边框架逆作法在宁波轨道交通1号线基坑工程中的运用

姚燕明 孙建军

(1.宁波市轨道交通工程建设指挥部,315012,宁波;2.上海市隧道工程轨道交通设计研究院,200235,上海∥第一作者,高级工程师)



边框架逆作法在宁波轨道交通1号线基坑工程中的运用

姚燕明1孙建军2

(1.宁波市轨道交通工程建设指挥部,315012,宁波;2.上海市隧道工程轨道交通设计研究院,200235,上海∥第一作者,高级工程师)

宁波市轨道交通1号线一期工程鼓楼站至东门口站的基坑工程,结合地下商业开发,采用地下三层全明挖施工,是宁波轨道交通开挖体量最大基坑工程。由于基坑位于市中心商业核心区,为保护周围环境安全,采用下二层板边框架逆作方案,利用局部逆作楼板代替混凝土支撑,提高了基坑的整体支撑刚度和水平变形控制。分析了逆作楼板的设计方案,板下土模加固措施的效果。通过对计算及监测数据的对比分析,讨论了该方法的施工注意事项,以及该方法实际使用的优缺点。

城市轨道交通; 明挖基础; 逆作法; 变形控制

First-author′s address Ningbo Urban Rail Transit Management Department,315012,Ningbo,China

宁波轨道交通1号线一期工程有15座地下车站,地处典型的软土地区,广泛分布厚层状软土。软土天然含水量大于或等于液限,天然孔隙比大于或等于1.0,具有压缩性高、强度低、灵敏度高、透水性低等特点。

在1号线一期工程中,鼓楼站、东门口站和鼓楼至东门口站区间采用地下三层的全明挖方案,开挖长度超过800 m,开挖平均深度超过23 m。该区域位于宁波市商业、交通的最繁华区,周围环境保护要求高。对该段工程的设计方案,研究重点为如何控制基坑的变形。控制基坑变形一般可以采取加强围护结构[1]或土体加固[2-3]等措施,也可以采用逆作法利用内部结构板的刚度控制变形[4]。

1号线一期工程地下车站主要采用复合墙结构,连续墙和内部结构脱开,内部结构外侧设置全包防水层。为了控制该段基坑变形,在设计过程中,考虑下二层板采用边框架逆作,逆作的楼板通过钢筋接驳器和连续墙连接,利用楼板的支撑刚度控制基坑变形。由于开挖过程中,楼板与连续墙刚性连接,因此对该段车站和明挖区间的防水方案进行调整,采用了叠合墙方案,内衬与连续墙合二为一。

1 工程概况

鼓楼站、东门口站及其区间的基坑两侧有大量的商住及公建设施,道路上主要控制性管线有1 400 mm×600 mm的混凝土电力管、φ1 300 mm的混凝土雨水管、φ800 mm的铸铁给水管、φ600 mm的混凝土污水管等。由于位于市中心核心地段,为了充分利用地下空间,两车站之间的区间结合车站采用地下三层明挖法施工,地下一、二层进行商业开发,地下三层为轨道区间和停车线。

该段车站和区间明挖基坑全长约811.7 m,总平面如图1所示。

根据工程筹划和道路交通导改,在基坑中设置5道封堵墙,分为6个基坑施工,各基坑长度依次为23.7、165.2、126.1、194.1、114.2、188.4 m。基坑采用明挖法施工,一般竖向采用混凝土支撑结合钢支撑的支撑体系,第一道采用混凝土支撑,其下根据基坑开挖深度,可以结合钢支撑的设置布置混凝土支撑。

图1 车站及区间总平面图

该段基坑原支护设计方案为:第一道、第四道为混凝土支撑,其余为钢支撑的方案。在方案论证过程中,考虑到基坑开挖规模大、开挖深度深、周围环境保护要求高等特点,对采用逆作法保护方案进行了论证。如采用全逆作法施工,认为宁波软土地质条件差,施工难度较高,难以保证工期要求和工程质量。因此参照上海类似工程的经验,将第四道混凝土支撑取消,采用开挖过程中逆作下二层楼板来取代,提高支护结构的整体刚度。该方案同时兼顾了明挖法和逆作法的特点,仅增加了地下第三层结构土体开挖的难度。在1号线基坑工程中采用该楼板边框架逆作方案,也是一种尝试,为后期地下车站施工环境保护进行研究和积累工程经验。

基坑标准段剖面图如图2所示。围护结构采用1 m厚地下连续墙,沿基坑深度方向第一道为钢筋混凝土支撑,第四道支撑利用逆作的下二层边框架楼板,其余均为φ609 mm钢支撑。地层参数如表1所示。

2 逆作法板的设计

边框架逆作采用主体结构下二层楼板作为基坑开挖期间一道支撑,楼板采用C35混凝土,每隔3 m板带设置一个5 m×10 m出土孔,作为下二层板下出土通道,如图3所示。开孔的位置考虑设置在结构立柱位置,有利于回筑阶段立柱的整体浇筑,保证竖向结构的质量。下二层板两侧与连续墙通过预埋的接驳器进行连接(如图4所示),连续墙内的钢筋锚固长度满足规范要求[5]。在板的中间设置两道竖向临时格构柱,格构柱由4根L型180 mm×18 mm等边角钢组成,格构柱尺寸为560 mm×560 mm,插入直径1 m的灌注桩中。为了减少格构柱隆沉影响板的受力,灌注桩长度为30 m,进入⑧1粉砂层。在图2中只有一道临时格构柱延伸至基坑第一道支撑下方,一方面是该侧局部有临时车道盖板,另一方面也是减少上部基坑内格构柱的数量,有利于地面长臂挖机挖土。在板的设计时,考虑可以作为临时材料处理场地,堆放不超过4 kN/m2的施工荷载。

图2 基坑标准段剖面图

表1 主要土层参数表

图3 逆作楼板平面图

图4 楼板与连续墙连接节点图

3 边框架逆作法使用分析

基坑开挖过程中,下二层板以上部分按照常规基坑顺作开挖,并设置支撑。开挖至下二层板位置时,施工该下二层板作为一道支撑,达到强度要求后再开挖下二层板以下土体并设置钢支撑至基坑坑底,浇筑好底板后回筑内部结构。由于在软土地层中的下二层板施工过程中,难以在坑内软土中设置支架模板,因此,在施工前,下二层板下土体结合坑底土体的加固,进行土体抽条和裙边加固,如图5所示。利用板下加固土体作为下二层板的模板支撑,同时该加固土体也有利于在下二层板混凝土浇筑过程中和达到强度形成水平支撑前,减少基坑的水平变形。在实际施工过程中,该土模的设置确保了板施工质量,同时也减少了下二层板的施工时间和施工难度,达到了预期效果。

图5 板下土体加固图

此处列举某施工段实际变形与计算变形数据进行分析。图6为基坑计算围护结构变形包络图,计算最大水平位移为34.6 mm。图7为标准段连续墙监测变形,最大水平位移为53.5 mm。各工况下的计算与实测最大值对比详见表2。

图6 基坑计算围护结构变形包络图

图7 连续墙监测变形

数值类型第一层土第二层土第三层土第四层土第五层土第六层土第七层土计算值/mm4.310.316.025.930.332.234.6实测值/mm1.18.118.546.851.653.153.5说明:第四层土挖完浇筑楼板后,实测最大水平变形为37.2mm;在楼板后期养护完成后最大水平变形为46.8mm

从表2和图7的各阶段实测水平位移曲线也可以看出,从第三层土方开挖完成并架设好钢支撑开始,至第四层土方开挖完成并逆作下二层边框架楼板期间,以及楼板的混凝土养护期间,围护侧移有明显变化。根据施工日期分析,由于第四土层开挖时正值春节期间,劳动力受限,故此阶段施工过程较长,土方开挖和楼板浇筑时间增加了约20 d,导致基坑实测水平变形增大,从图7中可知最大值达到37.2 mm,增加了18.7 mm。在边框架楼板浇筑完成后,按设计要求进行了约15 d的楼板养护时间再进行第五层土方开挖。在楼板养护期间,连续墙水平变形最大值继续增加了9.6 mm,达到46.8 mm。

从监测数据分析可知,由于软土地区基坑施工过程中的土体流变变形等因素,导致随着时间的增加,连续墙侧移仍然在逐渐发展。根据宁波轨道交通15座地下车站的监测数据分析,由于土方开挖时间、支撑架设时间不及时等因素,会导致基坑变形急剧增大,因此软土地区基坑要重视“时空效应”,需要连续快速施工,及时支撑。在逆作的楼板混凝土养护期间,基坑变形会逐渐增大。为了控制基坑变形,除利用板下土体加固措施外,还可以考虑在板上设置临时钢支撑等措施。

图7中可以看出,在下二层边框架楼板设置形成支撑后,控制变形的效果较好,变形曲线明显收缩,逆作楼板下第五、六、七层土体开挖过程中基坑变形较小,分别增加4.8、1.5、0.4 mm,接近或满足设计要求。

通过实际使用分析,采用下二层板的边框架逆作的主要优点如下:

(1) 逆作的楼板形成支撑后,有利于控制楼板下基坑开挖的变形,保护周围环境安全。

(2) 下二层板在开挖时作为一道支撑,回筑阶段其是主体结构的一部分,不必像其它混凝土支撑一样拆除,减少了拆撑和内部结构施工时间,减少了混凝土废渣的处理,绿色环保。

结合施工过程中的现场反馈情况,采用楼板边框架逆作会增加楼板下基坑施工难度,主要缺点为:

(1) 由于下二层板覆盖范围较大,给板下基坑的出土带来一定的困难;需要在板下拼装钢支撑,通过小挖机在板下面运输材料,作业空间较小,给钢支撑的安装带来困难。

(2) 由于施工难度增大,楼板下的基坑作业需要加强施工组织设计,增加人员和材料的投入,否则会增加板下基坑开挖时间。

(3) 由于下二层板逆作,板下侧墙混凝土浇筑时,需要在下二层板上预留浇捣孔,给混凝土的振捣工作带来困难,对混凝土浇捣质量容易产生影响。在结构施工完成后,下三层侧墙与下二层板之间的施工缝容易出现渗漏情况。

4 结语

在宁波轨道交通1号线建设过程中,面对长、大深基坑工程,边框架逆作法成功用于软土深基坑的变形控制和环境保护,并积累了一定的运用经验。在软土地区,对地下三层、甚至四层车站的深基坑工程,在周边环境复杂、保护要求高的地段,采用局部楼板的逆作有利于环境保护和控制工程的风险。

在楼板逆作时,可以采用楼板下土体加固作为板浇筑过程中的土模,有利于减少楼板施工难度。同时该加固土体在楼板形成强度前,有助于控制基坑的变形。但混凝土楼板形成支撑发挥作用需要一定的养护时间,由于软土地区土体的流变变形,如基坑监测变形过大时,还可以采用在楼板上设置临时钢支撑的控制措施。

深基坑工程的边框架逆作会对施工带来一定困难,影响了楼板下基坑的挖土和支撑的效率,增加了逆作楼板下侧墙混凝土浇筑的难度,对施工作业要求相对较高。因此,需要合理安排施工计划,综合考虑其对车站总工期的影响,并在招投标阶段考虑因作业难度提高而增加相应的标的费用。

[1] 邹家南,杨小平,刘庭金.邻近地铁盾构隧道的深基坑支护分析[J].铁道建筑,2013(9):63.

[2] 朱志祥,刘少炜,刘新荣,等.某地铁车站软土深基坑加固效果研究[J].地下空间与工程学报,2014,10(3):716.

[3] 张亮.软土地区超大基坑开挖对既有地铁区间盾构隧道的影响分析[J].施工技术,2014,43(1):87.

[4] 孙立柱,陈鹤,刘寒迁,等.半逆筑法施工超大地铁深基坑工程设计方法[J].都市快轨交通,2011,24(4):99.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范:GB 50010—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

Application of Reverse Construction Method of Floor Performed Holes in Ningbo Urban Rail Transit Foundation Pit

YAO Yanming, SUN Jianjun

Combined with the underground commercial development,the open-cut method is used in the section between Gulou Station and Dongmenkou Station,it is a 3- layer underground project and also the biggest excavation volume pit in the first phase project of Ningbo urban rail transit.Because the pit is located in the business core area and the requirements of environment protection is strict,the reverse construction method of the second floor performed holes is used as the concrete support to increase the support stiffness and control the horizontal deformation.The design of the reverse construction floor and the effect of soil mould strengthening measure under the plate are analyzed.By a comparison of the calculation and the monitoring data,the construction cautions are discussed, the advantage and disadvantage of the method are also analyzed.

urban rail transit; open cut foundation; reverse construction method; deformation control

TU 753.1

10.16037/j.1007-869x.2016.08.015

2014-11-27)