新建結構與運營地鐵車站接駁關鍵技術

陳進山，李海龍

(中鐵隧道集團三處有限公司，廣東深圳 518052)

0 引言

隨著國內外城市軌道交通的發展和地下空間的應用，線路間將會形成越來越多的換乘節點。在地鐵建設過程中，由于2條線路經常不是同期建設，將形成新建地下結構與運營中的地鐵車站接駁問題。目前國內關于臨近或緊貼運營地鐵車站施作新建結構及施工對周邊環境影響的相關報道很多:文獻［1］研究了設計預留接口條件與設計未預留接口條件2種典型情況的工程處理原則和措施;文獻［2－5］以工程實例為背景，運用FLAC3D軟件建立三維數值分析模型模擬臨近或緊貼既有運營車站開挖并施作新建結構，對既有車站的受力變形情況進行了計算，并提出了不同的防護措施;文獻［6］介紹了緊貼地鐵和淺基礎老建筑群旁的深基坑施工中采用的確保周邊建筑群正常使用的技術措施;文獻［7］采用FLAC3D和SAP2000模擬，分析既有地鐵區間變形和內力發展規律;文獻［8］結合上海某鄰近基坑開挖的運營地鐵車站，運用疊加原理，采用有限元荷載結構法和強制位移法，分別按照裂縫控制和強度控制來對車站標準段結構的穩定性及其允許變形進行分析和反算;文獻［9］對基坑開挖產生的鄰近建筑物的附加變形進行計算分析，并與實際工程實施的監測結果相比較，驗證了計算分析的必要性和可靠性;文獻［10］通過有限差分法數值模擬，得到了鄰近大剛度地鐵車站的基坑開挖位移場的位移傳遞規律。文獻［1－10］主要借鑒了對運營車站的防護及周邊環境影響控制措施，本文著重剖析介紹新建結構與既有運營車站結構接駁過程中對運營車站臨時加固防護、分部切割既有結構、新舊結構接駁等關鍵技術。

1 工程概況

深圳地鐵1號線老街站于2005年建成并通車運營。為實現與新建地鐵3號線老街站同站臺平面換乘，在兩車站之間修建了換乘綜合體。該換乘綜合體與新建地鐵3號線老街車站于2007年開始修建，修建完成后需對運營車站進行改造，以實現與新建結構接駁。新舊結構平面位置關系如圖1所示，接駁前后示意圖如圖2所示。

圖1 新舊結構平面位置關系示意圖Fig.1 Plan layout showing relationship between new structure and existing structure

1號線老街車站側墻為“地下連續墻+內襯墻”的疊合式結構，考慮到其將來與地鐵3號線老街站平行換乘的問題，在車站的北側與換乘綜合體接駁范圍的內襯墻結構設計中均鏤空地預留了實現兩結構體剛性疊合接駁的框梁框柱(見圖3)。換乘綜合體修建之前，該部位抵抗地層水土壓力及起防水功能的結構主要為車站主體結構外側的地下連續墻。在換乘綜合體修建基本完成后，與1號線老街車站接駁時，需分部破除老街車站部分地下連續墻，并對應地施作框梁框柱與車站預留的框梁框柱剛性疊合，從而逐步完成兩結構體的接駁。

1.1 工程特點

與運營車站的接駁工程一般具有施工組織復雜、技術要求高、風險大等特點。深圳地鐵3號線老街站換乘綜合體新建結構既運營地鐵車站接駁工程具有改造工程量大(上下重疊站臺層長294.722 m，站廳層長74.477m，破除高度最高達22m，總方量2 400m3)、與列車行駛界限距離近(0.75m)等特點(見圖4和圖5)。

1.2 關鍵技術

接駁過程中一方面需保證地鐵正常運營，另一方面，整個結構改造過程需控制既有運營地鐵車站的沉降變形。本文論述的與既有運營地鐵車站接駁關鍵技術主要有3點:1)運用被動托換機制分部切割既有結構，對受力薄弱部位利用型鋼進行前期加固;2)運用金剛石繩鋸與金剛石水鉆相結合的靜力切割工藝將既有結構切割為規則成型，提高了破除、轉運的績效，降低了噪音，減少了粉塵;3)控制新舊結構鋼筋的有效連接，調整后期施作混凝土性能指標，降低因新舊混凝土彈性模量不一、新混凝土收縮及徐變等對既有結構產生的影響，保證了與既有結構的良好接駁。

2 施工工藝流程及操作要點

2.1 施工工藝流程

見圖6。

2.2 運營車站臨時加固防護

在新建車站與既有車站接駁工程施工中，首先需對既有車站進行改造，主要包括車站圍護結構、內襯墻及結構樓板，對其主要受力薄弱部位進行加固。

圍護結構、內襯墻主要承受豎向荷載，在對該部分切割之前可在相應部位施作型鋼豎向支撐。對深圳地鐵新建3號線老街站換乘綜合體與1號線運營老街車站接駁實施前，首先對運營車站采用臨時型鋼及鋼圍蔽進行加固(見圖7)。

臨時支撐主要由截面為300 mm×300 mm的H型鋼為主龍骨，M14化學錨栓固定在既有結構上，龍骨外用10 mm厚鋼板封閉。鋼圍蔽在圍護結構切割后，可以分擔該節點豎向荷載，避免既有結構變形;防止在切割改造施工及新舊結構接駁施工過程中，有施工污水、混凝土渣塊、粉塵、噪音等對運營車站造成環境污染;能抵抗運營列車運行時產生的活塞風影響。

圖7 臨時支撐及鋼圍蔽安裝圖Fig.7 Temporary support and steel enclosing

2.3 分部切割既有結構

2.3.1 既有墻體結構切割

既有墻體結構的切割主要運用金剛石繩鋸與金剛石水鉆相結合的方式，整體步序運用被動托換機制，分部分塊切割完成新舊結構體接駁。

以表1所示墻體為例，墻體為一運營車站圍護結構地下連續墻，在運營車站側防護到位后，車站3層連續墻結構的破除需分部進行，先自下而上抽條破除車站疊合柱范圍連續墻，并原位相應構筑新建結構側框柱框梁與之剛性連接;再自上而下破除疊合柱間的連續墻，同步構筑新建結構側剩余部分疊合框梁將框柱連接成整體，逐步完成兩結構體的全部連接。既有運營車站地下連續墻破除及疊合梁柱構筑施工步序如表1所示。

2.3.2 既有樓板結構切割

運營地鐵車站樓板結構主要承受人流、設備、列車的承重荷載。如果該車站為地下車站，樓板結構還將傳遞車站的側向水土壓力。樓板的切割將改變車站局部承重荷載受力分布，樓板在邊墻位置均是固結支承條件，但在部分樓板切割后將變為接近于簡支的支承條件，其所傳遞的負彎矩將減小，并向相鄰跨中和支座轉移，導致樓板鄰近墻體的跨中正彎矩和中柱位置的支座負彎矩將明顯加大。樓板結構采取分段分塊切割，在施工過程中盡量減小每次切割寬度以減小每次施工造成的影響，并應加強施工監測。

2.3.3 切割工藝比選

既有結構的靜力切割一般可選用的方法有3種:1)利用混凝土碟片切割機進行切割。碟片切割機沿導軌行走，碟片切割混凝土。碟片切割機具有切割面光滑、切割面不需要進行再處理，無振動、對原結構無損傷，施工時噪聲較小等優點;但碟片的尺寸有限，目前市場最大切割深度為300 mm。2)利用金剛石水鉆排孔切割。金剛石水鉆在混凝土結構中鉆孔，形成排孔切割混凝土。金剛石水鉆排孔切割具有無振動、可多臺設備同時施工等優點;但切割面是月芽形的齒形面，需要后期修補。3)利用金剛石繩鋸與金剛石水鉆相結合的方式進行切割。

金剛石繩鋸切割是金剛石繩索在液壓馬達帶動下繞切割面高速運動研磨切割體，由于使用金剛石顆粒做研磨材料，故完成鋼筋混凝土體的切割是沒有問題的。切割是在液壓馬達帶動下進行的，液壓泵運轉平穩，并且通過高壓油管遠距離控制液壓馬達，切割過程中的振動和噪音很小，切割體能在平穩的情況下被分離。切割過程中高速運動的金剛石繩索采用水冷卻，并將研磨碎屑帶走，所以現場需加強對污水的搜集處理。金剛石繩鋸靜力切割工藝可以從根本上解決擾動大的難題，并且具有工作效率高、切割尺寸精確、操作簡單、維護保養方便的優點。金剛石繩鋸機結構如圖8所示。

2.4 施作新建結構與既有結構接駁

2.4.1 新舊結構鋼筋連接技術

分部切割墻體后，對應地施作框梁框柱與車站既有結構剛性接駁，從而逐步完成兩結構體的接駁。

圖8 金剛石繩鋸機結構圖Fig.8 Structure of diamond wire saw machine

被切割墻體切割完成后，可先鑿除既有結構需接駁部位保護層，扳出既有結構箍筋焊接，保證新施作框柱梁鋼筋骨架與既有結構柱梁形成整體結構。對于需要加強連接部位采用錨筋施工，主要施工步驟為:1)對既有結構框柱梁進行放樣，劃出錨筋孔位置;2)采用混凝土取芯機鉆φ30 mm的孔，錨筋成孔向上傾斜3°;3)鉆孔深度不小于200mm;4)錨筋前將孔內灰塵用風吹干凈，然后用環氧水清洗孔壁;5)錨筋材料必須符合行業規范要求。

2.4.2 新舊混凝土接駁施工技術

將既有混凝土結構表面鑿毛，對表面打成溝槽，溝槽深度為10mm，間距不大于200mm，并將既有混凝土結構的棱角打掉，同時除去浮渣、塵土。為了使結合面混凝土的黏結抗剪強度和黏結抗拉強度接近或高于既有混凝土結構本身強度，避免結合面過早開裂破壞，在澆筑新混凝土前，淋灑一層30%白乳膠水泥漿界面結合劑。

在新建結構框柱梁澆筑混凝土前，根據現場原位實驗分析，嚴格控制混凝土水灰比，在1 m3混凝土摻加40 kg膨脹劑以盡量減小新混凝土的收縮及徐變。混凝土養護采用外覆薄膜包裹嚴密，以避免水分散失造成混凝土水化不充分及混凝土內外溫差引起附加應力。混凝土澆筑施工選擇在夜間列車停運期間，并保證在列車運營前混凝土達到初凝。

針對新舊混凝土彈性模量不一及新施作框柱梁混凝土收縮、徐變對既有框柱梁產生一定的影響，在混凝土澆筑前對混凝土通過力學實驗獲得彈性模量及應力－應變曲線。新框柱混凝土澆筑完畢后，在新舊混凝土面按圖9所示兩側每側布置8個外貼鋼弦測點。在2年內監測分析新混凝土環框柱的內力和變形。在變形達到警戒值時，可采用加大截面加固、外包鋼加固、粘鋼加固等措施。

圖9 框柱鋼弦布置圖(單位:mm)Fig.9 Arrangement of steel string of frame column(mm)

2.5 監控量測

運營地鐵車站接駁施工中主要監測項目包括既有結構框柱和結構樓板的變形。

從深圳地鐵3號線老街站換乘綜合體工程中對運營地鐵監測數據可以看出:站臺樓板在施工過程中變形不明顯，既有結構框柱沉降變形較小，整體趨勢比較穩定。圖10為框柱累計沉降變化最大點(2－DC1#)時程曲線圖。

圖10 2－DC1#框柱沉降變化時程曲線圖Fig.10 Time-dependent curve of settlement of 2-DC1#frame column

3 實施效果

深圳地鐵新建3號線老街站及換乘體與既運營車站接駁工程自2008年10月開始，至2009年5月結束。在整個施工過程中，利用在運營側安裝鋼圍蔽全封閉隔離，保證地鐵運營不受干擾。在施工工藝中很好地將金剛石繩鋸、液壓金剛水鉆相結合，有效地降低了施工噪音、減少了粉塵。另外，將施工區域與其他作業區域完全隔離，安排專人把守，做到必須有證才能進入施工區域。通過實時監控發現:結構縫開合度、軌道間距及走行軌橫向差異沉降在整個施工過程中無明顯變化，道床沒有新增任何裂縫。整個施工工藝和防護措施均取得了成功。

在進度、效益方面，整體接駁工程有效地縮短了工期、節約了成本。

4 結論與討論

本文以深圳地鐵新建3號線老街站換乘綜合體與運營地鐵車站接駁工程為實例，對接駁過程中關鍵技術進行了研究。主要結論如下:

1)新建結構與運營地鐵車站接駁工程施工關鍵在于保證地鐵運營的安全。運用金剛石繩鋸靜力切割替代傳統切割破除施工工藝，工作效率高、切割尺寸精確、操作簡單，特別是被切割體成品規格明顯，減少了破除、轉運的附加投入。

2)在既有運營車站側施作新建結構并與其剛性連接，主要意義在于對破除連續墻后的運營車站結構補強，減小運營車站結構變形。

3)深圳地鐵3號線老街站換乘綜合體工程在與既有結構“零距離接觸”、與列車行駛界限僅有0.75 m的高風險條件下，通過合理科學組織、靈活運用金剛石繩鋸靜力切割等技術，有效地降低了施工噪音、減少了粉塵。整個施工工藝和防護措施取得了成功。

在本文的研究中對運營車站加固防護方面存在一定的片面性，對運營車站的監測也有一定的局限性，這些施工技術在以后類似工程中需要進一步探索完善，使其更具有推廣價值。

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