曾文澤 (上海申元巖土工程有限公司,上海 200000)
近年來,地鐵已經(jīng)不再是北上廣深等一線城市的獨(dú)特標(biāo)簽,越來越多的城市隨著城市的擴(kuò)張、人口的膨脹、對(duì)快捷交通需求的增長,不斷地加入到地鐵軌交城市建設(shè)的行列。地鐵在給城市生活帶來方便的同時(shí),也在影響、改變著城市的建設(shè)。地鐵作為一座城市的交通生命線,在使用階段對(duì)安全是極度敏感的,因此,在任何一座地鐵軌交城市中,對(duì)地鐵車站、區(qū)間隧道都提出了嚴(yán)格的保護(hù)要求。隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)的不斷拓展,越來越多的新建城市商業(yè)、市政工程成為了臨地鐵施工項(xiàng)目,而這些項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的基坑工程設(shè)計(jì)及施工,必須采取嚴(yán)格的措施,以確保相鄰地鐵的安全使用。
一般情況下,新建基坑工程距離地鐵越近,其對(duì)地鐵產(chǎn)生的影響就越大,相應(yīng)就需要采用更為嚴(yán)格的保護(hù)措施,以進(jìn)一步控制其對(duì)已建對(duì)象的影響[1-2]。目前,一些大型商業(yè)綜合體、市政工程為滿足人流快捷地進(jìn)出入地鐵站,建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成與地鐵車站一體的形態(tài),這使得這類新建基坑工程設(shè)計(jì)施工難度大大增加。
劉國彬[3]、李琳[4]等均對(duì)軟土地區(qū)基坑工程的沉降變形特性進(jìn)行過研究。在本文中,以上海地區(qū)的某緊貼地鐵車站的深大基坑為例,探討了這類新建大型綜合體建筑與地鐵車站結(jié)構(gòu)無縫對(duì)接形態(tài)下,基坑工程設(shè)計(jì)與施工的難點(diǎn)、重點(diǎn)問題,并結(jié)合該工程特點(diǎn),分析了特殊基坑工程的設(shè)計(jì)思路和方案,以希望能對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)施工提供借鑒。
該商辦項(xiàng)目場(chǎng)地位于上海浦東新區(qū)唐鎮(zhèn)地鐵站,為軌道交通2號(hào)線唐鎮(zhèn)站配套商業(yè)二期工程,一期地下工程結(jié)構(gòu)已與唐鎮(zhèn)地鐵站同期建設(shè)完成。項(xiàng)目總體由3棟13~23層高層辦公樓、2層商業(yè)裙房及3層整體地下室組成,建成后可從商業(yè)地下一層及地下二層直接進(jìn)入地鐵車站。
本工程基坑面積約21300m2,普遍挖深為14.9~15.7m,局部深坑達(dá)18.8m。已建的一期工程埋深同本項(xiàng)目,可劃分為南、北兩塊,其中北塊位于本次二期工程與地鐵車站之間,寬度約22m,長約206m,南塊位于地鐵車站南側(cè),基坑面積約12500m2,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)地鐵車站已運(yùn)營多年,一期工程總體為毛坯狀空置,局部做為車站出入口已投入使用,待本項(xiàng)目二期工程結(jié)構(gòu)完成后,再整體進(jìn)行商業(yè)裝修及使用。
地鐵車站最近處距離本項(xiàng)目僅19.2m,埋深約為18.2m,為站廳——站臺(tái)層雙層結(jié)構(gòu),車站結(jié)構(gòu)頂與商業(yè)體B1層樓板平。
周邊環(huán)境概況:基地西側(cè)為33m寬河道,距離擬建地下室外墻約35m;基地北側(cè)為銀樽路,距離擬建地下室外墻約16m;基地東側(cè)為齊愛路,距離擬建地下室外墻約8m;基地南側(cè)為地鐵車站,距離擬建地下室外墻約19m,車站延長米約230m。本項(xiàng)目基坑周邊環(huán)境如圖1所示。
①依據(jù)勘察報(bào)告,基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。
②不良地質(zhì)現(xiàn)象:本次勘察期間,擬建場(chǎng)地內(nèi)條明浜已回填處理,但明浜底部局部仍有少量浜土分布;場(chǎng)地西北側(cè)有暗浜分布。
③擬建場(chǎng)地地下水類型有淺部土層中的潛水,及第⑦2、第⑨層中的承壓水。經(jīng)分析承壓水突涌穩(wěn)定性計(jì)算,基坑一般底板區(qū)域承壓含水層抗承壓水穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。對(duì)于局部落深區(qū),抗承壓水穩(wěn)定性剛好滿足規(guī)范最低要求,實(shí)際施工中應(yīng)實(shí)測(cè)水位,必要時(shí)設(shè)置降壓井。
圖1 周邊環(huán)境總圖
土層物理力學(xué)性質(zhì)綜合成果表 表1
本項(xiàng)目屬軟土地區(qū)臨地鐵深大基坑項(xiàng)目,基坑周邊環(huán)境復(fù)雜,存在已建地鐵車站、配套商業(yè)、市政道路及河道等大量保護(hù)對(duì)象,對(duì)水平位移的控制要求高,且對(duì)基坑開挖引起的地面沉降敏感,環(huán)境保護(hù)要求極高。同時(shí),場(chǎng)地地層分布有較厚的淤泥質(zhì)粘土,對(duì)基坑施工階段的變形控制又十分不利,另一方面,業(yè)主希望盡可能控制本項(xiàng)目總工期。綜合以上因素,最終確定的圍護(hù)方案如下。
圖2 基坑分區(qū)示意圖
①分區(qū)施工。本項(xiàng)目基坑開挖面積約2.1萬m2,大面積基坑開挖,坑內(nèi)土體卸載,坑外土體予以部分補(bǔ)償變形,空間效應(yīng)明顯,會(huì)導(dǎo)致基坑周邊產(chǎn)生較大范圍的土體沉降與水平變形,進(jìn)而影響環(huán)境安全,尤其是本項(xiàng)目距離地鐵2號(hào)線唐鎮(zhèn)站最近僅約19.2m,本基坑開挖對(duì)地鐵車站將尤為不利,因此,必須分區(qū)、分塊、分期進(jìn)行施工。充分利用“時(shí)空效應(yīng)”原理,縮小單次基坑施工面積,縮短單次基坑施工工期,減少基坑施工對(duì)地鐵車站及其他周邊保護(hù)對(duì)象的不利影響。根據(jù)該原則,將基坑整體分為3個(gè)分區(qū),分區(qū)方案兼顧了3棟塔樓的整體性,并考慮了南側(cè)已建一期工程結(jié)構(gòu)對(duì)基坑受力的影響。分區(qū)后單坑面積均不超過9500m2,其對(duì)地鐵車站的影響遠(yuǎn)小于單一大基坑產(chǎn)生的不利影響,通過基坑自身的加強(qiáng)措施,可以有效的控制基坑開挖對(duì)地鐵車站的不利影響。在工況節(jié)點(diǎn)控制上,明確要求相鄰分區(qū)之間必須待先施工分區(qū)地下室至少完成地下2層結(jié)構(gòu)及換撐體系后,方可進(jìn)行后施工分區(qū)的土方開挖。最后待相鄰分區(qū)施工至±0.000后,逐段跳倉鑿除隔離墻,完成整個(gè)地下室結(jié)構(gòu)施工。分區(qū)方案見圖2中所示。
②圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本工程基坑挖深14.9~15.7m,采用兩墻分離地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),墻厚800mm,墻底埋深32.2m,地下連續(xù)墻槽段之間采用圓形鎖口管接頭。由于上海地區(qū)地下水埋深淺,且項(xiàng)目周邊分布有河浜,地下水補(bǔ)給充足,為加強(qiáng)圍護(hù)體止水效果,避免地墻接頭位置出現(xiàn)滲漏水的現(xiàn)象,需采取一定的補(bǔ)強(qiáng)措施。依據(jù)周邊環(huán)境條件,對(duì)于一般位置,在地墻槽段接縫處外側(cè)設(shè)置φ800高壓旋噴樁品字形加固止水,而對(duì)于位于地鐵50m保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的圍護(hù)體,為滿足更高的止水要求及保證地墻施工質(zhì)量,在地下連續(xù)墻兩側(cè)設(shè)置三軸水泥土攪拌樁槽壁加固。
③坑內(nèi)加固設(shè)計(jì)。基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)設(shè)置三軸水泥土攪拌樁坑內(nèi)加固,以控制基坑開挖階段的圍護(hù)體水平位移,達(dá)到有效控制周邊環(huán)境變形的目的。
④支撐設(shè)計(jì)?;釉O(shè)計(jì)3道臨時(shí)鋼筋混凝土內(nèi)支撐,在支撐平面布置上,重點(diǎn)考慮了臨地鐵的2個(gè)分區(qū)的變形控制,因此,支撐系統(tǒng)選擇了對(duì)撐為主的布置形式,以確保支撐體系的剛度與安全可靠性。支撐平面布置見圖3所示。
⑤棧橋設(shè)計(jì)。結(jié)合第一道鋼筋混凝土支撐設(shè)置了各分區(qū)間貫通的施工棧橋,加快了現(xiàn)場(chǎng)土方開挖及各分區(qū)、各工況下的流水作業(yè),縮短了基坑整體無支撐暴露時(shí)間和整個(gè)基坑施工工期,圖3中陰影區(qū)域?yàn)槭┕蚍植紖^(qū)域。
⑥換撐設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目多個(gè)分區(qū)先后施工,存在各分區(qū)工況進(jìn)度交錯(cuò)、樓板局部缺失、局部受力集中等問題,為解決以上問題需要采取圍護(hù)換撐設(shè)計(jì)。計(jì)算中,一方面需要對(duì)圍護(hù)體自身進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算,另一方面又需要對(duì)主體的結(jié)構(gòu)安全予以設(shè)計(jì)復(fù)核。
圖3 基坑支撐平面布置圖
本工程作為臨地鐵深大基坑項(xiàng)目,需嚴(yán)格以保護(hù)地鐵作為設(shè)計(jì)的首要原則,各項(xiàng)控制指標(biāo)均需滿足相關(guān)管理部門的要求,結(jié)合本項(xiàng)目自身特點(diǎn),通過多方案的分析比較論證及精細(xì)的設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目自2014年7月開始樁基、地墻的施工,至2016年5月地下結(jié)構(gòu)施工至±0.000,整個(gè)施工過程中無較大安全事故,基坑工程施工對(duì)周邊環(huán)境的影響均在合理可控的范圍內(nèi),保證了地鐵車站的正常運(yùn)營,為業(yè)主和施工單位創(chuàng)造了較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
本項(xiàng)目位于軌道交通2號(hào)線唐鎮(zhèn)站北側(cè),最近處距離地鐵車站僅19.2m,尤其基坑西南角緊鄰軌交車站站隧結(jié)合部,為地鐵變形最敏感區(qū)位,變形控制要求極高,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的核心就是解決在已運(yùn)營軌道交通周邊開挖深大基坑的保護(hù)問題。
①為確?;影踩?,設(shè)計(jì)采用規(guī)范計(jì)算方法和有限元數(shù)值模擬共同分析,從設(shè)計(jì)、計(jì)算分析的角度首先確保設(shè)計(jì)合理。為了得到比較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果,采用了彈性地基梁法和有限元法,兩者結(jié)果之間互相驗(yàn)證。彈性地基梁法將地鐵車站、配套商業(yè)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體考慮,按照“增量法”進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。有限元法進(jìn)行計(jì)算時(shí),考慮土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、配套商業(yè)和地鐵車站之間的相互作用,將它們作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)考慮,通過數(shù)值模擬分析,為基坑開挖和設(shè)計(jì)提供了有效的計(jì)算依據(jù)。
②分區(qū)、分塊、分期進(jìn)行施工,減少基坑施工對(duì)地鐵及其他周邊保護(hù)對(duì)象的影響。最終確定的方案主要遵循了以下的思路:a.控制各個(gè)分區(qū)的面積不超過1萬m2;b.二期工程中有3棟主樓,其中1#、2#主樓根據(jù)業(yè)主要求需盡快形成,因此,設(shè)計(jì)將1區(qū)基坑完整包含1#、2#主樓,首先開挖施工;c.控制平行地鐵方向的基坑形狀長度。經(jīng)過多輪的討論研究,最終形成了能滿足計(jì)算、響應(yīng)專家意見,同時(shí)又最大程度控制工程總工期的分區(qū)方案。
③設(shè)計(jì)采用了變形控制可靠的地下連續(xù)墻作為主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系,并根據(jù)不同的保護(hù)要求,對(duì)地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)度和變形的雙重控制,保證地下連續(xù)墻具有一定的插入深度和剛度,提高開挖面整體穩(wěn)定性、抗滑移穩(wěn)定性。合理安排各工況,從而確保了基坑工程的安全與順利進(jìn)行,保證了地鐵2號(hào)線的運(yùn)營安全。
④考慮到場(chǎng)地內(nèi)水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜,進(jìn)行了專項(xiàng)的抽水試驗(yàn),測(cè)定相關(guān)地層的水文地質(zhì)資料和環(huán)境影響情況。依托試驗(yàn)所得的水文地質(zhì)資料,復(fù)核了局部落深區(qū)位置的承壓水抗突涌穩(wěn)定性,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)降水施工。要求疏干降水和承壓水控制必須按需進(jìn)行,不得一次性、長時(shí)間、大范圍、大降深。
⑤本項(xiàng)目為地鐵配套商業(yè)的二期工程,一期工程已隨地鐵車站同期完成,因此存在新老圍護(hù)結(jié)構(gòu)搭接的問題。為確保圍護(hù)體在搭接面的可靠性,設(shè)計(jì)以等剛度代換的方式,通過圍護(hù)外側(cè)大直徑鉆孔灌注樁補(bǔ)強(qiáng)、高壓旋噴樁止水封閉的形式,實(shí)現(xiàn)了圍護(hù)體系的完整連續(xù),確保了基坑的安全。
⑥坑內(nèi)加固根據(jù)“輕重結(jié)合”的原則,以地鐵周邊50m范圍內(nèi)為重點(diǎn)保護(hù)區(qū),采取了三軸水泥土攪拌樁裙邊加固,以控制基坑開挖階段的圍護(hù)體水平位移,達(dá)到有效控制地鐵車站變形的目的。
⑦支撐設(shè)計(jì)采用了剛度較大的鋼筋混凝土對(duì)撐,在支撐平面布置上,重點(diǎn)考慮了臨地鐵的2個(gè)分區(qū)的變形控制,因此在正交地鐵車站方向,支撐系統(tǒng)選擇了對(duì)撐為主的布置形式,以確保支撐體系的剛度與安全可靠性。
⑧本項(xiàng)目3個(gè)分區(qū)先后施工,同時(shí)與已建的一期結(jié)構(gòu)又存在搭接界面,各分區(qū)工況進(jìn)度相互交錯(cuò),又存在樓板局部缺失等問題。為解決以上問題,方案中對(duì)可能存在失穩(wěn)的部位進(jìn)行了換撐補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。計(jì)算中,一方面對(duì)圍護(hù)體自身進(jìn)行了內(nèi)力計(jì)算,確定換撐桿件規(guī)格和時(shí)間節(jié)點(diǎn)控制,另一方面又對(duì)主體的結(jié)構(gòu)安全予以了復(fù)核,確保主體結(jié)構(gòu)永久使用不被破壞。
⑨利用“時(shí)空效應(yīng)”原理,體現(xiàn)立體施工、以時(shí)間換空間的思想,結(jié)合第一道鋼筋混凝土支撐設(shè)置了各分區(qū)間貫通的施工棧橋及堆場(chǎng)平臺(tái),為各分區(qū)交叉施工,多作業(yè)面的開展創(chuàng)造了有利條件。棧橋的設(shè)計(jì),加快了現(xiàn)場(chǎng)土方開挖及流水作業(yè),縮短了基坑整體無支撐暴露時(shí)間和整個(gè)基坑施工工期。
⑩深大基坑施工中,土方開挖配合支撐體系及結(jié)構(gòu)的施工是確?;影踩?、穩(wěn)定的關(guān)鍵要素之一。本項(xiàng)目從施工工況上嚴(yán)格要求土方分塊、挖土流程,嚴(yán)格支撐形成流程和支撐拆除流程等,對(duì)各個(gè)工況的順序、工期均提出了明確的要求。
本工程與南側(cè)地鐵車站之間為配套商業(yè)已建的一期工程地下結(jié)構(gòu),埋深15m,寬度約22m,長約206m。對(duì)于常規(guī)的軟土地區(qū)臨地鐵基坑工程,一般需要在臨地鐵側(cè)設(shè)置多個(gè)窄條小分區(qū)后挖,充分利用“時(shí)空效應(yīng)”原理,縮小單次施工基坑面積,縮短單次基坑施工工期,減少基坑施工對(duì)地鐵車站的不利影響。這種設(shè)計(jì)思路已經(jīng)在上海等軟土地區(qū)得到大量的成功應(yīng)用,并得到地鐵管理部門和專家的推薦。但考慮本工程南側(cè)已形成近20m寬的地下結(jié)構(gòu)體系,其實(shí)際上對(duì)地鐵車站的結(jié)構(gòu)剛度及整體穩(wěn)定性具有一定的補(bǔ)強(qiáng)作用,故在本次圍護(hù)設(shè)計(jì)方案中,利用了已建地下結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)。為合理的估值該部分地下結(jié)構(gòu)的剛度,同時(shí),又要避免側(cè)向土壓力對(duì)該部分窄條地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響,設(shè)計(jì)中對(duì)地下結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了等代歸并,并通過有限元模擬分析及彈性地基梁法驗(yàn)證,對(duì)已建結(jié)構(gòu)體剛度進(jìn)行了數(shù)值估算。經(jīng)過計(jì)算,在考慮了南側(cè)已建地下結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)后,本項(xiàng)目圍護(hù)方案中,對(duì)基坑分區(qū)設(shè)計(jì)、支撐設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均進(jìn)行了合理優(yōu)化:①不再劃分臨地鐵小分區(qū),適當(dāng)放大了單坑面積,控制分區(qū)個(gè)數(shù)在三個(gè),從而縮短了施工工期,減少了分隔墻的設(shè)置和拆除;②考慮已建地下結(jié)構(gòu)對(duì)北側(cè)集中支撐軸力的協(xié)調(diào)均衡作用,根據(jù)支撐體系內(nèi)力計(jì)算結(jié)果,適當(dāng)放寬了垂直地鐵車站方向的對(duì)撐間距至12m,加大了支撐間的挖土空間,為土方開挖提供了便利;③經(jīng)與相關(guān)部門溝通,臨地鐵側(cè)坑內(nèi)裙邊加固對(duì)比常規(guī)設(shè)計(jì),其加固體寬度及高度均有所優(yōu)化減少。隨著近年來如火如荼的軌道交通建設(shè)熱潮及類似地鐵車站與配套商業(yè)共建模式的推廣,臨地鐵深基坑項(xiàng)目中將越來越多的遇到與本工程相似的案例,本工程安全高效的成功應(yīng)用,將對(duì)其他工程的開展起到借鑒指導(dǎo)意義。
本工程基坑挖深達(dá)15m,基坑南側(cè)為已完工的一期工程結(jié)構(gòu),主動(dòng)土壓力相對(duì)較小,西側(cè)為落低近2.0m的曹家溝河浜,北側(cè)銀樽路西段為跨越曹家溝的橋梁路基(較一般場(chǎng)地約抬高約2.0m,超載明顯)。這種復(fù)雜的周邊環(huán)境導(dǎo)致基坑四周的土壓力存在明顯差異,而不平衡、非對(duì)稱的支撐軸力將威脅到整個(gè)基坑工程的穩(wěn)定及安全。為確?;邮┕ぐ踩?,避免產(chǎn)生局部應(yīng)力集中或支撐桿件抗拉破壞等問題,本次設(shè)計(jì)中對(duì)各種工況中的非對(duì)稱荷載進(jìn)行了系統(tǒng)的復(fù)核,通過計(jì)算結(jié)果分析,對(duì)圍護(hù)方案進(jìn)行了局部調(diào)整:①對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中土壓力較大側(cè),坑內(nèi)加固進(jìn)行了適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng);②對(duì)土壓力相對(duì)較小側(cè),各斜拉桿件的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了復(fù)核及型鋼斜拋撐局部加強(qiáng);③增加后續(xù)拆撐環(huán)節(jié)中,土壓力較大側(cè)的換撐設(shè)計(jì)。從而確保了這一各項(xiàng)要求嚴(yán)格的基坑工程的安全與順利進(jìn)行。
在本次深大基坑設(shè)計(jì)中,根據(jù)實(shí)際條件,采用了一系列的設(shè)計(jì)創(chuàng)新和優(yōu)化,因此為驗(yàn)證前期理論計(jì)算的可行性和促進(jìn)理論計(jì)算的進(jìn)一步完善,我院對(duì)信息化施工提出了詳細(xì)的要求和安排,同施工、監(jiān)理和監(jiān)測(cè)單位一起形成了一整套設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)相配合,由設(shè)計(jì)指導(dǎo)施工,施工、監(jiān)測(cè)驗(yàn)證完善設(shè)計(jì)措施,真正做到信息化施工。
本文通過對(duì)上海地區(qū)某個(gè)臨地鐵車站的深大基坑研究,探討了新建大型綜合體建筑與地鐵車站結(jié)構(gòu)無縫對(duì)接形態(tài)下,基坑工程設(shè)計(jì)與施工的難點(diǎn)、重點(diǎn)。在分析周邊環(huán)境、地質(zhì)條件、基坑規(guī)模、深大基坑與地鐵車站相互關(guān)系等諸多因素基礎(chǔ)上,本工程利用時(shí)空效應(yīng)理論、輕重結(jié)合原則、有限剛度理論,對(duì)該類特殊的、環(huán)境保護(hù)要求極高的深大基坑工程進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究,形成以下結(jié)論:
①對(duì)于變形控制要求高的超深大基坑項(xiàng)目,基坑分區(qū)先后施工,對(duì)控制周邊環(huán)境沉降變形,作用明顯;
②有限寬度的結(jié)構(gòu)體,可通過有限元模擬、結(jié)構(gòu)等代歸并等方法,估算其剛度,分析其對(duì)周邊環(huán)境變形控制的作用;
③基坑非對(duì)稱荷載作用下,可以通過坑內(nèi)局部加固、設(shè)置斜撐的方式控制基坑非對(duì)稱變形;
④深大基坑工程中信息化施工有利于施工風(fēng)險(xiǎn)的控制;
⑤隨著近年來如火如荼的軌道交通建設(shè)熱潮及類似地鐵車站與配套商業(yè)共建模式的推廣,臨地鐵深基坑項(xiàng)目中將越來越多的遇到與本工程相似的案例,本工程安全高效的成功應(yīng)用,將對(duì)其他工程的開展起到借鑒指導(dǎo)意義。