临近地铁深基坑开挖安全施工实例分析

某工程位于上海市繁华商业地段,邻近黄陂南路站,广场分南北两块,沿淮海路南北各建一栋相似的高级商业写字楼。其中南块主楼38层,地下3层,该地块南北长约80m,东西长约70m,面积约5800m2,主楼基坑挖深14m,群楼12.6m,电梯井部分挖深达17m。由于建筑物周边都十分接近规划红线,周边建筑及地下管线对因工程基坑开挖引起地层变形移动影响十分敏感,特别基坑北面(沿淮海路)临近地铁,最小距离仅3.8m,最大处也仅距8m,而地铁隧道因开挖施工引起其位移要求小于2cm,从而基坑围护与开挖支护结构设计选型及安全实施就成为首要问题。也就是说,如何确保基坑周边原有建(构)筑物、地下管线,尤其是地铁的安全就成为了关键。

1 地下室开挖的围护及支护结构

本地下室位于总厚达40m多的淤泥质土之中,结合本工程的特点,经多方案比较,决定基坑围护结构采用80cm厚地下连续墙,而支护结构则为五道钢筋混凝土水平支撑的总体方案。经验算,可以满足结构变形和稳定要求。确保地下室开挖施工产生的地体位移不致于影响地铁的正常运行、周边道路、建筑物及各种地下管线的正常使用。

1.1 围护结构

地下连续墙由单幅面宽为6m的矩形槽段浇筑而成,墙深沿淮海路(临近地铁)一侧为26m,其余三侧为23.6m,其强度等级为C35, I、II级筋,地下连续墙分段纵向接头型式为锁口管,顶部现浇钢筋混凝土帽梁,连成整体以增强整体刚度。

1.2 支护结构

基坑内沿深度方向设置五道钢筋混凝土支撑,强度等级为C30,添加早强剂。支撑的中心标高自上而下依次为:-0.6m、-3.5m、-6.4m、-9.5m、-13.1m。在平面上,整个基坑采用边角框架支撑,以斜撑为主,中部留出挖土操作空间。支撑梁的截面为1200×600及1600×6002种;围檩的截面为1600×600及1200×6002种,顶圈梁(第1道围檩)截面为1100×600。立柱用160×160×16角钢500×300×12钢板焊接组成,柱底为钻孔灌注桩。

除此之外,为确保邻近地铁安全运行,在基坑内四周采用深层搅拌桩,以增加基坑内土体被动土压力,即制连续墙底脚变形。搅拌桩加固深至基坑底下5m,加固宽度为8m。

2 基坑降水

本工程地下水位较高,约为-0.5m,开挖范围位于淤泥质土体内,含水量大,施工必须事前采取降水措施,因基坑围护是采用地下连续墙,具有较好的档水和抗渗性能。结合实际情况,决定采用深井井点降水。平面布置按10m左右半径排列,井深考虑降水曲线于基坑底以下1m左右,因而共布置23根19m深管径为250mm的降水深井井点。

3 基坑开挖

由于挖深大而支撑层数多,根据本地下室的特点,经综合考虑,决定采用的挖土方案为:(1)以挖土机为主,充分利用中间没有支撑结构的部分(前期作为挖土操作平台,后期作为挖土机械的作业区);(2)由于上下层支撑间距小,需大量使用人工挖土;(3)后期利用第一道支撑在其上搭设钢构平台,利用轻型的22m臂长抓土机及9m臂长挖土机在平台上作业,配合克林吊在基坑四周抓土;(4)每道支撑按结构分区施工,挖土同样分区开挖,对于靠近地铁的钢筋混凝土支撑,特别强调需在支撑位置挖土完成后48h内浇捣完成。同时为提高支撑早期强度及缩短工期,在支撑砼内使用早强剂。

基坑土方开挖的原则是“先支撑后开挖,分层分区开挖。”在监测数据的指导下将基坑土体分5层施工作业:第1层自北向南,大面积后退挖土,并及时将土运走,陆续构筑第1道钢筋混凝土支撑;第2层挖土时,需待第一道支撑砼强度达到70%,并按平面对称划分6个区按分区进行挖土,及时按区构筑第2道钢筋混凝土支撑;在第2道支撑达到70%强度时进行第3层挖土,利用中区土平以台作挖运平台,同样按分区进行挖土,及时性地构筑第3道钢筋混凝土支撑;第3道支撑达到70%强度时进行第4层挖土,还是利用中部挖运平台,分区进行基坑土挖运,当南向裙楼底板标高达到,则先清理该项部分基底及时浇捣该部分底板,再陆续构筑第4道支撑;在第4道支撑砼强度达到70%时,进行第5层挖土施工,在第1道支撑上搭设钢平台,将中区土平台挖除,并利用克林吊在基坑四周配合抓土,加快挖土进度,当基底标高达到时及时清理浇捣西侧、北侧两块地库底板,再陆续构筑电梯井部分的第5道支撑,同样电梯井部分基坑土挖运及底板浇筑同上方法施工。

4 施工监测

为尽可能减少基坑挖土对基坑围护结构及其周围环境(特别是地铁)造成的不利影响,及时掌握的工作情况,确保施工安全,在整个施工中实施信息化监测施工。在地下连续墙内埋设测斜管以监测各种情况下墙体的侧向变形,并在地下连续墙背后埋设土压力盒;在每道支撑内沿轴向埋设钢筋应力传感器以监测支撑轴力的变化;在地铁上行线隧道内设置准测点以监测地铁隧道的水平位移、垂直沉降变化;另外,对四周环境及地下管线也进行沉降观测。

4.1 实测情况

根据实测数据,基本上可以分为4个阶段:开始挖土至完成第2道支撑底挖土;至第3道支撑完成;至第4道支撑完成;至底板浇筑完成。

(1)地下连续墙的位移 实测结果表明,地下连续墙的最大位移都集中出现在第3阶段。整个地下连续墙出现的最大位移位于沿黄陂路一侧(西侧)的I14号测管(第3阶段,41.3mm),沿淮海路(临近地铁即北侧)一侧是19.2mm( I16号测管,第3阶段)。其结果与相邻的北块相似,淮海路一侧连续墙变形较小,有利于控制地铁隧道的水平位移。

沿淮海路连续墙变形小的原因是由于地铁隧道施工时曾对地基土进行了加固处理,同时亦因香港广场北块与南块同时施工,处于对称平衡状态。

(2)地下连续墙后土体的位移 根据实测数据,可以归纳出这样的一个规律:连续墙与其后土体位移的变化规律是一致的,而数值上则是土体大于连续墙。整个基坑出现的最大墙后土体位移与连续墙一样,位于沿黄陂路55.5mm(与I14紧邻的E11孔,第3阶段),而沿淮海路一侧的最大土体位移则是34.8mm(与 15相邻的E10孔,第3阶段)。

(3)支撑轴力 第1道支撑在第1、2、5层挖土时其轴力值较高,均在4000kN上下,而在下面每道支撑完成时(第2、3、4道)均会显示其轴力监测值下降(降至2200～3500kN)。

第2道支撑轴力在5500kN左右,第3道支撑轴力则为5000kN上下。所监测到的轴力较为稳定、合理,其值均小于设计值。也就是支护结构安全稳定,确保了围护结构连续墙的位移在预想的允许值内。

(4)地铁隧道内监测 经测试,隧道的最大沉降值,施工的第1阶段为-2.1mm,第2阶段为2.29mm,第3阶段为6.07mm,第4阶段为4.20mm(至完成地下室底板时沉降观测值为-0.4mm)。在地下室底板完成后沉降量趋于渐小,2个月后其沉降观测值已接近于开挖前的数值;隧道的最大水平位移值,施工的第1阶段为-0.5mm,第2阶段为-3.0mm,第3阶段为-6.5mm,第4阶段达到-8.5mm。在地库底板完成后,由于土体的滞后变形,隧道的水平位移仍有微量的增加,但同沉降值一样很快就趋于很小。其沉降及水平位移值均小于地铁公司的报警值(沉降10mm、水平20mm)。

4.2 对测试结果的体会

(1)地下连续墙在整个施工过程中变化较小,说明围护及支护结构体系稳定性好,因而整个施工对周围建(构)筑物及管线等的影响较小。

(2)连续墙与其后土体水平位移相匹配,土体位移值较大;土体沉降值随层深增加而变小,下部深层土体有上抬趋势,与地铁隧道后期上抬相吻。

(3)邻近建筑物通过观测,其倾斜约为1.5/2000,倾角0.043°,倾斜甚小,说明基坑开挖引起的不均衡沉降较小。

(4)随着基坑的开挖施工,邻近的地铁隧道开始时下沉,后期则上抬。这是由于前期基坑上部周边土体侧移而后期则因浅层土体侧移较大而形成应力释放,促使隧道上抬。相信待地下室工程完成后,则地铁隧道将逐渐恢复常态。

(5)由于基坑紧邻地铁隧道,尽管隧道的位移值是控制的最重要目标,但基坑连续墙及其后土体的位移与隧道密切相关,故而它们都应同时作为监测的重要项目。

5 结 语

通过采取所述措施,某工程地下室施工顺利完成,施工历时180d,提前计划工期20d,经验收地下室工程达到优良,同时得到地铁公司的赞誉,赢得了良好的社会信誉和经济效益。