盖挖法灵活铺盖技术研究与应用
0 引言
基坑明挖法出土简单、施工方便、经济,但开放式施工将长时间阻碍中心城区的交通,影响周边商业环境及人们的正常生活。苏州等地的软土、富水地层中如采用暗挖法施工技术难度较大,需采取足够的地基加固措施。盖挖法以其安全、利于交通和适中的施工成本,成为适用于中心城区地下工程的施工方法。但全盖挖法在施工进度、出土效率、交通疏导等方面仍有缺陷,因此采用明盖挖结合法施工,可综合利用盖挖与明挖施工的优势,是解决繁忙十字交叉路口基坑施工问题的有效方案。
本文以苏州滨河路路口下穿隧道的明盖挖结合法基坑为例,探讨了明盖挖结合法施工的优势,研究铺盖形式的选择和合理调整、支撑布置与安装、盖板下出土方式等施工关键技术。
1 明盖挖结合基坑施工方案
1.1 基坑平面布置
狮山路综合改造工程———滨河路下穿通道,位于苏州狮山路与滨河路交叉路口,是1条地下人行通道,东、西、南、北有分别设1个出入口。基坑形状呈π字形,共分6个区域:A,B,C,D,E和F。为保证施工期间路口的车辆正常通行,A,B,C 3个区域为盖挖施工,D,E,F区域为明挖施工,基坑布置如图1所示。
施工首先在半幅路面上施作盖板,另外半幅路面正常通车。盖板完成后可正常通车,盖板下同时进行基坑开挖和结构施作,另外半幅路面围挡起来进行明挖施工。经过经济技术比较,该方案与全盖挖法相比有以下优势:(1)全程不会中断交通;(2)施工机具可从明挖区进入盖挖区,盖板下的开挖、出土、材料吊运都相对便捷,施工难度低;(3)整体工期缩短;(4)工程造价较低。
1.2 盖挖区基坑断面布置
A,B,C区盖挖法基坑的开挖深度为10.7m,采用600mm厚钢筋混凝土现浇盖板,在盖板完成后,车辆在盖板上行驶,盖板下进行开挖及主体结构的施作,基坑断面布置如图2所示。
基坑围护结构采用钻孔灌注桩,并支承盖板。在钻孔桩的外侧设三轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕。盖板作为第1道支撑,基坑内第2道支撑为钢支撑,支护体系如表1所示。钻孔灌注桩技术成熟,施工工艺简单,具有安全可靠、刚度较大和适应性很强等优点,能适应苏州较为软弱的地层条件。与此同时,钻孔灌注桩与水平钢支撑结合的围护结构具有施工进度快、造价低等优点。
1.3 铺盖体系选择
铺盖形式的选取应当针对建设条件,因地制宜。综合考虑技术难度、施工成本、材料来源、建设工期等因素,选择尽可能节约投资、缩短工期、施工便捷的方式。
一般盖挖法中盖板用作临时路面,地下结构建好后破除(或移除)。而本工程作为下穿隧道工程,结合地面道路的改造,选取现浇钢筋混凝土盖板。基坑回填后不破除,而是将盖板用作改造后道路的基层。盖板既充当了临时通行路面,又充当了新建永久道路,同时还承担了基坑第1道支撑的功能。并且钢筋混凝土盖板刚度大,变形小,经计算后基坑内不需要设中间桩柱支撑。这一方案既降低了施工成本,又缩短路面改造工期,经济高效。
在盖板不拆除的情况下,基坑回填密实成为急需解决的问题。工程采用先填部分素混凝土,后用地泵泵入泡沫混凝土至盖板下的回填方法,分仓回填密实。经计算,这种回填方法既可以满足地下结构顶板的承载力和抗浮稳定要求,也避免了地基压实不到位使得上部道路沉降不均开裂的问题。
2 铺盖形式调整
2.1 施工实际问题
调整铺盖方案后基坑如图3所示,在A,B区域的基坑南端,除已迁改的管线外,还存在给水管、污水管从盖板下穿越,把盖板下3m的净空隔断,小挖机无法进到管线南侧进行开挖作业。且由于这一端远离明挖区,使得从明挖区出土和吊运材料都费时费力,严重影响施工效率。
因此,为使开挖、出土作业顺利进行,便于材料吊装与运输,同时也考虑到保证给排水管线的安全,对铺盖系统进行了调整:在A,B区域的南侧端部使用可移动的6m×10m的钢盖板替代现浇钢筋混凝土盖板。钢盖板采用制式贝雷梁和桥面板拼接而成,以满足重型交通通行要求,钢盖板架设在灌注桩围护结构上。即浇筑A,B区域盖板混凝土时南端预留6m宽洞口,用作局部出土。冠梁和周围盖板预留连接筋,基坑回填完成后补浇;夜间打开盖板,明挖施工,解决出土和吊运材料问题,白天盖上盖板供车辆通行,解决交通问题。经过工效计算,该方案能保证对总工期不产生影响。
但由于原钢筋混凝土盖板还兼具了基坑第1道支撑的功能,改为钢盖板后,盖板与围护结构分离,不再具有整体性,为保证基坑的稳定,需考虑是否要在钢盖板下增加第1道支撑。以下对第1道支撑的布置方案进行分析。
2.2 第1道支撑布置方案
本工程位于主要交通路口,采用内支撑体系。内支撑体系中常用的是钢筋混凝土支撑与钢支撑。综合考虑受力及变形特征、施工和拆除难易程度、施工现场条件、进度要求等,对钢盖板下的第1道支撑由600mm厚钢筋混凝土盖板兼具第1道支撑改为3种布置方案。
1)方案1不设第1道支撑。
2)方案2609mm×16mm双拼钢管支撑,与原有钢筋混凝土冠梁连接。
3)方案3 800mm×800mm钢筋混凝土支撑,钢筋与原有钢筋混凝土冠梁的钢筋焊接。
由灌注桩形成的刚性挡土墙在保证基坑稳定中起了主要作用。在围护结构嵌入深度足够且共设2道支撑的前提下,仅第1道支撑布置形式的改变对基坑整体的稳定影响不大。数值模拟验算结果也显示,3种方案均可满足施工期间围护结构位移和地表沉降控制的要求。但方案1变形略大于方案2,3,说明第1道支撑的设置起到了减小基坑变形和地表沉降的效果。
在3种方案都能满足基坑变形控制要求的前提下,主要从施工角度选择。考虑到下设支撑可支承上部钢盖板,使得在相同交通荷载下,盖板最大弯矩减小,盖板向下传力更均匀,减轻盖板形变,故不采用方案1。由于钢支撑装、拆方便,施工速度快,可周转使用,避免单独设置钢筋混凝土支撑还需单独支模的麻烦。如对基坑变形控制要求高,还可施加预应力来减小变形。
因此,综合安全、经济性和施工便利性考虑,选择方案2作为钢盖板下支撑布置方案。
2.3 钢支撑安装
本工程支护结构中主要使用钢管支撑。明挖区与A,B钢盖板区的钢支撑安装可采用汽车起重机在基坑上部进行下料安装,而在钢筋混凝土盖板区的钢支撑无法在基坑上部直接下料安装。需在明挖部位下料后,在基坑内进行水平运输就位后安装。基坑内大型机械设备无法进入,钢支撑等材料通常采用小型机械。
1)采用小挖机进行吊运钢支撑单根长约10m,需采用2台小挖机进行抬吊,整个安装过程中,单根钢支撑安装需花费40~50min,需2台小挖机及2~3名工人配合,施工效率低。
2)采用叉车运输安装无需额外人工配合捆绑钢丝绳进行起吊,只需1台叉车在钢支撑中心位置,将叉车臂深入钢支撑下,直接抬起进行运输即可。且叉车运行速度约15m/min,相比小挖机双台抬吊5m/min的运输速度大幅提升。采用叉车运输后,钢支撑每根的安装耗时约20min,施工效率相对较高。
通过工程实践对比,原采用小挖机安装B区钢支撑,共投入挖机2台、人工3人(不计钢结构专业安装人员),耗时约6h。采用叉车进行A区钢支撑安装,投入叉车1台,辅助人工1人,耗时约3h,提高了施工效率。
3 盖板下出土方案研究
3.1 土方开挖方案
明挖区第1层土方采用大挖机直接开挖,2,3层土方采用小挖机在坑底打堆后,在基坑顶用长臂挖机掏出基坑外。但在盖挖区土方因盖板的存在,无法采用和明挖法一致的方式,尤其第1层土方开挖困难。针对盖板下第1层土的出土可采取的措施如下。
1)在钢筋混凝土盖板施工前,采用大挖机将第1层土方预先挖走,挖至顶板标高。之后搭设支架模板到盖板设计高度来浇筑盖板。
2)先挖除少量土方,以原土面充当模板施作盖板。在盖板施工完成后,先对相邻明挖区域进行开挖,明挖区首层土方挖完成后,从明挖区进入盖板下进行掏挖。
经计算分析,采用预先开挖并搭设支架浇筑盖板时,因盖板下存在多种市政管线,避让管线搭设支架难度高,进度慢。单个区域模板支架搭设耗费约10d工期,为避让市政管线,支架主梁需额外增加5t[10,增加了施工成本。而先施作盖板后开挖第1层土方,节省了支架搭设的工序,施工进度可节约6d,且没有增加投入。这种出土方式充分反映了半盖挖法施工的优越性。
3.2 盖板下土方运输
针对盖板下土方无法垂直运输的问题,一般采用小挖机将土方向盖板外运出。但采用单台小挖机在盖板下掏挖并外运,工作效率低,仅为150~200m3/d。工程采取3台小挖机配合工作,将土方接力翻运出盖板区域,提高了出土效率。采用3台挖机联合挖运后,出土效率提高为700~800m3/d,平均每台挖机出土230~260m3/d,配合熟练后,平均每台挖机出土效率可达300m3/d,大大提高了出土效率。
4 结语
1)苏州滨河路下穿隧道工程采用明盖挖结合法施工,全程不会中断交通;盖板下的开挖、出土、材料吊运都相对便捷,施工效率高,经济适用。
2)采用现浇钢筋混凝土盖板既作为临时通行路面,又作为新建永久道路,还承担了基坑第1道支撑的功能,降低了施工成本,又缩短路面改造工期。
3)在盖板下吊装钢支撑,采用叉车施工经济高效;盖板下的挖土采用先原土面浇筑盖板,后开挖第1层土方的方式,节省了先开挖法支架搭设的工序。盖板下运土采用多台小挖机联合翻运至明挖区,发挥了明盖挖结合法的优势。
[2]李化.地铁车站明盖挖结合施工基坑稳定性研究[D].北京:北京交通大学,2010.
[3]李爽.市政隧道半明挖半盖挖支护体系设计研究[J].内蒙古公路与运输,2018(2):54-55,58.
[4]闫顺.软土地区地铁车站半盖挖深基坑施工[J].铁道建筑,2011(8):76-77.
[5]郭洋洋,有智慧,王正振,等.明挖与盖挖结合法对地铁车站基坑支护结构变形影响研究[J].施工技术,2019,48(13):94-99.
[6]徐曼,陈玮,李金强,等.地铁车站盖挖顺作法路面体系荷载分析及方案设计[J].施工技术,2017,46(13):128-131.