浅谈盖挖法在上海软土基坑中的应用

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摘 要: 上海地区众多地铁车站修建于城市繁华地区和交通繁忙地段。该文研究了盖挖法在上海软土地区应用的关键技术, 并进行了综合效益分析。盖挖法具有对地面交通影响小、经济性适中、文明施工程度高等突出特点, 用于上海地区具有良好的经济效益和社会效益。

关键词: 盖挖法; 软土; 基坑; 临时路面

0 前言

盖挖法是首先修筑临时路面系统、然后在路面系统下修建地下结构的施工方法的通称。早在20 世纪 50 年代初, 盖挖法就被应用在加拿大多伦多地铁施工中。该施工方法成名于 20 世纪 60年代西班牙马德里城市隧道施工中, 又名“布鲁塞尔法”。随后在国外很多城市的隧道建设中都采用了这种方法。尤其在日本, 通过工程实践, 总结了一套较完整的设计施工经验。特别是路面系统、支撑系统已经标准化、产业化。国内的盖挖法是 20世纪 80 年代中期, 由哈尔滨人防系统创造性发展起来的。由于这种方法的诸多优点及工程上的成功应用, 在国内的工程应用中迅速推广。广州、深圳两地在国内率先采用盖挖法实施车站, 临时路面体系采用军梁上放置工字钢, 再铺设钢板,上铺设沥青混凝土。在路面盖板下用小型挖掘机进行施工, 由车站侧面的施工竖井处吊土出坑。

相对于其他施工方法, 盖挖法施工具有对交通管线影响小、经济性适中、文明施工程度高等众多突出优势, 在国外发达国家和地区被广泛采用。近年, 上海处于轨道交通建设的高峰期, 大量车站位于市区繁华地段。如采用常规的明挖顺作法施工地铁车站, 将面临越来越大的交通组织、管线搬迁难题, 对社会影响大。采用盖挖法施工, 既能减少对地面交通和周围环境的影响, 又保证施工进度和预期的技术经济效益, 可以满足工程实施的要求。

1 上海软土地区适用性

日本应用盖挖法比较成熟, 基坑开挖基层土质较好, 围护多采用 smw 工法, 围护插入比较小, 盖板体系与第一道支撑独立设置; 中间立柱及围护结构不均匀沉降较小, 路面体系比较稳定支撑上方专设横梁悬吊管线, 刚性管、柔性管均可以采用悬吊形式。管线穿越处, 围护结构缺损, 采用外侧地基加固、横挡板挡土结构。

国内广州、深圳地质条件较好, 盖挖法施工时可不考虑围护结构的沉隆。路面体系刚度较小, 不适用于跨度较大的车站, 且军用便梁间距小, 无法利用盖板作施工场地, 在盖板下方挖土, 需通过车站出入口侧向出土, 出土效率较低。

上海地铁工程具有其特殊性, 车站所处地层基本为饱和含水流塑或软塑粘土层, 抗剪强度低,含水量高达 40% 以上, 具有高灵敏度、高压缩性,流变性较大。开挖过程中, 土体变形较大, 中间立柱桩沉降较难控制。且车站所处市中心区交通繁忙, 街道下方管道密布, 基坑变形要求严格, 且车站施工周期短, 现有的盖挖法难以直接套用, 需结合上海软土地区的特点进行盖挖法应用研究。

2 盖挖法关键节点

上海软土特殊的地质条件和复杂的施工环境, 对传统盖挖法提出了更高的要求。为此, 方案实施中应关注以下关键节点, 以达到经济效益与社会效益的协调。

( 1) 可重复利用的路面板

盖挖法能够实现的关键之一, 是建造一个稳固、经济的临时路面系统。可重复利用的路面板应既能满足设计承载能力, 满足强度、刚度和稳定性要求, 又满足快速安装、拆卸的要求, 以减小对地面交通影响, 同时需要经济成本合理。

考虑支撑布置的模数及施工的便利性, 标准路面板采用 3 m 长、1 m 宽。可采用三种形式: 型钢路面板、混凝土路面板、钢路面板。

混凝土路面板采用外包角钢的单跨预制板,安全可靠, 但混凝土板自重太大, 施工不便, 且对纵横梁体系影响较大。钢路面板( 2 cm 钢板) 刚度较小, 需按 1 m 间隔设置纵向槽钢作横向次梁, 且车行噪音较大。

型钢路面板, 并排焊接 5 根 h 型钢, 并且两端用平钢进行加固。不仅可以作为社会交通的路面, 也可以使用于施工工地的栈桥, 具有用途广泛的优点。虽一次性投入较高, 但可重复利用, 综合效益较好。

路面盖板采用防滑树脂加工膜面技术, 能有效地达到减振降噪、防滑防水的效果。

组合型钢路面板见图 1。

( 2) 盖板梁和首道支撑关系

盖板梁与首道支撑可有分离设置、结合设置两种处理方法。在地质较好的地区进行盖挖法施工时, 往往将盖板梁和首道支撑分离设置。由于土体自立性好, 盖板梁不承受水平方向的荷载, 仅承受以路面的竖向荷载, 同时将该荷载传递给中间立柱。根据施工所需空间要求, 第一道支撑一般设置在地表以下 2 m 深处。在上海这种软弱地层中,如果不考虑盖板梁兼作支撑, 类似于悬臂 2.5 m开挖, 将会导致土体侧向变形超出范围, 同时由于土体具有明显的流变性能, 开挖时会导致盖板梁上作用有较大的轴力, 对盖板梁偏不安全, 对于控制基坑变形也非常不利。

盖板梁兼作首道支撑时, 必须使得该构件能同时承受上部传来的竖向荷载及基坑挡墙传来的水平荷载, 约束挡墙的水平变形, 也即该构件必须同时是抗弯构件, 又要是抗压构件。

盖板梁可选用钢支撑或钢筋混凝土支撑形式, 直接搁置于立柱桩顶部。由于盖板作为车行道路, 易受扰动, 如果采用钢支撑, 稳定性不好而且支撑轴力复以施加预应力, 因此采用钢筋混凝土支撑, 以增强盖板体系的稳定性和安全性, 采用钢筋混凝土形式对控制深基坑变形也是有利的。

( 3) 竖向支承体系设置

盖挖法施工要求先做围护结构与中间立柱,作为结构在施工期间的支撑构件。车站设置立柱桩, 与两侧围护结构共同构成路面系统的竖向支承体系。根据使用功能, 中间立柱可分为临时立柱与永久立柱两种类型, 临时立柱指的是只在施工期间作为临时的支撑构件, 施工完成后即拆除, 而永久立柱在竣工之后为结构柱。

立柱结构设计时, 必须注意根据施工过程中立柱的支承方式, 合理选择其结构类型及其基础类型。既保证立柱的强度、刚度、稳定性, 又保证荷载能有效地传递给柱下基础。立柱桩在上部荷载及基坑开挖土体应力释放的作用下, 发生沉降与抬升, 同时立柱桩承载的不均匀, 增加了立柱桩间及立柱桩与地下墙之间产生较大差异沉降的可能, 若差异沉降过大, 将会对路面体系产生较大的附加应力, 严重时会影响安全。立柱桩之间及立柱桩与围护结构之间的差异沉降不宜大于 20 mm,且不宜大于 1/400 桩距。因此, 如何减少中间立柱桩、围护结构的沉降以及差异沉降, 是盖挖法施工的要点之一。

随着基坑的开挖, 立柱自由长度增加, 会发生失稳, 因此, 为增加立柱的稳定性, 在每一道支撑标高处, 设置纵向连系梁与支撑、立柱形成稳定的空间约束, 减小开挖阶段立柱的长细比, 以保持立柱稳定。

3 车站应用实例

愚园路车站为地下三层岛式车站, 站前设单渡线。车站净长 275.5 m, 净宽 13.1～19.65 m, 标准段基坑开挖深度约为 23.5 m。

车站位于江苏路下方。江苏路为城市主干道, 是上海市“三纵三横”主干道中“西纵”的一部分。现状道路宽 24 m, 规划道路红线宽度为 42m。施工期间不允许封交, 交通组织严格按照占一还一的原则进行, 始终保证江苏路交通通行能力。

经过综合分析, 采用盖挖顺作法施工可以满通组织的要求, 同时保证 2 年内完成土建施工。将车站主体结构顶板上方一半基坑宽度设置临时路面系统, 保证路面交通可正常运行, 在临时路面下方, 明挖顺作施工车站内部结构。

愚园路站总平面示意见图 2。 愚园路站采用组合型钢盖板体系。虽一次性投入较高, 但可重复利用, 综合效益较好。盖板尺寸根据覆盖宽度进行计算, 主要有 2000×1000×200( mm) 和 3000×1000×200( mm) 两种。盖板铺设布置见图 3。

盖板主梁兼作基坑的首道支撑, 采用钢筋混凝土支撑, 以增强盖板体系的稳定性、安全性。

车站设置立柱桩, 与两侧围护结构共同构成路面系统的竖向支承体系。立柱桩采用临时立柱和永久立柱结合的方式, 这种方式保证了车站顶板和楼板施工状态与使用状态内力分布相近, 以减小车站后期沉降。

4 综合效益分析

江苏路规划宽 42 m, 由于部分建筑物侵入红线无法拆除, 道路最不利部分仅 39 m 宽。如果采用明挖顺筑法施工, 施工场地最小宽度需要 28 m,剩余道路宽度 14 m, 根本不能满通组织的要求。同样, 如若采用逆筑法施工, 不仅施工速度慢, 费用昂贵, 而且有 6～8 个月不能保证社会交通。采用盖挖法施工, 在保证江苏路需要的最小道路宽度约 22 m 的同时, 还能提供车站 7 m 的施工场地。车站施工可以在 2 年内完成, 与采用明挖法工期基本相同。

明挖顺作、传统逆作和盖挖法的工程投资来看, 经初步测算愚园路站基坑的总费 用 分 别 为3 500 万元、4 500 万元、4 200 万元。由于江苏路为上海南北向的交通要道, 若实行封道施工一年以上, 据不完全测算, 仅交通绕道和道路拥挤几项引起的社会经济效益损失将达数亿元之多。若采用传统逆作法施工, 其损失相对将减少。本文推荐采用的盖挖法不仅保障了道路的畅通, 同时还还可提供 7 m 的施工场地, 减少了施工期间的借地投入。按照国内学者对社会经济分析的研究, 按基础设施项目工程本身投入与可发挥的社会经济效益的扩大比例达 1∶3 的效应分析, 盖挖法施工虽然工程投入大, 但针对该车站的社会经济效应远超传统的施工方案。

采用盖挖法施工与常用施工方法比较详见表1, 可见, 盖挖法具有良好的经济效益和社会效益。

5 结论

在近来上海地铁大规模的建设中, 越来越多的地铁枢纽站出现于市区交通繁忙地段, 因此车站施工面临既要保证工期, 同时又能保证交通、环境的要求。盖挖法施工可以最大限度减少对社会交通的干扰, 又能在临时盖板下按明挖顺作法施工车站结构, 保证施工进度, 具有良好的经济效益和社会效益, 在上海软土地区具有良好的应用前景。