可以减小墙体的位移。 (5)当顶板、中板和梁柱连系的刚性框架结构形成后,具有巨大的抗衡能力以消除或减小墙体的位移;加以搅拌桩加固坑底的阻力,得以有效控制位移,揭示了一种时空效应现象。5.2 支撑轴力变化 (1)逆作法施工具有良好的刚度,没有使支撑增加轴力,支撑体系处在安全可靠的状态中。 (2)端头井均以斜支撑施工,其3、4道的最大支撑轴力平均为1660ｋＮ左右,而标准段第3道的最大支撑轴力平均只有800ｋＮ左右,支撑形式和部位不同,轴力有明显的差异。5.3 逆作法施工对地表沉降的大致影响 沉降与挖深的最终比值平均为0.139%,距坑10ｍ内的地表。当基坑挖深3～4ｍ后,该比值均大于最大值0.2%的要求,挖深增大到8～9ｍ后,比值反而减少到0.2%以下;说明近距离的地表变形,在开始阶段发展较快,但趋于稳定的时间也较快。地表沉降在主体结构完成、顶板回填后,再延续2个月,即可趋向收敛之中。5.4类似工程监测数据比较 表1为类似工程监测数据的对比。可看出本车站的支撑轴力、墙体变形、地表沉降等均较小,也说明充分利用逆作法有可能使地墙入土深度缩小的可能。6　结语 (1)采用逆作法建造了位于软土地基的东安路地铁车站,首次把全机械化挖土引入到逆作法施工,成功解决了以往逆作法施工中因为人工挖土而导致施工进度缓慢的难题,使得逆作法的优点得到充分发挥,也很好地体现和应用了“时空效应”的理论。为今后逆作法的推广应用打下扎实的基础。 (2)监测表明在基坑正常施工条件下,围护结构的水平变形,基本控制在10～20ｍｍ内,浇三板后支撑轴力有下降趋势,对周围环境变形影响较小,随三板结构及回填的完成,所有监测对象的变化基本趋向稳定。 (3)由取土口向下,逐层沿中轴线抽槽开挖坑道,吊入支撑及时架设,支撑下层应有3ｍ净空才能实现全机械挖土,充分发挥时空效应。 (4)在软土层深基坑采用逆作法施工,能有效减少围护墙体侧向变形引起坑外土体的沉降,对环境保护的安全性显而易见,结构设计对支撑间距的布置要突破传统思路,使全机械化操作得以在挖土、出土、架设等方面具有综合优势。参考文献:[1]夏明跃,曾世伦 地下工程设计施工手册[Ｍ].北京:中国建筑工业出版社,1999[2]刘建航,侯学渊 基坑工程手册[Ｍ].北京:中国建筑工业出版社,1997