高層建筑接長電梯井道與地鐵車站連通的設計與施工

畢經東，吳昊

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300133）

1 引言

受城市規(guī)劃、物業(yè)開發(fā)等諸多因素影響，經常出現高層建筑和地鐵車站設計階段未考慮連通但施工階段再進行連接通道設計和施工的情況。由于連接通道未與高層建筑和地鐵車站統(tǒng)籌規(guī)劃，通常會遇到高層建筑結構后開洞和新建連接通道與在建高層建筑施工安全相互影響的問題，給設計和施工帶來了不小的難度。

為降低后開洞對高層建筑的安全風險，為新建連接通道提供足夠的施工作業(yè)空間，連通接口通常設置于民用建筑結構側墻部位，較少有在高層建筑基礎底板后開洞設置連通接口和新建連接通道下穿在建高層建筑的情況。本文依托青島銀海科技大廈與地鐵2號線高雄路站連通工程，研究如何在既有高層建筑核心筒電梯井道狹小空間內破除鋼筋混凝土基礎底板，以及如何在破除后的基礎底板下方接長電梯井道并設置橫向連接通道的設計及施工技術。

2 工程概況

2.1 銀海科技大廈和地鐵車站簡介

銀海科技大廈位于青島香港中路與高雄路路口南側地塊內，地處青島沿海經濟圈，周邊較為繁華。大廈占地面積4 370.6 m2，總建筑面積 37 729 m2，其中地上 29 989 m2；地下3層為停車場，地上28層為商住兩用房，地下建筑總高度16.5 m，地上建筑總高度103.9 m。

大廈地上采用框架剪力墻結構型式，地下采用整體框架型式，地上地下不同結構型式通過受力轉換層銜接。大廈底板坐落于微風化花崗巖層，除中部核心筒采用筏板基礎外，其余采用柱下獨立基礎。核心筒內設置電梯和消防樓梯供人員上下行和疏散。

高雄路站位于銀海科技大廈北側香港中路道路下方，為青島地鐵2號線一期工程第9座車站。車站總長231.15 m，總寬18.6 m，采用11 m島式站臺，總建筑面積13 431 m2。

車站拱頂埋深10.5～20.3 m，設置于微風化花崗巖層，圍巖類別Ⅱ～Ⅲ級，拱蓋法施工，鉆爆法開挖；主體采用單拱大跨薄壁墻的結構型式，防排水方式采用半包限量排放。車站主體結構標準斷面如圖1所示。

圖1 高雄路站車站主體結構標準斷面

2.2 銀海科技大廈與高雄路站連通情況

銀海科技大廈與地鐵車站連接通道施工前，銀海科技大廈已施工至地上19層，完成全部土建工程的71%；高雄路地鐵車站已完成站廳層開挖，正施工拱部二襯。

銀海科技大廈電梯井道與高雄路站站廳層進行連通，大廈客流出電梯后，通過水平人行通道進入地鐵。由于大廈底層電梯與高雄路站站廳層存在8.65 m高差，因此，需對電梯井道接長處理，同時由于大廈基礎已施工，需切割破除電梯井道處筏板基礎。

電梯井道為2組，井道凈空均為2.4 m×2.2 m，2組井道之間為200 mm厚剪力墻。新建的接長電梯井道與原井道凈空尺寸相同。

圖2 連接通道平面圖

水平連接通道采用拱形斷面，復合式襯砌，臺階法施工。通道結構凈寬2.6 m，凈高3.35 m；裝修完成后凈寬2.4 m，凈高2.6 m。連接通道平面圖如圖2所示。

3 電梯井道筏板基礎切割破除

根據使用功能不同，大廈地上、地下主體結構采用了不同的結構型式，地上為商住兩用房小空間布局，采用了框架剪力墻的結構型式，地下為停車場大空間布局，采用了框架梁柱的結構型式，同時結合基礎持力層為硬巖的特點，大廈整體基礎型式采用了柱下獨立基礎，但電梯間需貫通地下至地上全部樓層，因此，為與地上、地下不同的主體結構型式進行較好地結合和銜接，電梯間和其余需上下層貫通功能單元采用了核心筒的結構型式，貫通功能單元地上層墻體構件通過核心筒延伸至地下層。根據大廈核心筒結構型式的特點，區(qū)別于大廈其他部分的獨立基礎，大廈核心筒底部基礎采用筏板基礎，其占大廈全部基礎面積的6.8%。

大廈核心筒內除電梯井道外，還有消防疏散樓梯間、電梯等候間、通風井、強電井、弱電井、水暖管道井等其他功能單元。

筏板基礎破除總面積與需接長的2組電梯井道凈空尺寸相同，為2.4 m×2.2 m，占全部筏板基礎面積的6%。

3.1 設計方面

大廈鋼筋混凝土結構構件實際尺寸和配筋均按荷載規(guī)范要求，為在內力標準值的基礎上考慮了35%的安全儲備后通過計算確定。可以利用這35%的安全儲備作為大廈筏基承載力損失的上限值，由于切割破除總面積僅占全部筏基面積的6%，即破除施工造成的筏基承載力損失為6%，小于35%的上限值，加之破除施工為短期臨時行為，且大廈還剩地上9層結構尚未施工，筏基承載力未達到使用階段計算值，因此從設計計算方面來看，可以認為切割破除施工是安全的。

3.2 施工方面

由于2組電梯井道間存在200 mm厚墻體，因此需對每組井道底部筏基單獨分別進行破除。

電梯井道筏板基礎厚1.4 m，切割這樣的大體積鋼筋混凝土構件，切割工具的選擇十分重要。常見的碟式切割機受碟片半徑影響主要用于切割薄壁混凝土，本工程的厚壁結構并不適用，因此，需采用一次性切割厚度大、鉆頭強度高的切割工具，加之井道內施工作業(yè)空間狹窄，因此，經研究決定采用金剛薄壁鉆（即水鉆）輔以金剛石繩鋸聯(lián)合破除[1，2]。

井道內施工作業(yè)空間狹小，僅夠人員和施工機具操作空間，無切割后的混凝土渣塊堆放場地，因此，要求渣塊切割后立即運輸到井道外；狹小空間內渣塊只能靠小型電葫蘆倒鏈運輸出井道外，電葫蘆倒鏈一次運輸重量有限，因此單塊混凝土切割體積受到限制。基于以上考慮，對每個井道分為4個區(qū)域進行筏基混凝土切割作業(yè)。

切割時，先使用金剛薄壁鉆切割每個區(qū)域的中心部位，然后使用金剛石繩鋸對邊緣部分進行修邊處理，盡量保證最終切割毛面平整，局部侵入井道凈空的混凝土凸點使用風鎬鑿除，最終毛面使用水泥砂漿抹平。井道筏板基礎切割分區(qū)和各區(qū)切割順序如圖3所示。

圖3 井道筏板基礎切割分區(qū)、順序圖

金剛石薄壁鉆切割施工順序：施工準備→定位、放線→鉆工藝孔和起吊孔→預吊→切割→混凝土塊吊裝、外運。

金剛石繩鋸切割施工順序：確定切割位置→鉆穿繩孔→安裝固定導向輪→固定繩鋸機→安裝金剛石繩索→連接相關操作系統(tǒng)→設置安全防護欄→切割→混凝土塊吊裝、外運。

鑒于本工程切割混凝土的特殊性，施工安全尤為重要。因此，應特別注意如下安全施工注意事項：（1）金剛石薄壁鉆和金剛石繩鋸等電動工具施工前應檢查工具的安全性并進行空鉆試用；（2）切割前，預先準確計算每塊切割體體積，不得超出起吊允許范圍，切割混凝土塊上植筋埋設吊環(huán)并對切割體進行預吊掛，以確保整體平穩(wěn)吊裝和施工安全，吊環(huán)可采用C16鋼筋，鋼筋錨入切割體長度400 mm；（3）金剛石繩鋸切割過程中做好安全防護措施，避免金剛石繩索突然斷開后金剛石串珠彈出傷人；（4）切割渣塊通過電葫蘆倒鏈運輸出井外后，如運輸不便可采用劈裂機破碎后裝袋運走。

4 新建井道和水平通道開挖支護、巖體破碎方法

4.1 開挖支護方法

1）新建井道

新建井道采用全斷面開挖，為了井道上部墻壁荷載更加安全有效地傳遞至巖石地基，采用邊開挖邊架設豎向型鋼支撐的支護方法。

2）水平通道

水平通道采用臺階法開挖，網噴混凝土聯(lián)合鋼筋格柵鋼架進行支護，其中格柵鋼架采用密排的方式進行布置。

4.2 巖體破碎方法

新建接長電梯井道和水平通道均位于微風化花崗巖層，巖體單軸飽和極限抗壓強度為45 MPa，巖質較為堅硬，巖體破碎方法有爆破和非爆破2種。爆破即為利用炸藥燃燒短時間內產生的熱量和高壓氣體破壞巖體；非爆破為利用巖體抗拉強度低的特點，采用無聲破碎劑通過水化反應脹裂巖體，使完整的塊狀巖體產生裂縫[3]，再通過機械對巖體進行破碎。

新建井道緊鄰大廈底部基礎，水平通道與大廈底部基礎凈距僅為3.25 m，且大廈正進行20～28層土建施工。在如此近距條件下，如采用常規(guī)爆破施工則對大廈樓體的爆破震動影響較難控制；本工程巖體抗拉強度為5 MPa，因此，決定利用巖體抗拉強度低的特點，采用非爆破方式對巖體進行破碎。

4.3 靜態(tài)破碎方案設計和施工控制

無聲破碎劑是一種以氧化鈣為主要成分的非爆破性破碎用粉狀材料，其與水反應生成氫氧化鈣，在放出熱量的同時體積增大[4]。

1）孔位布置原則。參照隧道光面爆破原理，將掌子面分為掏槽區(qū)、開挖區(qū)和預留光爆層3個區(qū)域，各區(qū)分別設置掏槽孔、輔助孔和周邊孔。前一階段破碎孔為后繼破碎孔創(chuàng)造臨空面。

2）鉆孔孔距與排距。孔距、排距大小與巖體硬度有直接關系，硬度越大，孔距與排距越小，反之則大。同時，孔距、排距大小也與巖石破碎效果和施工成本有關，孔距與排距越大，破碎效果越差，成本越低，孔距與排距越小，破碎效果越好，但是成本越高。因此，應通過現場原位試驗確定適宜的孔距和排距。試驗前，根據表1經驗值初步確定孔距和排距。

表1 鉆孔孔距、排距經驗值

試驗后，接長電梯井道確定的孔距與排距如下：掏槽區(qū)孔距和排距均為25 cm，開挖區(qū)輔助孔孔距30 cm，周邊孔孔距20 cm。如圖4所示。

圖4 井道破碎孔孔位布置圖

試驗后，水平通道確定的孔距與排距如下：掏槽區(qū)中線密集孔豎向排距20 cm，掏槽區(qū)孔距和排距均為40 cm，開挖區(qū)輔助孔孔距45 cm，周邊孔孔距35 cm。

3）鉆孔孔徑。鉆孔直徑與破碎效果有直接關系，鉆孔過小不利于藥劑充分發(fā)揮；鉆孔太大易沖孔。我國目前靜態(tài)破碎成熟的經驗，鉆孔孔徑選為42 mm。

4）設計破碎深度、鉆孔深度、裝藥深度、藥劑用量。鉆孔深度和巖石硬度系數有一定關系，同時根據開挖初期支護型式的不同，井道一次性破碎深度為1.0 m，水平通道一次性破碎深度為格柵鋼架間距0.5 m，二者鉆孔深度均為一次性破碎深度的105%。全孔裝藥。藥劑用量：井道為15 kg/m，水平通道為10 kg/m。

5）確定最大膨脹力控制時間。溫度是控制無聲破碎劑膨脹力達到峰值反應時間長短的重要因素。溫度越高，反應速度越快；反之則慢。通過市場調研及產品性能分析，選用某品牌的靜態(tài)紙袋藥卷破碎劑，最大膨脹力可達到122 MPa，通過控制拌和水溫度以及抑制劑摻入量的多少，反應時間可控制在10～600 min。綜合考慮藥劑調配、人工裝藥時間和施工進度要求等因素，實際施工時，藥劑反應時間控制在30～60 min。

6）水灰比。水灰比應適中，控制在28%～35%為宜，如破碎劑反應過快，則可在拌和水中加入抑制劑，以防沖孔傷人。

7）質量控制。（1）配置好的漿體在10 min內用完，以免影響藥劑流動性和破碎效果；（2）剛鉆完的破碎孔，孔壁溫度較高，應確定溫度正常并清洗干凈后才能裝藥；（3）每班組單個工人在每次操作循環(huán)過程中負責裝孔的孔數不宜過多，每次拌藥量不能超過實際能夠完成的工作量，工人取藥、加水、拌和、裝填過程中應基本保持同步，以盡量使每個孔眼的最大膨脹壓保持同期出現；（4）裝藥過程中，已經開挖發(fā)生化學反應的藥劑（表現為開始冒氣和溫度快速上升）不允許裝入孔內。

5 新建井道、水平通道二次襯砌

1）新建井道。井道開挖到底后，利用架設的豎向型鋼支撐，新建井道迎土面二襯鋼構骨架采用型鋼-普通鋼筋組合的型式[5]，在型鋼內外側各設置1層φ8 mm@150 mm×150 mm鋼筋網片。井道中間分隔墻厚度較薄，且位于內部環(huán)境，構件耐久性較好，因此僅設置型鋼，不設置普通鋼筋。井道全部二襯混凝土從底向上逐段現澆。新建井道二襯斷面如圖5所示。

2）水平通道。水平通道采用現澆普通鋼筋混凝土的結構型式，待通道整體貫通后一次性施作二襯。二襯采用C45、P10混凝土，300 mm厚，主筋φ18 mm@150 mm。

圖5 新建井道二襯斷面圖

6 監(jiān)控量測和數值計算驗證分析

6.1 監(jiān)控量測數據結果分析

根據本工程施工風險專項設計專家評審意見，大廈沉降控制指標按位移最大速率控制值1.5 mm/d、差異沉降0.002L（L為相鄰柱基中心距離，mm）標準執(zhí)行，水平通道變形控制指標可按表2執(zhí)行。

表2 新建水平通道沉降及變形控制指標

井道及水平通道修建過程中，水平通道拱頂最大沉降值為1.3 mm，位移速率最大值為0.2 mm/d，發(fā)生在隧道井道與水平通道接口附近，水平通道凈空收斂值很小，最大值≤1.0 mm。

大廈各點差異沉降最大值均在控制值內。

現井道和通道二襯均已施工完畢，各監(jiān)測點數值均已收斂。

6.2 水平通道數值分析驗證

新建水平通道位于大廈基礎正下方，距大廈基礎底板3.25 m，距離較近，大廈樓體自重有成為水平通道上部附加荷載的條件，樓體自重較大，因此，水平通道的拱頂沉降數值至關重要，通過采用地層—結構模型對大廈和新建水平通道進行整體模擬計算分析，新建水平通道拱頂上方最大沉降值為1.12 mm，與監(jiān)測結果較為接近，說明所采用的技術方案和工程措施是安全可靠的。

7 結語

已建銀海科技大廈于微風化巖層在核心筒內接長電梯井道后再在大廈基礎下方新建水平暗挖隧道與地鐵車站連通是一項難度大、技術復雜、施工風險高的工程，其核心問題是工程實施過程中控制大廈樓體和新建水平暗挖通道的沉降變形，保證大廈后續(xù)在建工程順利實施和大廈樓體竣工后能夠正常使用。

實際開挖過程中，水平通道拱頂最大沉降值為1.3 mm，位移速率最大值為0.2 mm/d，凈空收斂和大廈各點差異沉降均在控制值內，工程結束后，各監(jiān)測點數據均已收斂，說明工程采用的金剛薄壁鉆輔以金剛石繩鋸切割筏板基礎、靜態(tài)破碎開挖、型鋼組合體支撐、密排格柵鋼架支護和型鋼+普通鋼筋混凝土二襯的綜合技術方案是可行的。

本工程的綜合工程措施和實施方案可為今后類似工程提供參考，也可為后續(xù)研究者系統(tǒng)歸納、總結高層建筑與地鐵車站連通提供工程案例。