上海地铁深基坑盖挖-逆作一体化环境保护施工技术

1　引言
　　随着上海城市经济的进一步繁荣，上海地铁建设全面快速发展，但新形势下，地铁的建设遇到了许多困难和问题，有些也是一直以来所面临的，由于目前的形势要求使得这些问题更加突出。新形势下地铁车站建设遇到了许多困难和问题，主要凸显为：地铁车站建设与地面社会交通的矛盾；地铁车站处于繁华闹市区，施工场地狭小，施工难度大；基坑周边环境及建(构)筑物保护要求高；地下管线密布，管线搬迁及保护难度高等。
　　本文结合上海地区轨道交通车站的建设，研究既满足建筑密集区工程施工场地要求，又满足地面交通、周边环境和地下管线保护要求的盖挖-逆作一体化环境保护施工的关键技术问题，为上海地区轨道交通车站的设计和施工提供可操作性、有依据的实用方法，形成适应上海地区实际情况的盖挖-逆作一体化环境保护施工工艺流程，解决城市轨道交通在市中心地段社会交通繁忙路段不中断社会交通施工、施工场地狭小、周边环境变形影响和地下管线保护等间题，为今后类似工程的设计与施工提供借鉴与参考。
2　国内外盖挖法应用现状及技术特点
　　在地铁车站建设上，国内外一直不遗余力地考虑对原有施工工法进行改进或者创新，以求解决在工程中所遇到的各种问题。其中，国内外有关盖挖法或类似盖挖法的工艺亦主要是为了解决交通与地铁车站建设的矛盾以及解决基坑开挖变形控制问题。目前来说，国内外类似工法主要有日本为代表的日本盖挖法、国内的深圳军用梁盖挖法以及盖挖逆作法。以下介绍这几种工法的技术特点：
　　2.1　日本盖挖法现状
　　日本盖挖法(图1)是一种比较成熟的施工工法，其采用标准化的钢盖板、盖板梁、立柱及横向支撑体系，该方法在日本应用较为广泛。如日本大阪地铁8号线全长13km，建于2000—2006年，共11个车站，其中就有3个车站采用了盖挖法，这3个车站基坑底板埋深为20～25m，与上海地铁车站基坑比较类似，其围护结构主要采用SMW工法，部分采用地下连续墙。
　　2.2　军用盖挖法
　　军用梁原本是用于战时抢修、抢建铁(公)路桥梁的制式、拆装式梁。一般能适应不同跨度、不同梁式、不同载重、不同支点高度和不同轨距的要求，结构部件种类少、单件重量轻、连接简易，适合铁路、公路装运，能快速拼装和架设。目前，国内已成功应用的军用梁盖挖法实例主要有北京、深圳、广州、沈阳、南京和成都等地的地铁车站工程。





　　2.3　传统顶板逆作盖挖法
　　逆作法的工艺原理是：先施工地下连续墙或其他支护结构，同时施工中间立桩和立柱桩，作为施工期间承重竖向支撑；然后施工地下1层的梁板楼面结构，作为地下连续墙的水平支撑，随后逐层向下开挖土方并浇筑各层地下结构，直至底板封底，如图3所示。


　　2.4　半幅盖挖法
　　在上海盖挖法应用中，还存在一种半幅路面板盖挖法形式，即采用浇筑半幅混凝土路面整板作为临时路面。
　　2.5　既有盖挖法在上海地区的适应性比较
　　既有盖挖法在上海地区的适应性比较如表1所示。


3　深基坑盖挖一逆作一体化环境保护施工关键技术研究
　　上海城市地铁车站建设的特点，决定了在上海城区建筑物密集、道路交通压力巨大的城区内不允许也不可能采用常规顺作法施工地铁车站结构；而常规逆作法由于开挖深度大、施工周期长，对地面道路交通的影响大，在城区内也难以应用。盖挖一逆作一体化环境保护施工技术作为一种新的施工工法，其施工技术无疑是极具工程应用价值的。但软土基坑盖挖-逆作一体化环境保护施工技术中的临时路面体系、水平支撑系统和竖向支承系统的设计、竖向系统差异沉降等关键技术与控制要点没有成熟经验，这些都给地下工程相关研究提出了新的课题。本文重点对盖挖一逆作一体化路面体系进行研究。
　　3.1　主要研究内容
　　盖挖-逆作一体化环境保护施工技术研究的主要内容如图4所示。


　　3.2　盖挖-逆作一体化施工路面体系构成
　　盖挖-逆作一体化施工路面体系构成如图5所示。


　　1)钢路面盖板体系与设计围护体系结合和不结合对环境影响理论计算对比分析
　　如图6所示，日本盖挖法在上海中心城区施工不能满足环境保护要求，而本文所研究的盖挖-逆作一体化施工技术能满足环境保护要求。





　　2)钢盖板结构
　　临时路面体系的设计包括盖板以及盖板梁的设计，需遵循三个原则：标准化、模数化，低造价，可重复利用。标准、模数化的构件，可以起到快速装卸的作用，缩短路面构筑时间和完工时的拆除时间，且具有在各个工程中的通用性。
　　低造价是一个相对概念，与可重复利用有着一定的关联性，选用的材料为强度高、耐久性好的材料如钢材时，其可重复利用性高，使用次数越多，则造价相对就越低。
　　(1)盖板形式
　　盖板形式有钢盖板、钢混凝土混合盖板、钢筋混凝土盖板等。
　　钢盖板为纯钢结构板，可以为格栅板或者型钢拼接成的盖板；钢混凝土混合盖板则是在钢板槽里浇筑混凝土形成的盖板结构；钢筋混凝土盖板则按一般混凝土结构设计原理设计的盖板结构。
　　综合考虑到盖板的可重复利用性及承载能力，本项目研究推荐采用5根20工字钢拼装而成的钢盖板，无需特殊工艺加工，制作简单，承载力可靠，耐久性远比钢筋混凝土盖板要高，可重复利用多次，且在报废后亦能回收利用。该种盖板结构形式如图7所示。盖板模数分3000mm×1000mm和2000mm×1000mm两种。


　　(2)盖板面层
　　盖板作为直接承受车辆荷载的构件裸露在地表，与周围地面齐平。为了保证汽车在盖板上行驶的舒适度以及环境美观要求，需要考虑对盖板表面进行处理，从而保证整个盖板路面的美观、平整，以及汽车行驶的舒适性。
　　面层有多种形式，可根据情况选择。有预留面层槽时，可选择沥青、水泥混凝土面层；若采用刚面板直接作为路面，则可涂抹聚醋材料混合砂粒的面层如沥青混合砂粒面层，亦可将钢面板刻划防滑条纹作为面层防滑。
　　(3)盖板梁形式
　　盖板梁一般考虑采用型钢梁。型钢梁标准化程度高，承载能力能满足要求，平整度高，可保障路面的平整性。且型钢梁是钢构件，其耐久性、可重复利用性高。不会产生建筑垃圾，且在使用多次报废后亦能回收利用。相比于混凝土梁等其他形式有着明显的优势。
　　型钢盖板梁可考虑采用型号较小的双拼形式如500×300H型钢双拼，亦可考虑采用型号较大的单品型钢如700×300H型钢。采用双拼型钢形式有两个好处，一个是可以减少梁高，从而减少临时路面体系的架设高度，一个是在承受不对称荷载时受力条件要相对稳定。
　　(4)盖板连接系统
　　盖板之间连接采用连接夹具，如图8、图9所示。




　　3)水平支撑体系
　　(1)盖板次梁形式

　　为与钢路面板方便连接，盖板次梁采用H型钢纵梁；H型钢纵梁间距以盖板宽度为模数一般取2m和3m。
　　(2)盖板主梁形式
　　钢盖板主梁选用钢筋混凝土支撑和型钢支撑，直接搁置于立柱桩顶部。由于钢盖板作为社会交通道路，易受扰动，如果采用型钢支撑，稳定性不好而且支撑轴力难以施加预应力，因此拟采用钢筋混凝土支撑，以增强盖板体系的稳定性和安全性。同时盖板主梁也是基坑的第1道支撑，采用钢筋混凝土形式对控制深基坑变形也是有利的。
　　3)竖向支撑体系
　　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一对一结合的方式。这种方式保证了车站顶板和楼板的施工状态和使用状态内力分布相近，对减小车站后期沉降有很大帮助。立柱桩作为临时路面的竖向支承，承受荷载包括车辆竖向偏心动荷载、逆筑楼板结构自重和钢路面板自重。
　　3.3　钢路面板试验
　　1)室内试验
　　(1)3m钢路面板试验结果
　　试验采用两个宽16cm的支座(外边与试件平)，支座下填有少量粗砂；中心加载，加载时采用200×500压块。试验共布置了7个位移计，其中中间的7号位移计数据如表2所示。


　　试验卸载时的读数为底座变形，则试件在最大载荷55t下的变形为：(9.78-2.88)/(3000—320)=0.0026。
　　(2)2m路面板试验结果
　　①中心载荷。试验采用两个宽16cm的支座(外边与试件平)，支座下填有少量粗砂；中心加载，加载时采用200×500压块。试验共布置了7个位移计，其中中间的7号位移计数据如表3所示。试验卸载时的读数为底座变形，则试件在最大载荷60t下的变形为：(4.31-1.56)/(2000-320)=0.0016。


　　②中心偏载荷。加载方式同上，中心偏载(压块与试件同向放置，长度方向对中心，宽度方向与试件一侧平)。试验共布置了7个位移计，其中中间的7号位移计(位于压块正下方)数据如表4所示。


　　试验卸载时的读数为底座变形，则试件在最大载荷50t下的变形为：4.89-0.84)/(2000-320)=0.0024。
　　上述试验结果表明钢路面板能够满足施工要求。
　　3.4　施工工艺
　　流程钢盖板盖挖法的施工流程通常可以分为四个部分：首先，是竖向支撑体系中的围护结构(地下连续墙)施工；其次，可根据现场条件安排钻孔灌注桩、H型钢立柱桩施工或者进行坑内地基加固；然后，进行水平支撑体系的首道混凝土支撑和地下连续墙顶圈梁施工，具备条件后铺设临时路面体系(钢盖板体系)；最后，在已建成的临时路面体系下进行基坑开挖、水平钢支撑施工和车站结构的回筑。盖板铺设及完成后效果图如图10所示。


4　工程应用
　　上海轨道交通7号线常熟路车站主要位于常熟路及路西侧市卫生防疫站内，出入口位于延庆路、五原路及淮海路上，周围地下管线众多。周围多为商铺及多层住宅楼，其中局部距常熟路203号市级重点保护建筑物仅3m左右，南端头井与运营中的地铁1号线隧道仅13m左右；2号出人口和换乘通道相接，紧邻淮海大楼，而且与运营中的地铁1号线隧道上方并行。常熟路车站为地下8层岛式车站，车站主体为双柱三跨结构。车站结构长为157.2m，标准段宽为22.8m，站台宽度为12m。顶板搜土厚度约4.736m，标准段基坑开挖深度约24.3m，端头井基坑开挖深度约25.9m。
　　根据交通疏解要求，施工期间常熟路上的交通不能中断；而主体结构基坑东侧距赛华公寓的最近距离只有3.6m，西侧距最近的居民住宅3.3m，因此，基坑两侧均不能满足组织社会交通及施工便道的要求，只能在基坑上通行。针对存在的社会交通组织和施工便道存在的问题，常熟路站采用盖挖法施工。盖挖采用钢路面盖板，铺设范围：东西两侧跨以及中间跨每隔1根轴线铺设钢路面板，西侧用于社会交通，东侧用以基坑开挖和结构回筑施工便道及堆场。
　　常熟路站通过运用钢盖板盖挖逆筑施工工法，成功地解决了社会交通、管线保护、周边环境保护、施工场地狭小的问题。主体结构封顶后，施工监测数据显示周边建筑物最大沉降为-17.54mm、管线最大沉降为-8.08mm、地下墙最大变形为28.14mm。均在规范容许范围内。
　　另外，钢路面板盖挖法还在10号线上海图书馆站、7号线攀家洪路站、7号线昌平路站、7号线长寿路站、11号线曹扬路站进行了成功应用。
5　结语
　　(1)盖挖一逆作一体化施工新技术的首要特点是钢盖板的盖板梁与第1道混凝土支撑结合设置，该工法能够满足上海软土地区严格环境保护要求，同时能满足城市地面交通不中断的要求。
　　(2)盖挖一逆作一体化施工技术一方面克服了传统明挖法施工的大开挖、大面积长时间暴露的缺点；另一方面，将盖挖施工与逆作施工有机结合，使地下连续墙、中间支承柱、局部逆作楼板形成了刚度较大的空间结构，增加了整个支护结构的空间整体性，基坑围护结构的变形明显小于常规明挖法，而施工效率明显优于常规逆作法，对城市地面交通的影响也小于常规明挖法和逆作法。
　　(3)由于盖挖法逆作一体化施工在临时路面体系建设完成后转人地下，在盖板遮护下进行施工，一方面使得施工场地相比明挖法更加干净、整洁和美观，一方面能减少施工噪音对周围居民的影响。
　　(4)盖挖一逆作一体化施工方法改善了施工现场的场地限制。铺设好的盖板可为下一道工序施工提供良好的作业面，无豁架设地下工程作业用的混凝土栈桥，故可确保材料的堆置场地。
　　(5)钢盖板使用灵活，在开挖过程中，可及时拆卸，以满足土方和材料运输的要求。
　　(6)与现有混凝土栈桥相比，钢盖板的环保性和可重复利用性具有明显优势。
　　(7)盖挖一逆作一体化施工方法具有明显的社会效益和经济效益.地铁车站工程采用盖挖一逆作法，不仅可保护车站周围环境，而且可缩短因基坑开挖封闭交通而占用的时间或几乎不影响原有社会交通运行，对该地区的经济发展有积极的社会效益。