地鐵既有車站上蓋增層明挖法施工的關(guān)鍵技術(shù)*

王志康

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司， 250014， 濟(jì)南∥工程師)

隨著我國(guó)大城市的地鐵線路運(yùn)營(yíng)成網(wǎng)，地鐵換乘車站數(shù)量日益增多，車站多維拓建已成為新的建設(shè)趨勢(shì)[1]。地鐵車站多維拓建主要包括以小擴(kuò)大、密貼下穿、上蓋增層等。其中，上蓋增層可采用明挖法施工，其施工簡(jiǎn)便、受力直接，可作為地鐵換乘車站拓建的一種新選擇。

目前，針對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)的增層施工已有部分研究成果，但主要集中在向下增層改造方面[2]。車站向下增層的關(guān)鍵是施工過程中保證上部結(jié)構(gòu)的正常使用。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用地基、基礎(chǔ)和建筑物的相互作用關(guān)系，探討了錨桿靜壓樁在建筑物向下增層過程中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]考慮樁-土-結(jié)構(gòu)的相互作用，分析施工引起的車站上部結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力、拉應(yīng)變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)錨桿靜壓樁可以有效控制車站上部結(jié)構(gòu)變形。車站向下增層必然影響原有樁基承載剛度的改變，文獻(xiàn)[5]通過數(shù)值分析、理論研究及模型試驗(yàn)方法研究了樁基承載及變形性狀，認(rèn)為基坑開挖導(dǎo)致樁側(cè)阻力和樁端阻力非同步發(fā)揮現(xiàn)象明顯。文獻(xiàn)[6]結(jié)合軟土地基下方拓建車庫(kù)工程的案例，探討了既有工程中樁支承結(jié)合拓建基坑中水平支撐實(shí)施的可行性，并提出差異變形控制技術(shù)。綜上，國(guó)內(nèi)外針對(duì)車站增層的研究多集中于其下部暗挖增層，目前采用明挖法施工車站上蓋增層的研究卻鮮見。

基于此，以北京地鐵蘋果園換乘站為依托，對(duì)車站上蓋增層拓建的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，為我國(guó)地鐵車站建設(shè)提供了新的思路與建設(shè)方法。

1 蘋果園站工程背景

1.1 工程概況

北京地鐵6號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“6號(hào)線”)蘋果園站位于蘋果園南路與阜石路交匯口東側(cè)、蘋果園南路下方，沿蘋果園南路北側(cè)東西向設(shè)置。該車站與北京地鐵1號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“1號(hào)線”)蘋果園站夾角約為70°(見圖1)。蘋果園站新建結(jié)構(gòu)需在既有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行上蓋增層拓建。

上蓋增層拓建基坑分為東、西兩個(gè)獨(dú)立的基坑，兩個(gè)基坑分別位于1號(hào)線車站的東、西兩側(cè)(見圖1)。兩個(gè)基坑平面尺寸相同，長(zhǎng)37.4 m，寬26.9 m，深約12.0 m。地下水位在車站底板下方約10.4 m。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用人工挖孔樁+內(nèi)支撐體系。

1.2 車站上蓋增層基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

車站斷面寬23.1 m，高22.5 m，采用C30鋼筋混凝土澆筑而成。車站覆土厚約4.3～4.8 m，最淺埋深約3.8 m，底板埋深約27.5 m，見圖2。車站負(fù)二、三層采用洞樁法施工，施工完成后負(fù)一層采用明挖法施工。上蓋增層基坑的圍護(hù)樁采用φ1 000 mm人工挖孔樁，樁間距為1.6 m，樁間采用厚100 mm的鋼筋網(wǎng)噴射混凝土。基坑內(nèi)支撐布置及土層分布如圖2所示。

2 車站上蓋增層的施工技術(shù)

2.1 上蓋增層的施工方法

車站上蓋增層結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，圍護(hù)樁采用人工挖孔樁。開挖到既有車站小導(dǎo)洞拱頂后，將樁體與既有車站連接，施作樁頂冠梁和第1道混凝土支撐。開挖基坑并架設(shè)3道鋼支撐。第3道支撐架設(shè)后，開挖除反壓土之外的土體，鑿除影響施工的既有車站初支結(jié)構(gòu)和回填的素混凝土，并施作防水層及側(cè)墻結(jié)構(gòu)。待側(cè)墻達(dá)到強(qiáng)度后，開挖剩余反壓土。鑿除剩余初支結(jié)構(gòu)和回填的素混凝土，并施作剩余防水層和側(cè)墻結(jié)構(gòu)。待第3道支撐下部主體側(cè)墻結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)度后，拆除第3、2道鋼支撐，施作防水層和換乘廳剩余上部主體結(jié)構(gòu)。對(duì)車站結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間的肥槽采用同步回填。待頂板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，敷設(shè)頂板防水層，拆除第1道內(nèi)支撐，破除地表下方3 m范圍內(nèi)的擋墻、冠梁及樁身結(jié)構(gòu)，回填基坑。

2.2 上蓋增層的安全控制措施

基坑?xùn)|、西兩側(cè)圍護(hù)樁直接落在既有車站結(jié)構(gòu)上方，無(wú)法嵌入土體，為“吊腳樁”形式，影響基坑穩(wěn)定性。因此，提出樁底與初支結(jié)構(gòu)連接、樁后土體深孔注漿加固及預(yù)留反壓土等3種安全控制措施以保證基坑安全。

1) 樁底與既有初支結(jié)構(gòu)連接技術(shù)。施作無(wú)嵌固樁時(shí)，開挖至既有車站小導(dǎo)洞拱頂后，采用風(fēng)鎬破除其小導(dǎo)洞拱部初支結(jié)構(gòu)(厚200 mm)。對(duì)人工挖孔樁鋼筋進(jìn)行綁扎時(shí)，將樁的主筋和導(dǎo)洞的格柵主筋焊接成整體。

2) 樁后土體深孔注漿加固技術(shù)。為保證無(wú)嵌固樁一側(cè)的樁體穩(wěn)定性，施作無(wú)嵌固樁后，對(duì)樁后土體進(jìn)行深孔注漿加固。注漿寬度為3 m，注漿深度為地表下方3.7 m至基底。漿液與土體反應(yīng)后可提升土體的力學(xué)參數(shù)，使原本松散、多孔的土體形成壓縮性小、密實(shí)度高、穩(wěn)定性好、抗?jié)B強(qiáng)且具有一定抗壓能力的膠結(jié)體[8]。

3) 預(yù)留反壓土。為進(jìn)一步保證基坑安全施工，開挖到第3道支撐下方時(shí)，保留車站平面4個(gè)角部的原狀土反壓基底。反壓土沿基坑縱向長(zhǎng)8 m，橫向?qū)? m，高2 m，如圖3所示。在反壓土范圍外側(cè)墻結(jié)構(gòu)施工完成后，再進(jìn)行反壓土開挖。

2.3 上蓋增層圍護(hù)樁的變形規(guī)律

選取He(基坑開挖深度)為4.0 m、8.7 m、12.2 m和拆除第3道支撐等4個(gè)典型工況，對(duì)基坑A1、B1樁的水平位移進(jìn)行了分析。

圖4、圖5分別為A1和B1樁在不同工況下的水平位移監(jiān)測(cè)曲線。由圖4可見，A1樁樁底水平位移接近于0，說(shuō)明樁底與初支連接的措施可以有效限制樁底變形。由圖5可見，樁體最大位移出現(xiàn)在嵌固樁拆除第3道支撐后，其值約為4.50 mm，為基坑開挖深度的0.037%。這表明人工挖孔樁、樁底與初支連接、樁后土體注漿加固及預(yù)留反壓土等措施能有效地抑制樁體變形。

3 車站上蓋增層結(jié)構(gòu)接頭施工技術(shù)

在既有車站結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行上蓋增層拓建時(shí)，新、舊結(jié)構(gòu)接頭位置存在薄弱點(diǎn)，會(huì)影響車站結(jié)構(gòu)的整體性。故新、舊結(jié)構(gòu)接頭是控制結(jié)構(gòu)整體性、安全性的關(guān)鍵，有必要對(duì)車站結(jié)構(gòu)接頭施工進(jìn)行研究。

3.1 車站接頭搭接施工及結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)

為保證車站結(jié)構(gòu)連接的強(qiáng)度，在既有結(jié)構(gòu)側(cè)墻及鋼管柱預(yù)留鋼筋甩頭及接駁器，并對(duì)頂縱梁與導(dǎo)洞間隙進(jìn)行注漿填充。上部結(jié)構(gòu)開挖完成后，鑿除臨時(shí)頂板上方導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)及內(nèi)部回填的混凝土，剝離預(yù)埋鋼筋及接駁器，綁扎上部結(jié)構(gòu)側(cè)墻及頂板鋼筋，澆筑混凝土，從而使車站結(jié)構(gòu)形成整體。

車站結(jié)構(gòu)防水體系分期實(shí)施，下部結(jié)構(gòu)有完整的外包防水(塑料防水板)，同時(shí)在臨時(shí)頂板外挑位置內(nèi)附1層SBS(改性瀝青防水卷材)，與上蓋增層結(jié)構(gòu)側(cè)墻外包SBS進(jìn)行搭接，并對(duì)車站交接處的防水甩茬采取保護(hù)措施，見圖6。

3.2 車站結(jié)構(gòu)整體性分析

為了分析車站結(jié)構(gòu)整體的安全性，研究超厚回填體抑制車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中作用，采用數(shù)值模擬分析其變形受力特征。考慮場(chǎng)區(qū)的水文地質(zhì)條件和主體結(jié)構(gòu)高度，計(jì)算模型的平面尺寸定為72 m×36 m×36 m。該模型的上表面為自由面，側(cè)面限制水平位移，底面限制水平和豎直位移。本基坑涉及大體積卸載，對(duì)變形參數(shù)更為敏感，因此本模型粉質(zhì)黏土和卵石層采用Hardening-Soil本構(gòu)模型。其中，卵石取3Eoed,ref(主壓密加載試驗(yàn)的切線剛度)=3E50,ref(三軸試驗(yàn)割線剛度)=Eur,ref(卸載彈性模量)，粉質(zhì)黏土取2Eoed,ref=2E50,ref=Eur,ref，并根據(jù)位移反分析確定E50,ref=3ES(E0)(ES、E0分別為壓縮模量和彈性模量)。此外砂巖采用Mohr-Coulomb模型。根據(jù)受力特點(diǎn)，車站結(jié)構(gòu)和各層土體均采用實(shí)體單元模擬。車站巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 蘋果園站巖土層物理力學(xué)參數(shù)

為了分析車站結(jié)構(gòu)接頭處防水層的性能，在結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析新、舊結(jié)構(gòu)交界處防水層的力學(xué)特性。交界處防水層厚度分別為3 mm、4 mm，防水層細(xì)部模型見圖7。模擬中將防水層簡(jiǎn)化為彈性材料，彈性模量取200 MPa。

圖8—圖9為車站結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力。由圖8—圖9可見，車站結(jié)構(gòu)的變形和受力較小；最大豎向位移為0.2 mm，最大水平位移為0.02 mm；最大拉應(yīng)力為0.8 MPa，僅為其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的55.9%；最大壓應(yīng)力為7.16 MPa，僅為其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的23.9%。由此可見，車站結(jié)構(gòu)的拉、壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于混凝土的容許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全性能較高。

側(cè)墻為接駁的重點(diǎn)部位，單獨(dú)提取側(cè)墻的應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖10所示。由圖10可見，側(cè)墻最大拉應(yīng)力位于超厚回填體位置，其值為0.30 MPa，遠(yuǎn)小于混凝土的抗拉強(qiáng)度。此外，側(cè)墻底部接駁部位整體受壓，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，其最大值為0.86 MPa。由此可見，超厚回填混凝土?xí)箓?cè)墻的最大拉應(yīng)力位置上移，以提高車站結(jié)構(gòu)的安全性能。

回填結(jié)構(gòu)可使車站側(cè)墻底部接駁部位整體受壓，這對(duì)接駁部位的安全性具有積極意義，因此可對(duì)回填結(jié)構(gòu)不同高度時(shí)側(cè)墻的受力特征進(jìn)一步研究。圖11為回填結(jié)構(gòu)厚度對(duì)側(cè)墻受力的影響規(guī)律。由圖11可見，回填結(jié)構(gòu)厚度對(duì)側(cè)墻的最大壓應(yīng)力基本無(wú)影響，而對(duì)側(cè)墻的最大拉應(yīng)力具有一定影響；回填結(jié)構(gòu)越厚，側(cè)墻受到的拉應(yīng)力越小。由此可見，回填結(jié)構(gòu)可以有效抑制側(cè)墻的應(yīng)力集中，對(duì)緩解接駁處受力具有積極意義。回填結(jié)構(gòu)厚度超過2 m后，隨著其厚度增加，側(cè)墻拉應(yīng)力基本不再變化。因此，工程中回填結(jié)構(gòu)厚度設(shè)置為2.48 m是比較合理的。

圖12為防水層的應(yīng)力圖。由圖12可見，車站結(jié)構(gòu)接頭處防水層整體處于受壓狀態(tài)，這對(duì)防水層的搭接具有積極意義。接頭處防水層受壓時(shí)可有效避免因防水層搭接而造成的層間開裂，也進(jìn)一步降低了防水層失效的可能性。由此可見，接頭處防水層受壓對(duì)防水層的防水性能是有利的。

4 結(jié)論

1) 車站既有結(jié)構(gòu)上蓋增層明挖法施工簡(jiǎn)單、受力直接，可作為地鐵車站多維拓建的一種新方法。針對(duì)車站下部結(jié)構(gòu)影響上蓋明挖法圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的問題，提出了樁底與初支結(jié)構(gòu)連接、樁后深孔注漿加固及預(yù)留反壓土3種安全控制措施，有效地抑制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

2) 為保障車站結(jié)構(gòu)的整體性，下部暗挖結(jié)構(gòu)需預(yù)留接頭，同時(shí)對(duì)接頭處進(jìn)行超厚混凝土回填。數(shù)值分析顯示，超厚回填結(jié)構(gòu)有效地抑制了車站接頭處的應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

3) 提出了在車站既有結(jié)構(gòu)頂板外挑位置內(nèi)附一層SBS，后期與地下一層側(cè)墻外包SBS進(jìn)行搭接，重新形成車站結(jié)構(gòu)外包防水體系整體設(shè)計(jì)方案。通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)，車站結(jié)構(gòu)交界處防水層整體受壓，這對(duì)防水層搭接具有積極意義。