地下空間蓋挖逆作法施工技術及變形分析*

朱雨軒,魏德勝,翟 雷,秦會來,胡立新,徐 榮,劉書蔚

(中國建筑第二工程局有限公司,北京 100160)

0 引言

蓋挖逆作法作為在鬧市區地下工程施工最常用的工法之一[1-4],可以將施工對周邊環境所造成的影響降到最低。此外,逆作樓板結構可以替代橫向支撐,既增加了支護結構的整體剛度,降低了地表沉降、管線變形及建筑物沉降,又減少了材料用量,縮短了工期,大大降低了施工成本[5]。但蓋挖逆作施工過程中,上覆荷載由周圍土方及臨時鋼管支撐共同承擔。因土體與臨時鋼管支撐之間具有不同的剛度,開挖過程中勢必會造成鋼管支撐與土體產生不均勻沉降。另外,基坑開挖會引起土體應力釋放,導致基坑內土體回彈,帶動立柱樁上移;而主體結構施工后,樁身承受的向下荷載增加,又會導致立柱樁下沉。只要這些作用有差異,反映到立柱樁上就會產生差異沉降[6]。這些差異沉降會在地下結構構件中產生較大的次生內力,甚至導致樓板結構開裂,其危害不容忽視。因此,對蓋挖逆作施工過程中豎向結構柱的差異沉降進行分析具有非常重要的工程意義。目前,盡管已有一些學者對蓋挖逆作豎向結構的差異沉降進行了研究[7-9],但對于不同開挖方式對差異沉降的影響及施工中應優先選擇何種開挖方式卻鮮有研究。

鑒于此,本文依托青島地鐵井岡山路站地下空間開發項目,對地下空間蓋挖逆作施工技術進行詳細介紹,并采用有限元軟件Midas GTS NX對逆作施工全過程進行精細化模擬,系統研究了施工過程中周邊地層和豎向結構的變形規律,探討了不同開挖方式對變形的影響,為防止地下結構有害裂縫產生給出合理化建議。

1 工程概況

青島地鐵井岡山路站地下空間開發項目位于長江中路(太行山路—武夷山路段)正下方,分為南北兩個半幅施工,其中南半幅已完工2年,北半幅為本次施工區域。項目位于青島市黃島區商業中心,以地鐵井岡山路站為中心分為東段和西段兩個施工區域,總建筑面積57 797m2,采用明挖法加部分區域蓋挖逆作法施工(見圖1)。西段蓋挖區域長257m,寬22m,為地下1層結構;東段蓋挖區域長113m,寬度24m。

圖1 地下空間項目平面

蓋挖區共設計有13個樓梯口部,地下室結構頂板標高設計為2.000～0.920m,底板面設計標高為-2.500～-5.540m,其中主體結構頂板、層間樓板采用現澆整體式鋼筋混凝土無梁樓蓋加柱帽的結構形式,底板及基礎采用獨立基礎+防水板,圍護結構采用混凝土灌注樁支護,頂板厚600mm,中板厚300mm,防水板厚600mm,側墻最小厚度400mm,頂板、底板及外墻采用防水混凝土,其抗滲等級為P8。

2 蓋挖逆作法施工技術

2.1 圍護結構施工

首先進行基坑周邊圍護結構施工,圍護結構采用“φ800@800旋噴樁+φ800@1 200鉆孔灌注樁”,既能起到支護作用又可以形成止水帷幕阻止地下水向基坑內入滲。待圍護樁及高壓旋噴樁施工完成后,為保證基坑開挖安全,跨中采用外徑219mm、厚10mm的無縫鋼管樁作臨時支撐,樁底端嵌入基底下1m。蓋挖區頂板位于淤泥層中,為提高淤泥層承載力,采用樁徑800mm高壓旋噴樁進行土體加固,橫向高壓旋噴樁及縱向高壓旋噴樁中心距為4 000mm。

2.2 頂板上土方開挖及柱帽施工

頂板上的土方采用分段開挖,待土方開挖至頂板墊層底標高處,采用人工開挖方式將柱帽及下接墻位置沿柱帽底向下開挖400mm,并提前預留側墻頂茬及下接柱茬,側墻位置的土模應設置一傾斜角度,使墻體接縫處形成剎肩(見圖2)。然后澆筑100mm厚 C15混凝土墊層,修正柱帽及下接墻造型,鋪設底部模板。

圖2 蓋挖頂板施工

2.3 頂板施工及道路恢復

頂板墊層澆筑完之后便開始進行頂板鋼筋綁扎,考慮頂板以下結構的混凝土澆筑,在頂板跨中提前留置混凝土傳料口。接下來進行頂板混凝土澆筑,由遠及近,沿長度方向由兩邊向中間澆筑。為保證地下結構的防水質量,與土體接觸的混凝土結構采用抗滲等級P8的混凝土,所有施工縫均留置止水鋼板。

待頂板混凝土養護完畢,進行頂板覆土回填,回填土作為路基層采用風化砂并分段分層夯實,土方回填期間穿插大市政管線施工?；鶎硬捎?層水泥穩定材料分層鋪設,待上基層養護完畢后鋪設瀝青面層。

2.4 出土口開挖及結構施工

頂板之上道路恢復后,利用結構樓梯通道口作為頂板以下土方開挖及材料運輸的出入口。土方開挖放坡坡度控制在1∶0.5,出入口采用長臂挖機配合人工清底向下開挖至底板墊層底標高處,并澆筑出土口區域墊層。待混凝土強度達到上人條件后進行側墻施工,側墻采用單側支模,并在模板頂部預留喇叭口,喇叭口需比下返墻接口高200mm,防止接口處混凝土填充不滿,方便混凝土澆筑及振搗器操作(見圖3);如果一次澆筑的高度超過3m,則還需在1.5m的位置設置1個檢查口,檢查混凝土澆筑情況,檢查口尺寸一般設置為200mm×200mm。當混凝土澆筑到檢查口高度時,即可將檢查口封閉。待后澆筑的混凝土達到強度后,對剎肩部位剔鑿并進行修補及防水處理。

圖3 側墻澆筑

2.5 地下土方開挖及主體結構施工

地下土方開挖按照分層、分步、對稱、平衡的原則施工,以防止混凝土有害裂縫產生。待側墻完成后進行側模拆除,按蓋挖分區布置圖的開挖順序,首先開挖出土口附近的土方。使用破碎錘、挖掘機進行土方破挖工作,隨后使用裝載機將碎土歸攏于預留出土口處,在出土口周邊布置長臂挖機對土方進行垂直運輸,待開挖至底板墊層底標高,澆筑墊層進行底板鋼筋綁扎,澆筑底板。

對柱帽施工縫處的混凝土進行鑿毛及鋼筋清理,鋼筋連接處的鋼筋進行焊接連接,鋼筋綁扎完畢后進行柱模板加固并在柱的對側留設兩個喇叭口用于混凝土澆筑。在柱帽四角架設4根直徑219mm的臨時鋼管支撐,采用數字千斤頂調節支撐壓力,確保4根鋼管支撐受力均勻后,采用鋼楔打入鋼管支撐底部,澆筑混凝土,喇叭口處理工藝同側墻施工。

每個柱上方和每個板的跨中均設置監測點,對結構不均勻沉降進行監測、提前預控,避免結構頂板出現有害裂縫。出土口附近的土方施工完成后依次進行后續區域開挖及主體結構施工。待混凝土強度達到設計強度后將柱周邊的臨時支撐拆除。每個出土口部位布置1臺軸流風機,通過風管將新風輸送至作業面,保證作業環境內的空氣流通。

3 有限元模擬

3.1 模型建立

為了研究蓋挖逆作施工過程中地下結構受力和變形機理,使用Midas GTS NX有限元軟件對地下空間蓋挖逆作施工建造全過程進行模擬。由于整個項目為線性工程,施工區域跨度較長,考慮到計算效率問題,橫向模擬區域只取部分軸線范圍(x向),該范圍內地下結構高度(頂、底板距離)取4.5m?？v向模擬區域分為周邊地層、蓋挖區和明挖區3個區域(y向),深度方向取結構底板之下14.5m(>3倍結構高度),最終得到的模型尺寸為長45m(x向),寬68m(y向),深22m(z向)。根據蓋挖區平面布置圖,將整個蓋挖區共劃分為15個開挖區域,包含8根臨時鋼管支撐(黑色圓圈)和10根鋼筋混凝土結構柱(紅色方框),其中1區為出土口(見圖4a)。根據地層剖面圖將整個模擬區地層概化為素填土(3m)、淤泥質土(2m)、強風化凝灰巖(1m)和中風化凝灰巖(16m)4層,土體單元類型為實體單元(見圖4b)。因為蓋挖區是重點研究區域,所以網格劃分時將整個蓋挖區的單元尺寸設定為1m,其余區域單元尺寸設定為2m,并采用混合網格生成器共生成計算單元37 311個。

圖4 數值模型

3.2 材料參數

鑒于修正莫爾-庫倫模型能夠較好地考慮巖土體的硬化特性和開挖卸荷回彈問題[10],因此,本文巖土體的本構模型選擇修正莫爾-庫倫模型。結合勘察報告及現場監測數據,將整個地層的物理力學參數概化如表1所示。因淤泥層的力學特性較差,施工時采用格柵狀的高壓旋噴樁進行土層加固,考慮到高壓旋噴樁的物理力學特點,加固后的淤泥層采用以莫爾-庫倫為屈服準則的理想彈塑性模型進行模擬,其黏聚力取100kPa,內摩擦角取20°,彈性模量取90MPa。蓋挖結構柱、臨時鋼管樁的單元類型設定為梁單元,頂板、中板、底板、側墻的單元類型設定為板單元,所有結構材料均假定為彈性材料。

表1 土體物理力學參數

本項目主體圍護結構采用φ800@800旋噴樁+φ800@1 200鉆孔灌注樁,因圍護樁分布較密集,為簡化模型將圍護樁按照剛度等效的原則轉化成一定厚度的地下連續墻,具體轉化公式如下[11]:

(1)

式中:D和t分別為鉆孔灌注樁直徑和間距;h為等效地下連續墻厚度;d為高壓旋噴樁的直徑;Ec為混凝土彈性模量,取3.25×107kPa;E0為灌漿前土體彈性模量,取2×104kPa。由上述公式計算出等效連續墻的厚度為0.50m。地下結構的幾何尺寸和材料參數如表2所示。

表2 結構的幾何尺寸和材料參數

3.3 計算工序

模型首先在自重作用下進行初始應力平衡(包括此前南半幅明挖區施工),然后依次進行蓋挖區等效地下連續墻和臨時鋼管支撐施工、蓋挖頂板土方開挖、蓋挖頂板施作及頂板土方回填。之后進行蓋挖區地下土方開挖,土方開挖按照蓋挖分區布置圖由1～15區依次開挖,每塊區域開挖完后立即施作側墻、底板和結構柱等地下結構。

3.4 計算結果

3.4.1蓋挖區頂板沉降變形分析

地下土方開挖勢必引起蓋挖頂板出現沉降變形,當變形量過大時頂板將出現裂縫甚至發生破壞,因此對頂板的沉降變形規律進行研究具有重要意義(見圖5)。由圖5可以看出,3個典型剖面的地表沉降模擬結果與監測值吻合度較高,表明數值模型的合理性和模擬結果的可靠性,剖面位置如圖4b所示。

圖5 地表沉降監測值與模擬值對比

不同施工階段z向位移云圖如圖6所示,蓋挖頂板最大沉降量為14.2mm,且最大沉降值出現在2號和14號結構柱跨中位置。整體上頂板的沉降值隨著開挖的進行不斷增大,在14區開挖時沉降值出現了突變,由9.00mm驟增到14.2mm。前8個區域開挖時,頂板最大變形值均出現在相應結構柱的正上方,自第9個區域開始頂板沉降最大值出現在兩個相鄰結構柱中間位置。由于采用對稱式開挖,蓋挖區地下土層全部開挖完之后的頂板沉降云圖沿y軸呈現對稱式分布。

圖6 蓋挖施工過程中豎向沉降變形

3.4.2周圍地層變形分析

蓋挖區地下土方開挖必然引起周邊地層變形,為研究蓋挖施工對周邊地層的影響,現將周邊地層單元組單獨取出進行分析(見圖7)。由圖7地層變形云圖可知,受蓋挖施工影響,周邊地層最大沉降變形(z向)為0.89mm,向坑內最大水平變形(y向)為2.41mm,變形值較小,模擬結果也與監測值相吻合,這充分反映出蓋挖逆作施工可以大大增強支護結構的剛度,減小施工對周邊地層的影響。

圖7 蓋挖區施工對周邊地層變形的影響(單位:m)

3.4.3不同開挖順序下蓋挖結構沉降變形分析

為了研究開挖順序對蓋挖結構變形的影響,蓋挖區分別采用對稱開挖法、順序開挖法和間隔開挖法3種開挖方式進行模擬,如圖8所示。由圖8可以看出,采用對稱開挖法時頂板產生的沉降最小,為14.2mm;采用順序開挖法時次之,沉降值為15.2mm;而采用間隔開挖法時產生的沉降最大,為17.2mm。

圖8 不同開挖順序對蓋挖頂板沉降的影響

因地下土方開挖會引起不同位置處的臨時鋼管支撐和蓋挖結構柱出現差異沉降,這些差異沉降會在頂板中產生較大的次生內力,其危害不容忽視。因此對不同施工階段,相鄰鋼管支撐和結構柱之間的差異沉降進行分析,對于保護頂板和地下空間施工安全具有非常重要的意義。根據前人研究經驗,相鄰結構柱和臨時支撐之間的沉降差需要≤20mm,或不大于柱間距的1/400,否則就會對頂板產生損傷[12]。本工程柱間距均為9 000mm,柱間距的1/400為22.5mm,故本工程差異沉降只需滿足≤20mm即可。通過對豎向結構的模擬結果進行統計分析發現,采用對稱開挖法時臨時鋼管支撐的最大沉降為10.5mm,最大差異沉降為7.28mm;蓋挖結構柱的最大沉降為9.4mm,最大差異沉降為5.69mm(見圖9)?？梢?無論是臨時鋼管支撐還是蓋挖結構柱的最大差異沉降均滿足≤20mm的要求,即采用對稱開挖法施工不會對結構頂板產生損傷。此外,由圖9可以看出,采用對稱開挖法時豎向結構無論是最大沉降還是最大差異沉降均為最小,相反采用間隔開挖法則為最不利的開挖方式,其產生的最大沉降和差異沉降值均為3種開挖方式中最大,故施工過程中應優先選擇對稱開挖法,避免選用間隔開挖方式。

圖9 不同開挖順序對豎向結構沉降的影響

4 結語

本文以青島地鐵井岡山路站地下空間開發項目為工程背景,詳細介紹了蓋挖逆作法施工建造過程,并通過Midas GTS NX軟件對施工全過程進行精細化模擬,得出如下主要結論。

1)蓋挖逆作施工方法可以解決傳統明挖法施工長期占地、影響交通、破壞市容的問題,有效控制了周圍地層變形,保護了相鄰建筑物的安全。

2)數值模擬值與監測值吻合度較好,表明數值模型的合理性和模擬結果的可靠性。由模擬結果可知蓋挖頂板最大沉降量為14.2mm,且最大沉降值出現在2號和14號結構柱跨中位置。蓋挖區地下土層全部開挖完之后頂板沉降云圖沿y軸呈對稱式分布。

3)受蓋挖施工影響,周邊地層最大沉降變形(z向)為0.89mm,向坑內最大水平變形(y向)為2.41mm,這充分反映出蓋挖逆作施工可以大大增強支護結構的剛度,減小施工對周邊地層的影響。

4)通過數值模擬結果對比分析發現,采用對稱開挖法時頂板產生的沉降最小,為14.2mm;采用順序開挖法次之,沉降值為15.2mm;而采用間隔開挖法產生的沉降最大,為17.2mm。采用對稱開挖法時豎向結構柱無論是最大沉降還是最大差異沉降均為3種開挖方式中最小,相反采用間隔開挖法則為最不利的開挖方式,其產生的最大沉降和差異沉降值均為3種開挖方式中最大,故施工過程中應優先選擇對稱開挖法,而應謹慎使用間隔開挖法。