上海软土地区深基坑工程新技术.doc

上海软土地区深基坑工程新技术上海城市建设的发展促进了地下空间的开发利用，1990年以来，上海地铁车站、高层建筑地下室、地下车库、地下商场、地下电站等数以千计的地下工程建设，不断完善和提高了深基坑工程的设计和施工技术。软弱的地层和林立的建筑群给深基坑施工带来困难和风险，而地下连续墙作为围护结构因具有刚度大、变形小、止水性好的优点在深基坑工程中得到广泛的应用。深基坑工程技术包括围护结构技术、支护技术、基坑开挖技术、坑底土体加固技术、信息化施工技术等。1 坑工程围护结构新技术的发展当基坑深度超过10m，基坑平面超过1000m2时，靠钢板桩、混凝土板桩、搅拌桩作围护结构已难于抵抗侧向土水压力的作用，因此必须选择刚度大、止水性好的围护结构。 钻孔灌注桩是一种刚度较强、成本较低的围护结构,在基坑深度5m10m范围内用得较多，但由于圆柱桩形相交而止水效果差，往往在灌注桩外侧施工一排深层搅拌桩以提高抗渗性。地下连续墙采用整幅钢筋混凝土结构，用专用的挖槽机施工，具有墙体刚度大、接头止水好、施工机械化程度高，虽然施工成本最高，但已广泛用于深基坑工程。上海地铁车站已建地下车站21座、在建16座、除2座车站采用SMW围护墙工法外、全部采用地下连续墙。几百项大型深基坑工程大多选择地下连续墙围护结构。 近年来发展应用的SMW围护墙工法，采用深层搅拌桩插入H型钢的围护结构形式，既具有地下连续墙的优点，而其工程成本低于地下连续墙，正在逐步用于地铁车站和其它深基坑围护工程，有广阔的发展前途。 2. 深基坑支护技术深基坑开挖后，围护结构两侧的水土压力失去平衡，受坑外水土压作用而发生向坑内的墙体变形位移，易引起坑外土体的沉降位移和邻近构筑物的破坏。因此，确保基坑施工安全和环境安全的主要技术措施是控制围护结构变形的支护技术。支护技术有内支撑技术、锚杆技术、无支撑锚锭技术。2.1 内支撑技术在基坑内设置钢支撑体系、一般有型钢支撑和钢管支撑，上海地区常用钢管支撑、具有抗翘曲变形性能好，支撑设置方便的特点。钢支撑形式有单向支撑和双向支撑2种。长条形基坑以单向支撑为主，如地铁车站长约200m、宽22m，车站标准段采用单向支撑，端头井采用双向支撑为主。长和宽小于40m的深基坑一般采用双向钢撑。2.2 钢筋混凝土现浇支撑体系当基坑跨度较大，而钢支撑的刚度不能满足支护要求时，钢筋混凝土现浇支撑应运而生。钢筋混凝土支撑体系往往形成一个平面刚性框架，形成对围护墙的支护作用，具有刚度大、稳定性好的优点。但同时存在作业时间长、支撑折除成本高、不能多次使用的缺点。优秀的设计往往把混凝土支护体系与地下结构一并考虑，起到降低成本的效果特大型基坑(如宽度超过60m)，其混凝土支护体系往往设计成中间为圆形外周为网状结构的体系。2.3中心岛内支撑体系对于宽大的基坑工程，也可采用中心岛式内支撑体系。如人民广场地下停车库，静安地铁站下沉式广场，采用了中心岛式内支撑体系，先开挖中心岛部分，建方岛式结构。该支撑体系具有作业空间大的优点、适用于大面积基坑工程。2.4 圆形坚井无支撑内衬逆筑法圆筒型坚井结构的深基坑工程，可利用圆形围护结构受侧向均匀荷载变形小的优点，采用地下连续墙围护内衬混凝土逆筑法进行施工，如人民广场地下变电站工程(平面62.4m，挖深23.8m)。 3. 地下连续墙施工技术地下连续墙施工具有无震动、无噪音的特点，并能靠近建筑物边缘施工，施工中对周围环境影响小。地下连续墙的厚度和深度根据基坑要求而定，在上海地区、墙深为开挖深度的1.62.0倍，当采用无支撑和锚锭时，可达2.5。3.1 成槽机械的选择和特点地下连续墙成槽机械有液压抓斗式、钻头式、滚刀式等。滚刀式成槽主要用于硬土和软岩，不适用于上海软土。多头钻成槽机虽然具有效率高、占地少的优点，但是需要是配备价格昂贵的泥水分离设置，施工成本大，在上海市区已很少采用，目前在上海地区大量使用的是液压抓斗式成槽机械，见图1。液压抓斗成槽具有挖土效率高、干出土、成槽垂直精度较高的特点，施工实践证明，是适宜上海软土地层施工地下连续墙的机械。液压抓斗又可分为绳索液压抓斗、绳索长导板液压抓斗、长导杆液压抓斗，从施工性能来看、MHL绳索长导板液压抓斗因具有纠偏液压板而使成槽垂直精度提高，比其它两种液压抓斗更为先进和实用，用该机开挖的槽段，其垂直精度可达1/4001/800。3.2 地下连续墙接头型式及防水效果地下连续墙的分幅施工使幅与幅之间存在接缝，往往成为渗漏水的途径，因此地下连续墙接头的构造形式和施工对防水效果影响较大，地下墙接头型式见图2。(1)半圆形接头：是最常用的接头形式、吊放和起拔方便，构造简单，但防水效果较差。接缝渗漏水达30以上。(2)双圆形 (眼睛式) 接头：由于延长渗漏水途径、防水效果优于半圆形接头，但接头管制作要求较高，起拔较难。(3)预留注浆孔接头：弥补半圆形接头的不足，在接头处预留注浆孔注入微膨胀防水砂浆或其它能适应一定量变形的防水材料，起到接缝止水作用，施工工艺较复杂。(4)钢板型接头：先行幅钢筋笼两端用型钢制作刚性接头，后行幅地下墙与先行幅墙体形成刚性连接，防水效果好，但成本较高，一般用于特殊要求或无内衬围护结构。(5)柔性防水接头：用橡胶止水带放入两幅相邻墙体内，止水效果好，但施工工艺复杂、技术要求高。 4. 多层钢支撑地下连续墙围护深基坑施工深基坑支撑体系的设计和施工的可靠程度是影响基坑稳定、施工环境安全、工程造价和工期的主要因素。地铁车站等一类长大型基坑工程、在上海软土地区一般采用钢管支撑体系，地铁1号线11座车站及折返段、矩形暗埋区间隧道、延安东路隧道矩形暗埋段等均采用钢管支撑。支撑围护系统的设计原则是限制墙体位移、坑底隆起和坑外土体的变形，确保结构安全、施工安全和环境安全。主要设计参数是地下墙的厚度和强度、入土深度、钢支撑的构造形式和分布。地下墙入土深度应根据坑底抗隆起、抗管涌和整体稳定的验算而确定。经过计算、工程实践和现场实测，目前上海地区的地下墙作围护结构的入土系数（P/H P为入土深度，H为挖深）一般为0.60.7m。当有邻近构筑物或重要管线时，可适当加深，以减少地层变形。钢支撑的设置：圆管形钢支撑是一种刚度大、抗翘曲性好的支撑结构形式。长大型基坑的支撑形式除两端头需考虑双向支撑外，其余在标准段分段基坑施工中只需单向支撑，支撑布置见图3。地铁车站深基坑施工常用的为600钢支撑，设计支撑轴力一般为2000kN。由于一幅地下墙的宽度一般为6m。因此在同一平面上每隔3m设一道支撑，每幅地下墙设有2道支撑。沿坚直向的支撑层数的设置因根据墙体刚度、允许位移量、工程结构、施工顺序，坑外环境的保护要求等而综合考虑。最上层钢支撑应尽量靠近地面。可起到有效限制墙体位移的作用；最下层支撑应尽量靠近砼底板标高，以减少坑底处的墙体位移达到基坑稳定；中间层支撑的坚向间距应上大下小。地铁车站的基坑施工一般采取35层支撑。 5 地铁车站混凝土顶板逆筑工法（或称盖挖法）建在繁华街区或交通干道上的地铁车站和其它地下结构物，当需要进行深基坑施工时，为了缩短路面交通封锁的时间和减少邻近建筑物的沉降，可选择顶板逆筑工法。于1992年2月开工兴建的上海地铁1号线黄陂路站、陕西路站、常熟路站在国内首次采用地下连续墙围护顶板逆筑法施工。车站长220m，宽21m，深1517m，1994年建成，施工期2年，但交通封锁期仅为一年。（1）施工顺序：见图4。（2）基坑开挖的围护地铁车站的长、大、深基坑开挖施工，其围护形式为地下连续墙如钢支撑。第一次开挖设两道支撑，对支撑施加预应力，以限制地下连续开挖部分的变形位移，达到保护基坑周围构筑物的目的。 地铁车站顶板浇筑后，大大增强了围护结构的上部刚度和稳定性。基坑转入暗挖后，仍遵循随挖随支撑的方式进行第二次开挖和支撑，以钢支撑增强挖土部位的地下连续墙刚度，防止开挖面处的墙体变形位移和坑底稳定。6 井混凝土内衬逆筑工法应用地下连续墙围护砼内衬逆筑工法在上海地区于1987年首先在延安东路隧道1号风井应用，该圆形坚井直径28.6m，挖深18.5m。1990年220千伏地下变电站井筒结构也采用逆筑法施工，直径为62.4m，挖深26.3m上海合流污水治理工程彭越浦泵站、福州路电缆隧道盾构工作井也相继用该工法施工。内衬砼逆筑工法，施工顺序见图5。 7 钢筋混凝土支护结构应用钢筋混凝土支护结构具有整体刚度大的优点，已广泛用于宽大型基坑工程、其结构形式多样格化，尤其是适用于不规则平面形状。钢筋混凝土支撑体系按平面框架结构设计，其外荷载由围护体系直接作用在封闭框架周边，约束条件视基坑形状、地基土物理力学性质和围护体系刚度而定。上海万都大厦的大基坑的钢筋混凝土支护结构见图6。7.1工监测内容和布置 深大基坑施工监测内容包括： （1）连续墙墙体位移和沉降； （2）基坑围护钢支撑轴力； （3）坑外土体变形和沉降； （4）邻近建筑物沉降和坑外地面沉降。 地下连续墙位移通过埋设在墙体内的测斜管用倾仪进行监测。墙体沉降采用水准仪测量。钢支撑轴力采用钢弦式应力计进行量测。 坑外土体变形采用钻孔埋设测斜管用倾斜仪监测。坑外上体分层沉降采用分层埋设磁环测点用分层沉降仪进行监测。建筑物沉降和坑外地表沉降采用水准仪测量。 7.2 地铁河南路站深基坑施工及对邻近建筑物的保护 上海地铁2号线河南路站位于繁华的南京东路商业街区上，长230m，宽22.8m，深15.2m,为双排柱列三跨地下二层矩形结构。车站呈东西走向，其南侧为7层的东海商都，该建筑为2030年代的老建筑，独立柱加短木桩基础，与车站南侧地下墙距离约1.2m2.0m。并行长度约90m，见图7所示。北侧为中联商厦和电子商厦。河南路地铁站的深基坑施工对邻近建筑的保护的技术难度极大。 车站基坑开挖对东海商都的影响很大，为控制沉降保护建筑，主要采取开挖过程中的时空效应控制、钢支撑预应力、坑底被动土压区注浆、信息化施工4项基本措施。