城市CBD建筑群處大型地下鐵路客運車站深基坑施工技術

劉 崗，李拉普

(中鐵十五局集團有限公司，河南 洛陽 471013)

0 引言

廣深港客專福田車站是一座重要的具典型意義的車站。它是我國高速鐵路發展過程中，為適應高速鐵路與既有城市交通零距離接軌而修建的第一座地處繁華城市CBD中心，且與城市地鐵、公交等交通系統綜合為一的大型地下換乘車站。因城市建設在前，地下車站建設在后，周圍高樓林立，道路交通密集，如何在施工中確保周圍建構筑物及地下車站施工安全，確保基坑施工不長期中斷主要交通道路(深南大道)通行是本工程的重難點。在城市基坑工程施工對周邊建筑的影響研究方面，文獻［1］主要從地表沉降控制基準值、水平位移控制基準值、支撐內力和土壓力控制基準值方面進行了相關研究;文獻［2］在監控量測基礎上，詳細對比分析了二元結構地層基坑開挖引起不同圍護結構的變形情況及對周邊環境的影響;文獻［3］認為地表沉降、墻體變位、基坑隆起三者之間存在著明顯的關系，臨近基坑建筑物沉降變形與其基坑的接近度有明顯關系，施工過程中應綜合考慮技術可行性、安全、環保、質量、工期、效益等因素采取保護措施;文獻［4］針對挖除了土的邊載使地基承載力降低而危及建筑物的安全問題，就基坑開挖對緊鄰既有建(構)筑物地基承載力的影響作了探討及計算。本文綜合國內外類似工程經驗，采用城市中心區復合地層條件下蓋挖逆作法施工技術、大截面鋼管柱精確定位技術、開發了水下爆破+沖擊鉆孔工法等的施工研究，豐富了蓋挖逆作工法并提高了施工技術水平。在國內第一次應用了鋼管混凝土柱和型鋼混凝土梁框架結構，并對鋼管柱和型鋼梁形成的梁柱節點的受力進行了研究，形成了比較完整的大截面型鋼骨架梁、柱勁性混凝土施工技術。

1 工程概況

廣深港客運專線福田車站(在建)位于深圳市行政文化中心和高檔商務區，高層建筑集中。在市民中心廣場西側益田路下呈紡錘形南北展開，北端接益田路隧道，南端接深港隧道。全長 1 023 m，最深32.15 m，最寬78.86 m，站場規模為4臺8線。地下一層為客流轉換層，地下二層為站廳層，地下三層為站臺層。車站共設12個出入口，11組地面風亭及6個消防疏散口，1座室外消防水池和4座冷卻塔。總建筑面積147 088.0 m2。與地鐵3#線及公交站實現無縫對接，是福田交通樞紐的核心組成部分。

該車站周圍高樓林立，車站側墻距周邊建筑物地下室邊線最近距離13.4 m，場地范圍內大面積分布有沙層，花崗巖殘積層及全風化層，富水厚度達10余米，地下水位高，車站底板主要位于花崗巖全風化層;花崗巖殘積層及全風化具有遇水軟化、崩解，強度急劇降低等特點;該基坑開挖時支撐、封底不及時極易造成坑底隆起、基坑側向變形加大，造成基坑傾覆等事故，繼而造成基坑安全和周邊高層建(構)筑物的安全使用。

車站綜合樞紐工程總平面見圖1。

該站采用五跨三層大型地下結構，集明挖順作、蓋挖逆作、蓋挖順做于一體，結構復雜、工藝繁多。

圖1 深圳福田站綜合樞紐工程總平面圖Fig.1 Plan layout of Futian railway transit terminal in Shenzhen

2 基坑設計概述

該車站基坑長度超過1 000 m，最寬處達79 m，施工段一A1區、A2區、施工段二、施工段五采用明挖順作法施工，施工段一A3區(施工段二由地鐵3#線施工單位先行施工，為保證該接口處施工安全，采用蓋挖逆作施工)、施工段三、施工段四采用蓋挖逆作法施工。車站施工區段劃分見圖2。

3 深基坑圍護結構

3.1 地下連續墻設計

福田站工程主體圍護結構采用地下連續墻形式，混凝土強度等級為C30，抗滲等級為P12，鋼筋混凝土合計11萬m3。其中施工段一、段二和段五及臨時封堵墻連續墻厚1.2 m，施工段三和施工段四連續墻厚1.5 m;連續墻總長度合計2 231 m，共劃分為497幅單元槽段，幅長5～7 m(標準長度5.0 m和5.5 m);總體深34.8～52.5 m。主要穿越地層包括:人工填土層(Qml4)、沖洪積砂層(Qal+pl4)、殘積黏性土層(Qel)、全風化花崗巖、強風化花崗巖、弱風化花崗巖。入弱風化花崗巖深度2.7～24.5 m，石質堅硬，其最大單軸飽和抗壓強度達 114.8 MPa。

3.2 支撐體系

明挖段支撐系統:圍護結構第1道支撐采用鋼筋混凝土支撐，并設置臨時型鋼立柱、鋼筋混凝土腰梁與橫撐構成支撐系統，支撐間距設計為6.0 m;第2—4道設計為鋼支撐，采用 φ 800 mm，厚20 mm(Q345)，φ609 mm，厚 16 mm(A3 鋼)，支撐間距設計為3.0 m，最長的支撐長達49 m。南端盾構吊出井、免稅大廈和香格里拉處采用5道支撐，第5道支撐后拆;其余部分均采用4道支撐，第4道支撐后拆。支撐體系見圖3。

圖2 車站施工區段劃分示意圖Fig.2 Division of construction sections of the station

圖3 明挖順作法支撐體系Fig.3 Support system of cut-and-cover foundation pit

3.3 基坑內外的防水及抗變形的措施

香格里拉酒店、免稅大廈、港中旅大廈等高層建筑處與連續墻之間地層采用袖閥管、旋噴樁格構加固，相對應連續墻內側采用普通注漿;連續墻接頭處基坑外側采用袖閥管加固。

4 關鍵施工技術

4.1 超厚、超深地下連續墻的施工

根據該站的特殊位置及上軟下硬的復合地質條件，該工程同時采用了液壓成槽機結合沖擊鉆成槽、液壓成槽機結合雙輪銑成槽及弱風化花崗巖層水下爆破結合沖擊鉆成槽3種成槽方法，在國內外尚無先例。

4.1.1 液壓成槽機+沖擊鉆成槽

由于連續墻入巖較淺，在全風化花崗巖層及以上部分采用液壓成槽機抓土成槽，下部巖層采用沖擊鉆沖擊成槽。開挖時采用“三沖兩抓”的方法［5］，即首先使用沖擊鉆沖擊槽段兩端及中間3個導向孔，然后使用液壓抓斗分2次抓取預留的兩段土體，最后由沖擊鉆對下部巖層沖擊成槽。

4.1.2 雙輪銑成槽機成槽

福田站連續墻深度為35.2～43 m，入弱風化巖層達12.9～24.5 m，地質資料顯示此段弱風化巖，坡度大，最大單軸飽和抗壓強度為114.8 MPa。采用沖擊鉆鉆孔，周期長，易偏孔，且對后續成槽和鋼筋籠吊入均造成不便。采用意大利FD60/C850NG型雙輪銑成槽機成槽。

4.1.3 水下爆破+沖擊鉆成槽

由于福田站地下連續墻入弱風化巖較深，巖石較硬，雙輪銑成槽機刀具磨損嚴重，成本較大，進度相對較慢;故采用控制爆破+沖擊鉆成孔技術，其目的是通過“預裂爆破+擠壓爆破”處理后，使連續墻范圍內整體弱風化巖石破裂，以利沖擊成孔。

施工時根據地質補探資料確定每一處爆破參數，并依實際爆破效果及時調整爆破參數，使效果達到最佳狀態。爆破作業時，鉆孔孔距布置在0.4～0.6 cm，炸藥單耗控制在1.2 ～3.0 kg/m3。

4.1.4 3 種成槽方法比較

液壓成槽機+沖擊鉆成槽、雙輪銑成槽機成槽、水下爆破+沖擊鉆成槽3種施工方法各有利弊:液壓成槽機+沖擊鉆成槽組合比較簡單，適合全風化花崗巖層及土層，進度較快，價格低廉，但沖擊鉆用電負荷較大，文明施工費用高;雙輪銑成槽機成槽，安全整潔，設備昂貴，需采用泥漿分離系統，環境保護好，但強風化巖處進度很快，遇弱風化巖雖換刀具但進度緩慢，設備維護復雜、損耗大、維修成本高;水下爆破+沖擊鉆成槽在地下連續墻入弱風化花崗巖較深處采用控制爆破技術使連續墻整體弱風化巖石破裂、分割成塊狀，再用沖擊鉆成槽，該方法在主城區進行爆破受到限制較多，炸藥量控制是關鍵，安全費用高，爆破成功后成槽速度很快。

4.2 蓋挖逆做法大直徑結構柱的施工

該車站施工段三和施工段四均采用蓋挖逆作法施工，結構柱的施工關系到蓋挖法成功的關鍵。經研究采用鋼套筒作為隔水防護工具，并首次研究并應用了深孔智能防護系統UHIS技術((Underground-deep-Hole Intelligent Safeguard System由鋼套筒、有害氣體及氧氣含量檢測、分散平衡式通風及水霧裝置、人員物料升降、個體智能防護、智能報警等部分組成)，確保了在地下狹小密閉空間30多m深孔內作業人員安全。通過經改進的新型鋼管柱定位器，保證了鋼管柱定位±5 mm的精度要求。

福田站蓋挖逆作鋼管柱共有110根(φ1 600 mm×35 mm)。車站底板以下設3 m厚倒梯形承臺，鋼管柱長度30.047 m和30.067 m 2種，用35 mm厚鋼板卷制焊接而成，采用C60微膨脹高性能混凝土填芯。承臺底面下采用直徑2.8 m抗拔樁兼結構柱下樁，灌注C35水下混凝土。

4.2.1 柱下樁與鋼管柱施工流程

1)柱下樁混凝土灌注完成終凝后，及時將φ2 800 mm×20 mm鋼套筒內剩余泥漿抽干，人工鑿除定位器設計標高以上部分混凝土。

2)測量放出樁中心十字線，進行下定位器安裝，澆注C40承臺混凝土至定位器位置，固定定位器。

3)待固定定位器混凝土達到一定強度后復核下定位器中心位置，將整體制作的φ 1 600 mm×35 mm鋼管柱吊裝入孔，底部采用定位器定位，頂部采用花籃螺栓微調，確保符合設計要求。

4)定位完成后，對鋼管柱進行上下外側架設型鋼加固，澆注孔內混凝土至設計標高，結構柱外側回填中粗砂。

4.2.2 鋼管柱施工流程

見圖4。

圖4 鋼管柱施工流程示意圖Fig.4 Construction procedure of steel pipe pile

4.3 大跨度、大截面型鋼勁性鋼筋混凝土結構施工

由于該車站跨度較大，其主體結構中采用了型鋼混凝土梁(2.5 m×1.4 m)，部分區段頂板縱、橫向均采用型鋼混凝土梁形成了網狀結構，地下一層和二層橫向設計為型鋼混凝土梁、柱為圓形鋼管混凝土柱和方形鋼筋混凝土柱。節點由4塊小牛腿焊制而成(見圖5)。

4.3.1 型鋼混凝土梁施工工藝流程

頂層土方開挖(在圍護結構、主體結構中間立柱和抗拔樁施工后)—頂層型鋼梁施工—頂層梁板鋼筋、模板、混凝土施工—負一層土方開挖—負一層型鋼梁施工—負一層梁板鋼筋、模板、混凝土施工—負二層土方開挖—負二層型鋼梁施工—負二層梁板鋼筋、模板、混凝土施工。

4.3.2 勁性鋼筋混凝土結構施工

4.3.2.1 蓋挖段施工

1)地面層部分鋼結構采用履帶吊、汽車吊或叉車進行安裝;

2)地下部分鋼結構從預留洞孔轉運到施工層后，采用叉車進行水平運輸及安裝;

3)分區域設置構件堆場，構件運輸到施工現場后，一次到位，避免二次倒運;

4)蓋挖段按整體施工組織安排及臨時洞口的位置分為多個流水段，從遠離洞口的方向開始依次進行安裝，不影響型鋼梁的運輸定位;

5)合理利用搭接、穿插，做好鋼結構吊裝的前期工作。

4.3.2.2 明挖段施工

1)先安裝地下部分鋼結構，從下而上進行結構安裝。安裝采用履帶吊、汽車吊進行;

2)分區域設置構件堆場，構件運輸到施工現場后，一次到位，避免二次倒運。

4.3.2.3 勁性鋼筋混凝土施工

1)梁鋼筋安裝。鋼梁安裝完成，進行梁的鋼筋安裝，先安裝梁的受力鋼筋，再安裝箍筋和構造鋼筋。受力筋與節點環板采用CO2保護焊連接，鋼管柱兩側各有一根鋼筋繞過柱子與另一跨鋼筋連接，嚴禁截斷。梁鋼筋安裝見圖6。

2)混凝土施工。型鋼骨架梁與板均為C60微膨脹高性能混凝土，施工時同時澆注，澆注順序自結構橫向的一端向另一端推進，以防止施工冷縫的產生。為保證梁底混凝土的密實，澆注時先澆注梁后澆注板，混凝土從梁底一側流入從另外一側涌出，至板底標高后與板一起澆注。混凝土振搗時節點及梁底部靠近型鋼梁內側要加強振搗，其他部位同一般混凝土施工。

圖6 梁鋼筋安裝Fig.6 Steel bar installing

4.4 明、蓋挖接口處土方、結構的施工方案

4.4.1 明、蓋挖接口處施工

該工程實施期間共劃分5個施工段，施工段二先行施工;施工段一劃分為A1、A2和A3區，A1和A2區為明挖順作并先行施工，A2和A3區之間設臨時封堵墻;A3區在施工段二施工時，作為深南大道的臨時疏解線;為平衡土體壓力，施工段一A3區與施工段三同步施工，且均采用蓋挖逆作法，需等到施工段二主體結構封頂后，深南路交通疏解倒邊至施工段二后開始施工。

施工段四為蓋挖逆作段，為保證其與施工段五相接處安全穩定，第五施工段與之接口處滯后開挖，從南向北推進，待第四施工段南端施工完成后再施工第五段與之相接處。

4.4.2 蓋挖與蓋挖接口處施工

第四施工段先施工，由于第三施工段采用蓋挖逆作法施工，為便于主體結構連接，第三施工段施工時，與之相鄰的施工段四主體結構需提前完成。

4.4.3 明、蓋挖接口處結構施工

接口處結構施工按明挖或蓋挖施工順序正常施工，無特別注意事項。

5 深基坑監測

5.1 監測內容

該車站基坑是目前國內最深、最大的地下車站基坑，針對不同地質、周邊建筑物的分布情況及結構形式，結合蓋挖逆作和明挖順作兩大工法施工步驟和順序，確定其基坑監測從圍護結構施工開始，直到該工程完成。監測對象為基坑、周圍建筑物、構筑物和外墻等的沉降及變形。

5.2 監測方法及技術

采用仿真技術［6］，結合實際地理位置，和施工工藝、施工區段，分別建立三維模型，模擬深基坑施工過程，分析計算深基坑變形和對周邊建筑物的影響程度。動態控制［7］是根據實測指標和數據借助計算機，通過監測管理系統［8］及時指導施工，調整開挖節奏，包括采用預加固、隔離、跳倉、預留反壓土、分段、分層、分區的施工措施，最大限度的降低對周邊建筑物的影響，使各項監測指標保持在設計及規范要求的允許范圍內，確保基坑及周邊建筑物的安全。

5.3 監測結果及分析

5.3.1 圍護結構變形對比分析

實際監測出的連續墻累計變形和理論累計變形基本一致。香格里拉(明挖順作法)，理論變形為0～18.8 mm，最大變形發生在26～27 m深度，實際監測變形為 －4.04～24.87 mm，最大變形發生在25 m深處，理論變形和實測變形對比見圖7。

5.3.2 周邊地表變形對比分析

見圖8。

5.3.3 周邊建筑物變形情況

通過對周邊建筑物的沉降觀測，發現建筑物沉降主要與自身基礎類型、相對基坑深度、樁底持力層承載力等因素有關，圍護結構變形在允許范圍內時，建筑物沉降與圍護結構變形關系不明顯。列舉有代表性的兩棟建筑物:港中旅大廈和免稅大廈，分析建筑物沉降情況，見表1。沉降監測見圖9。

表1 建筑物結構沉降對比Table 1 Settlement of buildings

通過監測數據圖可以發現:免稅大廈沉降和差異沉降均較大，并且在結構完成一定時間內仍有小量沉降，最小沉降在J2測點為－4.22 mm，最大沉降在J4測點為 －15.45 mm，最大差異沉降達11.23 mm，兩點水平距離約69.5 m，傾斜達0.16‰。港中旅大廈沉降和差異沉降均較小，主要發生在基坑開挖初期，很快趨于穩定，最小沉降在J7測點為－3.80 mm，最大沉降在J2測點為 －5.59 mm，最大差異沉降達1.79 mm，兩點水平距離約58.6 m，傾斜達0.03‰。傾斜均遠小于設計及規范要求的2‰。

5.3.4 檢測結果

從對該站2種施工方法的施工監測分析可以看出:明挖順作法和逆作蓋挖法，其地表下沉，既有建筑物下沉、地下水位變化、收斂變形，是隨基坑開挖的時間和隨基坑開挖深度的增加而增加的，且既有建筑物的變形與其基礎形式，地下車站基坑低于既有建筑物基礎深度有關，明挖順作在架設鋼支撐前后地表沉降速率有明顯變化，鋼支撐架設后沉降緩慢直至停止;蓋挖逆作與施工組織密切相關，開挖初期沉降較大，隨著頂板、中板、底板混凝土澆注完成，沉降趨于平緩。

由于寬度不同，為了保證交通不中斷而采用地質條件相同的2種施工方法監測表明，地表下沉最大的位置一般不是發生在基坑最近處，而是在12～17 m，約0.5倍基坑深度附近，再向遠處逐漸減小，在1倍基坑深度以外，幾乎無沉降。充分說明這兩種施工方法的選擇是正確的。

6 結論與體會

該工程是我國城市中心區目前第一座大型地下客運車站，施工中合理采取明挖順作、蓋挖逆作等施工技術，順利地完成了超大、超深、超寬基坑工程，同時也達到了保護周圍超高層建筑、地鐵線以及其他周邊環境要素的要求。

1)該工程中勁性鋼筋混凝土結構的使用，有效地控制了施工過程中可能引起的周邊高層建筑群穩定性畸變，保障了城市中心區超寬、超深特大型地下空間工程實施的安全需求。

2)根據地質巖性不同，成功開發利用爆破+鉆孔樁施工的方法進行連續墻施工，為硬巖地質條件下超深基坑地下連續墻施工提出了新的思路，更加充實和完善了基坑連續墻施工的技術體系。

3)基坑監測采用仿真技術，及時提供監控信息，動態調整技術措施，合理調整施工流程，達到了施工安全無事故。

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