1、緊鄰地鐵的大型深基坑施工中的環(huán)境保護(hù)【 摘 要】宏嘉大廈基坑周邊建筑密集, 管線眾多, 并且緊鄰地鐵, 環(huán)境保護(hù)要求非常高。介紹了基坑工程的圍護(hù)設(shè)計, 包括 " 兩墻合一 " 的地下連續(xù)墻設(shè)計、支撐系統(tǒng)設(shè)計、地基加固設(shè)計等保護(hù)措施。通過有限元模擬分析, 以上措施合理有效, 使鄰近地鐵的深基坑施工得以安全順利進(jìn)行。【 關(guān)鍵詞】深基坑 圍護(hù)設(shè)計 環(huán)境 保護(hù)措施 側(cè)向位移 兩墻合一1 工程及環(huán)境概況 宏嘉大廈位于上海市浦東新區(qū)福山路和向城路交界位置。工程主體結(jié)構(gòu)為兩幢 36 層的塔樓和地下車庫, 總建筑面積 59 423 m2。主體結(jié)構(gòu)均設(shè)置兩層地下室, 塔樓區(qū)域的地下室底板連通

2、。基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)。基坑總面積約 7 548 m2。塔樓底板厚度 1 800 mm; 地下 車 庫底 板 厚 度 1 000 mm。 基 坑 開 挖 深 度 塔 樓 區(qū) 域 為10.25 m; 地下車庫為 9.45m。 基地周邊管線及建筑物眾多。東側(cè)福山路與南側(cè)向城路下均分布有大量管線; 西南側(cè)與向城路之間為浦東供電局福山變電站; 北側(cè)與濰坊路之間為 5-7 層的多層建筑;東側(cè)福山路下為南北走向分布的軌道交通 4 號線區(qū)間段,隧道的覆土深度約為 11 m, 其中上行線與本工程地下室外墻邊線的最近距離為 9.89 m, 在基坑支護(hù)工程施工中須嚴(yán)加保護(hù)。基坑工程總平面圖如圖 1 所示。2 場地工程

3、地質(zhì)條件 根據(jù)地質(zhì)勘察報告1, 本場地地貌類型屬濱海平原,地勢平坦, 地面標(biāo)高一般在 3.604.14 m之間, 土層分布穩(wěn)定。基坑施工范圍內(nèi)涉及土層自上而下主要有: 雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、粘土、粉質(zhì)粘土, 地下水屬潛水類型, 水位埋深一般離地表面約 0.3-1.5 m。3 支護(hù)設(shè)計總體方案 綜合考慮本工程的開挖深度、面積、造價、工期等因素, 特別是考慮到對于鄰近的軌道交通 4 號線的保護(hù)要求,決定選用地下連續(xù)墻 ( 兩墻合一) 結(jié)合兩道水平混凝土支撐 ( 順作法) 的支護(hù)方案。 方案以地下連續(xù)墻作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu), 地下連續(xù)墻既作為擋土結(jié)構(gòu)又作為止水帷幕, 同時起到擋土

4、和止水的目的。另外, 通過與主體地下結(jié)構(gòu)內(nèi)部水平梁板構(gòu)件的有效連接, 地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的同時又作為地下室外墻, 不再另外設(shè)置地下結(jié)構(gòu)外墻。即兩墻合一, 既可減少混凝土工程量, 又可縮短工期。 地下連續(xù)墻施工工藝成熟, 施工對環(huán)境影響較小, 水平抗側(cè)剛度大, 水平變形小, 止水效果好, 可有效地保護(hù)周圍環(huán)境, 已大量應(yīng)用于上海的深基坑工程中, 特別是周邊環(huán)境保護(hù)要求較高的深基坑工程, 因此有著成熟和豐富的設(shè)計施工經(jīng)驗。經(jīng)計算分析表明: 本基坑工程塔樓區(qū)及地鐵側(cè)采用 800 mm 厚地下連續(xù)墻, 地下車庫區(qū)域采用600 mm厚地下連續(xù)墻可滿足基坑擋土設(shè)計和周邊的環(huán)境保護(hù)要求。此外, 坑內(nèi)設(shè)置

5、兩道水平鋼筋混凝土支撐系統(tǒng),呈十字對撐形式布置, 以減少地下連續(xù)墻水平位移, 保證墻體穩(wěn)定。 為減少基坑開挖對周邊環(huán)境的影響, 在塔樓區(qū)及地鐵側(cè)均對坑內(nèi)被動區(qū)土體進(jìn)行三軸水泥土攪拌樁加固, 地鐵側(cè)地下墻的兩側(cè)還進(jìn)行槽壁加固以保證地下墻施工質(zhì)量。4“ 兩墻合一”地下連續(xù)墻設(shè)計 根據(jù)周邊環(huán)境不同的保護(hù)要求及基坑內(nèi)分區(qū)域開挖深度的不同, 本工程地下連續(xù)墻采用了 A、B、C、D種不同的槽段形式: A型槽段墻厚 800 mm、長 20.25 m, 用于鄰近軌道交通 4 號線的基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)墻體; B型槽段墻厚 800mm、長 21.05 m, 用于基坑南側(cè)地下車庫區(qū)域圍護(hù)墻; C型槽段墻厚 600 mm、

6、長 19.25 m, 用于基坑西、北側(cè)及南側(cè)的地下車庫區(qū)域圍護(hù)墻; D型槽段墻厚 800 mm、長 33.55mm, 用于基地南側(cè)塔樓區(qū)域的圍護(hù)墻體。各類型槽段的布置如圖 2 所示。 本工程地下連續(xù)墻總延長 359 m, 共劃分為 68 幅槽段, 槽段劃分長度一般為 4-6 m。槽段間采用止水性能較好的圓形鎖口管接頭。地下連續(xù)墻與結(jié)構(gòu)的連接方式為:地下連續(xù)墻墻頂落低, 通過在第一道圍檁上預(yù)埋插筋與其上結(jié)構(gòu)墻體和地下室頂板連接; 地下連續(xù)墻內(nèi)預(yù)埋鋼筋接駁器與結(jié)構(gòu)底板及剪力墻連接; 地下連續(xù)墻內(nèi)預(yù)埋鋼筋與地下一層樓板結(jié)構(gòu)連接。 地鐵側(cè)地下連續(xù)墻兩側(cè)設(shè)置三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行槽壁加固 ( 見圖 3)

7、, 三軸水泥土攪拌樁先行施工, 隔離地鐵隧道和地下連續(xù)墻, 避免地下連續(xù)墻施工對區(qū)間隧道的影響, 同時也可以保證地下連續(xù)墻的施工質(zhì)量。此外, 為提高地下連續(xù)墻槽段接頭處的抗?jié)B能力及剛度, 在槽段分幅接頭處設(shè)置壁柱, 地下連續(xù)墻內(nèi)預(yù)埋鋼筋同壁柱連接。壁柱構(gòu)造如圖 4 所示。 5 支撐系統(tǒng)設(shè)計5.1 水平支撐系統(tǒng)設(shè)計 本工程基坑開挖深度約 10 m, 豎向設(shè)置兩道鋼筋混凝土水平支撐已經(jīng)可以滿足設(shè)計要求。鋼筋混凝土支撐抗壓強(qiáng)度高、變形小、剛度大, 對控制基坑側(cè)向變形、保證圍護(hù)墻整體穩(wěn)定具有重要作用。鋼筋混凝土支撐的具體情況如表 1 所示。 在方案的設(shè)計過程中, 考慮過采用對撐桁架結(jié)合邊桁架布置的支撐

8、形式, 以留設(shè)出較大的作業(yè)空間, 便于挖土及支撐施工。但在方案深化過程中, 為減小對于周邊環(huán)境、管線的影響, 特別是為加強(qiáng)對于軌道交通 4 號線的保護(hù),最終決定采用相互正交的十字對撐布置形式。該布置形式支撐受力明確, 整體性好, 能較好地控制圍護(hù)墻體的變形,最大限度地保護(hù)周邊環(huán)境。支撐布置形式如圖 5 所示。5.2 豎向支承系統(tǒng)設(shè)計 水平支撐系統(tǒng)的豎向支承構(gòu)件采用臨時鋼立柱及柱下鉆孔灌注樁組成的立柱樁。臨時鋼立柱采用由等邊角鋼和綴板焊接而成, 其截面為460 mm×460 mm, 型鋼型號為Q235B, 立柱插入鉆孔灌注樁中。 支撐立柱樁的設(shè)計結(jié)合主體工程樁樁位的布置, 盡量利用工程

9、樁作為立柱樁, 其余另外加打, 無法利用工程樁的位置增打樁徑為 800 mm 的鉆孔灌注樁作為立柱樁。鋼格構(gòu)立柱在穿越底板的范圍內(nèi)設(shè)置止水片。6 地基加固設(shè)計 為減小基坑開挖對環(huán)境影響, 在塔樓區(qū)及地鐵側(cè)對坑內(nèi)被動區(qū)土體采用 650450 mm三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行加固, 以提高坑底被動區(qū)土體抗力, 減小基坑變形, 保護(hù)周邊環(huán)境。三軸水泥土攪拌樁呈格柵式布置, 寬度 6.05m,深度范圍從第二道支撐底部至基底以下 6.5 m。地鐵側(cè)水泥土攪拌樁水泥摻量均為 20%; 非地鐵側(cè)基坑開挖面以上水泥摻量為 15%, 開挖面以下水泥摻量 20%。地鐵側(cè)坑內(nèi)加固與槽壁加固之間采用 8001000 mm高壓

10、旋噴樁進(jìn)行加固; 其余位置, 加固體與圍護(hù)墻體之間進(jìn)行壓密注漿填充。為加強(qiáng)對地鐵的保護(hù), 三軸水泥土攪拌樁在該側(cè)采用滿堂分布的墩式加固。坑內(nèi)局部落深處 ( 電梯井、集水井等) 需根據(jù)其落低的深度、范圍及位置, 另作加固處理。此外, 土方開挖前進(jìn)行坑內(nèi)降水, 以增加坑內(nèi)土體的有效應(yīng)力, 提高其強(qiáng)度。7 對鄰近地鐵的保護(hù)措施7.1 對地鐵隧道的影響限度 根據(jù) 上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定, 各種卸載和加載活動對運營地鐵隧道的影響限度必須符合: ( 1) 地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量及水平位移量20 mm; ( 2) 隧道變形曲線的曲率半徑 R15 000 m; ( 3) 相對彎曲1/2

11、 500。7.2 加強(qiáng)保護(hù)措施 在本工程的圍護(hù)方案設(shè)計中, 如何加強(qiáng)對基地東側(cè)通過的軌道交通 4 號線區(qū)間段的保護(hù)無疑是重中之重。 ( 1) 加 大 地 鐵 側(cè) 圍 護(hù) 結(jié) 構(gòu) 的 入 土 深 度 : 入 土 深 度12.50 m, 插入比達(dá) 1:1.3。經(jīng)計算, 該側(cè)地下連續(xù)墻最大水平位移值 1.96 cm( <2 cm) , 坑底抗隆起安全系數(shù) 2.07( >2) , 均在理論上達(dá)到了地鐵保護(hù)的控制要求; ( 2) 控制地面超載: 基坑的開挖施工期間, 嚴(yán)格控制地鐵一側(cè)的施工車輛通行, 避免因重車行走而帶來較大地面超載加大圍護(hù)體的變形; ( 3) 分層分塊開挖土

12、體: 應(yīng)用時空效應(yīng)原理, 充分發(fā)揮土體自身的抗變形能力以減少土體位移。對地鐵側(cè)的土體, 按照“ 分層、分塊、對稱、限時”的要求, 采用抽條式間隔挖土, 分塊開挖時每塊邊長不大于 20 m; ( 4) 加強(qiáng)監(jiān)測: 基坑施工期間, 按照地鐵的有關(guān)保護(hù)要求, 對 4 號線區(qū)間段隧道實施全方位的監(jiān)測, 加強(qiáng)監(jiān)測頻率, 同時適當(dāng)提高監(jiān)測的報警值要求, 防患于未然, 確保工程施工中軌道交通 4 號線的安全。8 對地鐵保護(hù)的有限元模擬分析8.1 建立模型 設(shè)計中運用有限元分析軟件對基坑開挖的全過程對地鐵區(qū)間隧道的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析, 分析結(jié)果顯示地下連續(xù)墻和支撐體系對地鐵區(qū)間隧道起到了有效的保護(hù)作用。 針

13、對工程特點, 取一個靠近地鐵側(cè)代表性的剖面 J1 孔作為分析斷面。受力變形性態(tài)采用二維平面應(yīng)變有限元方法進(jìn)行模擬。計算區(qū)域: 深度取至第 9 層足夠深度, 基坑底部以下 75.37 m, 地表以下 85 m。基坑外計算范圍: 左側(cè)80 m, 右側(cè) 50 m。整個計算域在左右邊界結(jié)點上設(shè)置水平向約束, 下部邊界結(jié)點上設(shè)置垂直向約束, 上部邊界為自由邊界。有限元分析模型如圖 6 所示。8.2 基本假設(shè) ( 1) 材料性態(tài)模型: 對土體采用四邊形平面應(yīng)變等參元離散, 地下連續(xù)墻、支撐、結(jié)構(gòu)底板和地鐵結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬, 立柱樁采用桿單元模擬, 材料計算參數(shù)參考勘察報告取值; ( 2) 施工工況模擬: 簡化模擬宏嘉大廈基坑順作法開挖的主要施工工況, 首先由自重計算得到初始地應(yīng)力場,然后根據(jù)施工過程分為以下 4 個工況進(jìn)行施工模擬。 工況 1: 第一層土方開挖; 工況 2: 第一道支撐施工, 第二層土方開挖; 工況 3: 第二道支撐施工, 第三層土方開挖; 工況 4: 地下室底板施工。8.3 分析結(jié)果 計算結(jié)果表明, 由于選用了 800 mm厚的地下連續(xù)墻,同時支撐的剛度較大, 能有效控制地下連續(xù)墻的側(cè)向變形,從而減小了基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。基坑開挖至坑底時, 靠近基坑側(cè)的地鐵隧道產(chǎn)生的影響為: 最大