复杂工况环境下的地下连续墙施工

摘 要：上海市轨道交通14号线10标黄陂南路站位于市中心,周边环境敏感复杂,且车站部分地下连续墙位于运营中的重庆南路高架下方,施工难度极大。论述在复杂环境中紧邻重要建筑物以及在净空受限的不利工况条件下,合理进行施工筹划,采取关键技术和有效措施进行超深地下连续墙的施工技术,确保了周边环境的安全。通过对复杂环境下地下连续墙关键技术研究,提升了在复杂敏感环境条件下的地下连续墙施工水平和质量,具有广阔的发展前景。这为今后地下连续墙工程在不同复杂工况中的施工提供了经验。

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上海市轨道交通14号线黄陂南路站位于金陵路下, 重庆南路以东、黄陂南路以西, 为地下二层带单列位停车线侧式站台车站, 与1号线黄陂南路站通道换乘。地下连续墙厚度为800 mm、1 000 mm和1 200 mm, 深度为32~70 m不等, 接头设计形式为套铣接头、橡胶止水接头和H型钢接头。

黄陂南路周边建筑物众多, 且紧邻基坑。北侧13层连云大楼距离车站基坑最近约3 m, 19层金陵大厦距离车站基坑最近约8 m;西端头井D 1基坑部分地下连续墙位于重庆南路高架下方, 梁下净高约20 m, 桥台距离车站基坑最近距离约2 m。

D 1基坑部分位于重庆南路高架下方, 开挖深度18.571m, 采用深34 m和39 m的1 000 mm厚地下连续墙进行围护。

D 2基坑开挖深度17.032~17.096 m, 采用深32 m、厚800 mm和深47 m、厚1 000 mm的地下连续墙进行围护。

D 3基坑北侧紧邻连云大楼, 最近处仅3 m, 基坑开挖深度17.039~17.32 m, 采用深47 m、厚1 000 m和深36.5m、厚800 mm的地下连续墙进行围护。

D 4基坑一部分位于黄陂南路, 基坑开挖深度17.32~19.26 m, 采用深36.5 m、厚800 mm的地下连续墙围护。

本工程主要土层为黏性土、粉性土和砂土。对本工程影响最大的土层主要是黏质粉土夹粉质黏土层和灰色粉砂层。黏质粉土夹粉质黏土层埋深分别为24.5 m、35.0 m, 层厚分别为10.5 m、9.0 m;灰色粉砂层埋深约51.3 m, 总层厚为17.2 m。

以上土层为承压水层, 具含水量高、流动性强等特点, 影响地下连续墙成槽稳定性。

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14号线黄陂南路站位于上海市繁华的市中心, 与周边建筑群距离近, 部分车站结构处于重庆南路高架下, 且地下连续墙穿越承压水土层, 基坑环境保护等级为一级, 因此本工程的主要风险点是地下连续墙成槽等施工对周边构筑物的影响。

(1) 紧邻高17层的连云大楼地下连续墙施工风险。地下连续墙距离连云大楼最近处只有3 m, 地下连续墙的施工对连云大楼的安全构成危险。如果保护措施不到位, 可能会造成连云大楼沉降开裂, 甚至倾覆。

(2) 净空只有20 m的高架下地下连续墙施工风险。本工程部分地下连续墙位于运营中的重庆南路高架下方, 高架下方净空高度只有20 m。地下连续墙施工过程中如何做到对高架的保护以及如何在净空受限的不利工况下施工地下连续墙, 是本工程的另一主要施工难点。

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根据地下连续墙与周边环境的具体情况进行具体分析采取不同的应对措施, 做到保证周边环境的安全与施工质量之间的平衡。

3.1 连云大楼保护措施

连云大楼高17层, 下部基础为450 mm×450 mm的锚杆桩, 与地下连续墙最近只有3 m。大楼基础相对比较薄弱, 地下连续墙施工对周边土体的扰动势必对大楼的安全构成影响。邻近地下连续墙深36.5 m, 厚1 000 mm, 采用GXJ橡胶止水接头。

地下连续墙正式施工之前, 在地下连续墙的两侧采用TRD (Trench-Cutting&Re-mixing Deep Wall Method工法, 等厚度水泥土地下连续墙工法) 对土体进行加固。TRD工法与传统的三轴搅拌桩加固相比具有连续性高的优势, 同时还具有适应地层广、成墙质量好、强度高、安全性高等特点。现场TRD工法加固厚度为800 mm。TRD工法加固示意见图1, TRD工法加固剖面图见图2。

在TRD工法水泥土墙体28 d无侧限抗压强度≥1 MPa后即可开始地下连续墙的施工。由于TRD加固体对大楼周边土体的加固和阻挡, 地下连续墙开挖时不会引起周边土体的塌方。

TRD工法的施工精度为1/300, 选择TRD距离地下连续墙的两侧10 cm进行施工, 防止TRD工法加固体侵入地下连续墙。

TRD工法桩机自身高度10-12m可以在高压线，高架桥等低静空环境完成大深度的等厚度水泥土搅拌墙施工。

3.2 重庆南路高架保护措施

黄陂南路站西端头井位于重庆南路高架桥下方, 梁下净高约20 m。高架主线采用Φ800 mm钻孔灌注桩, 距离西端头井围护结构最近处约6.2 m;匝道采用Φ550 mm PHC管桩, 桩深49 m, 距离西端头井围护结构最近处约2.1 m。如何在保证交通安全的情况下保证地下连续墙的施工质量, 并确保高架桥的安全是最关键的问题。

3.2.1 桩基加固减轻地下连续墙施工对高架的影响

参照之前地铁线路穿越既有建构筑物和保护建构筑物安全的已有经验, 选择采用桩基加固的方式进行高架保护。

距离地下连续墙最近的两个承台下部均为PHC管桩基础。PHC管桩存在上下节接头, 抗剪切能力差, 基础薄弱。因此采用钻孔灌注桩对PHC管桩进行桩基加固, 用以加强承台桩基础, 抵抗因地下连续墙开挖引起对周边土体扰动带来的影响。

桩基加固将原高架匝道承台4 m×4 m×2 m加大为5.6m×8.3 m×2 m, 之后在承台区域做加固桩。加固桩采用6根钻孔灌注桩, 桩径为800 mm, Y 1-2桩长52 m, Y1-3桩长47 m。桩基加固平面示意见图3, 桩基加固剖面图见图4。

3.2.2 低净空钢筋笼吊装

地下连续墙施工过程中须对运营中的重庆南路高架进行保护, 同时低净空重庆南路高架也严重制约了地下连续墙钢筋笼吊放施工。重庆南路高架梁下净空只有20 m, 长度38.3 m的钢筋笼无法整幅起吊下放, 只能采取分节对接的方式。

钢筋笼吊装是地下连续墙施工中一个承前启后的关键性节点, 钢筋笼起吊下放的方式和时间, 影响着地下连续墙的施工质量和周边的环境安全。现场主要从以下几个方面保证钢筋笼在低净空的高架下安全下放。

(1) 设备合理选型、配置。D 1基坑地下连续墙部分位于高架下方, 因此设备选型时应整体考虑。结合黄陂南路站D 1基坑所有地下连续墙钢筋笼的吊放, 采用副吊100 t配合主吊180 t的组合。现场通过履带吊把杆长度的不同组合, 既能保证高架外48 m深地下连续墙钢筋笼的吊装, 也能保证高架下38.3 m深地下连续墙钢筋笼的安全下放。主吊把杆配置长度为18 m, 小于高架下的净空。

(2) 缩短钢筋笼的起放时间。槽段的稳定与否直接影响地下连续墙的质量和高架的运营安全。钢筋笼吊放过程中, 地下连续墙槽段处于暴露状态, 只靠泥浆护壁保持槽段稳定。钢筋笼吊放阶段为槽段最不利的阶段, 必须尽量缩短时间。影响钢筋笼吊放时长的主要因素是对接次数和对接的工作量。(1) 对接次数:长度为38.3 m的钢筋笼根本无法在净空只有20 m的高架下方整幅吊放, 必须采取分节对接的方式;钢筋笼分节的数量必须满足钢筋笼安全对接下放的要求和最少的分节数量来加速钢筋笼的吊放。为了达到上述两个要求, 现场取消了钢筋笼扁担的设置, 改为吊点钢丝绳直接悬挂于主吊吊钩, 能使单节钢筋笼长度尽可能最长; (2) 对接工作量:现场钢筋笼主筋采取机械连接的方式进行连接, 根据GB 5024—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》第5.4.6条规定, 当受力钢筋采用机械连接接头或焊接接头时, 相邻接头应错开35 d且≥500 mm。现场钢筋笼的主筋直径为28 mm, 根据要求相邻接头应错开Φ28 mm×35mm=980 mm。钢筋笼分节的位置必须结合机械接头的位置综合考虑。钢筋笼分节的位置应位于钢筋笼机械接头最少的位置, 减少对接的工作量, 缩短钢筋笼吊放时间。

结合以上两点, 现场将钢筋笼分成了4节, 从下到上长度分别是11.3 m、9 m、9 m、10 m。分节图见图5。钢筋对接示意见图6。

3.3 地下墙施工针对性措施

周边建筑物紧邻施工的基坑, 最大的风险点是围护结构施工对建筑物周边土体的扰动。土体受到扰动后, 原有的性质和结构将发生变化, 会产生位移、滑移等现象。建筑物周边土体的变化, 会影响建筑物的基础, 从而影响建筑的安全。因此为了避免这样的情况, 针对处理措施为以下2种。

(1) 缩短幅宽, 减少扰动。可以通过增加地下墙幅数, 使得单幅槽段幅宽变小。幅宽变小, 槽段暴露的空间减小, 对周边土体的扰动范围也变小。槽段幅宽变小, 还可以缩短施工时间, 减少槽段暴露的时间, 有利于减少对周边土体的扰动。

(2) 优质泥浆护壁提高槽段稳定性。选用性能稳定、指标优异的捷高优钻100复合纳基膨润土来拌制护壁泥浆。钠基膨润土水化后的膨胀倍数为钙基膨润土的10倍以上。膨润土的小板与高分子聚合物之间的桥接作用, 可在槽壁孔壁形成又薄又韧、致密的泥皮, 降低了泥浆的流失, 从而降低了对周边含水地层的扰动, 使孔壁周边的地层尽量保持原状, 防塌性能增强。优质泥浆护壁机理图见图7。

为了保证高架的运营安全, 现场将泥浆指标由黏土层提高至砂土层级别, 更好地保持槽段的稳定性。泥浆指标见表1。

3.4 监测预警

黄陂南路站周边环境复杂, 基坑环境保护等级为一级。根据确定的保护等级, 在受保护的建筑物上布置检测点, 检测点预警指标见表2。

通过定期定点检测保护环境及指导施工, 连云大楼周边布置了10个竖向位移检测点, 测点布置图见图8。

重庆南路高架布置了21个竖向位移监测点, 距离施工区域最近的8个点还测量其倾斜值。测点布置图见图9。

对周边环境的保护效果最终以现场的检测数据为准。通过现场实时的监测数据与开始前制定的保护标准进行对比, 确认保护方案的可行性并指导现场施工。整个地下连续墙施工期间的监测数据严格控制在制定保护标准范围之内。连云大楼的检测数据见图10。重庆南路的检测数据见图11。

地下连续墙施工期间, 连云大楼累计最大位移为18mm, 小于预警值20 mm;单天的最大位移变化值为1mm, 小于预警值2 mm/d。

重庆南路高架在地下连续墙施工期间累计位移为8mm, 小于预警值10 mm;单天最大的位移变化值为0.9mm, 小于预警值1 mm/d;新增最大倾斜值为0.05%, 远小于预警值1/450。

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随着城市建设的快速发展, 新规划的地铁线路与中心城区既有建筑物和交通线路的关系将更为复杂。黄陂南路车站位于上海市中心, 周边环境敏感且保护等级要求高。本工程针对周边环境的不利工况, 制定了具有针对性的施工方案, 通过调整施工方法和参数, 保证了地下连续墙的施工进度和质量, 确保了周边环境的安全。

通过本次复杂环境下地下连续墙关键技术的实施, 提升了在复杂敏感环境条件下的地下连续墙施工水平和质量, 为今后地下连续墙工程在类似复杂工况中的施工提供了成熟的经验。下一步我们还需对在敏感环境下的施工技术做进一步总结, 寻求在今后更复杂的土层、更敏感的周边环境、更深的地下连续墙施工中发挥积极作用。

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