車站一體化群洞臨近設計施工方案優(yōu)化及應用

陳金剛，李金偉

(北京住總集團有限責任公司,北京 100101)

0 引言

近幾年,為落實北京市政府《關于加強軌道交通場站與周邊用地一體化規(guī)劃建設的意見》,規(guī)劃建設地鐵線高度重視“站城融合”發(fā)展理念及站、場一體化規(guī)劃建設工作,地鐵車站出入口設置不僅要滿足功能需求,還要考慮與周邊景觀、交通體系合理銜接,實現車站景觀與周邊環(huán)境緊密融合[1]。其中7號線東延工程中萬盛南街西口站通過一體化下沉廣場的設置實現地鐵與相鄰規(guī)劃交通樞紐的便利銜接,并將車站出入口、安全疏散口、新(排)風道及一同化通道等附屬消隱于地面之下,充分實現了軌道交通與城市環(huán)境、交通緊密融合的特點。這樣一來,車站與一體化下沉廣場需要通過多個通道連接實現功能需要,通道斷面尺寸大小不一,部分斷面尺寸相對較大且上下、左右間距較近,從施工安全性、經濟性及對社會影響相對較小原則考慮下,采用礦山法施工。為減小通道相互沉降疊加對風險源影響,并結合北京市政府對地下水保護的大背景下,利于環(huán)保采取注漿止水、超前小導管注漿加固土體,優(yōu)化通道施工順序及進洞方式等,通過現場監(jiān)測數據得出,以上設計施工方案施工安全、經濟合理、工期得到保證,為后續(xù)施工提供參考。

1 工程概況

地鐵7號線東延工程萬盛南街西口站處于萬盛南街和通馬路交叉口東側,是一座地下4層車站,將來與位于通馬路上規(guī)劃的S6線車站進行連通實現換乘,本站與S6萬盛南街西口站為換乘車站,7號線在下,S6線在上。車站南側一體化下沉廣場位于萬盛南街南側,內部集出入口、安全口、新(排)風道、一體化通道及未來與相鄰綜合交通樞紐實現連通的集散廣場,結構南墻預留與南側規(guī)劃綜合交通樞紐實現連通的條件(如圖1所示)。一體化結構與地鐵車站連通通道段采用礦山法施工,其余采用明挖法施工。一體化明挖基坑長258 m、寬13 m～15 m、深度2 m～21 m,圍護結構采用φ800@1 500/φ1 000@1 400 mm灌注樁+φ609×16 mm的鋼管支撐。通道中除1號、2號安全全口采用臺階法施工外,其他通道均采用CRD法施工。

主要管線為沿萬盛南街鋪設的東西向φ800 mm上水管線(管頂標高22.29 m),其與明挖基坑水平凈距約為9 m,上述各通道均下穿該管線,與其豎向凈距分別為:新(排)風道11 m,D出入口6.38 m,1號安全口13.2 m,2號安全口0.64 m,C出入口6.38 m,一體化1號、2號通道0.66 m。

2 地質水文情況

根據詳勘報告,車站范圍內土層劃分為人工堆積層、第四紀沖洪積層。車站范圍上部主要位于填土、粉土、粉質黏土層,車站中部位于粉土、粉質黏土層、粉細砂層,中粗砂層,車站底部位于粉質黏土層,局部有粉細砂層。

車站范圍賦存兩層地下水,分別為層間水(三)和承壓水(六)。根據實測水位,除2號安全口,層間水(三)和承壓水(六)水位標高位于暗挖結構底板以上,因此對于暗挖結構,采用超前全斷面深孔注漿加固止水。

3 設計施工方案確定

萬盛南街西口站南側附屬結構原設計方案為各個小單體結構分離設置、單獨施工。后因落實北京市軌道交通車站與周邊地鐵一體化開發(fā)結合要求,為后續(xù)南側地塊地下空間與地鐵地下空間更好地連通,在車站南側設置一體化下沉廣場,將南側附屬結構統(tǒng)一全部消隱于一體化下沉廣場結構內,這樣既實現了附屬結構各項功能,又為后續(xù)一體化連通創(chuàng)造了條件。連接一體化下沉廣場和車站暗挖通道原設計施工方案是從一體化下沉廣場基坑對各暗挖通道采取加固措施,而后進洞開挖,過程中因拆遷、占地及管線改移等前期工作制約,遲遲無法開工。因暗挖通道車站端未提前進行超前加固處理,車站主體結構已施工完成,如再對暗挖通道施作超前支護,則將對車站主體結構造成嚴重破壞,為確保通車驗收節(jié)點工期,同時減小對車站結構的破壞,根據車站內機電、裝修場地情況,通道開挖調整為從車站內和通道端頭增設臨時豎井方式進行先期暗挖通道開挖,車站內利用站內預留吊裝口進行材料、設備吊裝及應急等工作。

3.1 開挖順序及超前加固方式確定

由于各暗挖通道上下、左右位置關系較近,為減小同時開挖引起地層沉降相互疊加影響致沉降值超標[2],施工前,對通道開挖先后順序及具備條件進行統(tǒng)一籌劃。總體開挖順序為“豎向先下后上、水平先左后右、斷面先大后小、近距一個二襯完成后再開挖另一個”的原則。具體順序為先施工最下面的排、新風道和1號安全口,待其初支貫通、二襯施工完畢且監(jiān)測變形穩(wěn)定后,再施工上面的D出入口;D出入口初支貫通、二襯施工完畢且監(jiān)測變形穩(wěn)定后,再施工上面1號一體化通道;兩個風道中一個初支貫通、二襯施工完畢且監(jiān)測變形穩(wěn)定后,再施工另一個風道。

根據北京市政府相關部門的要求,結合地質水文情況,為了節(jié)約、保護地下水資源,南側附屬地下水處理采用深孔注漿堵水(除1號、2號一體化通道及2號安全口外),結合開挖斷面所處水層類型加固范圍有所不同,層間水(三)水位以上初支外緣外1 500 mm圍成斷面全部,層間水(三)水位以下初支外緣外3 000 mm圍成斷面全部。深孔注漿壓力控制在0.8 MPa～1.0 MPa,擴散半徑為0.5 m,漿液采用水泥-水玻璃雙液漿[3],注漿過程中根據地層條件添加調節(jié)漿液凝結時間和可注性的外加劑,確保注漿效果。注漿加固分段進行,每段注漿長度8 m,開挖6 m,搭接2 m,各段注漿前,封閉掌子面并設止?jié){墻。加固后土體無側限抗壓強度應為0.8 MPa～1 MPa,滲透性系數不得大于10-6cm/s。注漿加固順序由內向外進行,加固完成后采取鉆芯取樣評定加固強度,并結合掌子面打設探孔來檢測止水滲透效果[4](如圖2,圖3所示)。特別注意斷面拱頂位于細中砂層時,做好超前支護措施。

暗挖通道初支為C25早強噴射混凝土;鋼筋網采用φ6@150 mm×150 mm,內外雙層設置;初支格柵連接螺栓采用4.8級普通螺栓(C級)、螺栓(AM24×70 GB45-66)及螺母(M22 GB16-66);縱向連接筋為HRB400直徑22 mm,環(huán)向間距1 m,內外雙層設置;臨時型鋼支撐為Q235B鋼、Ⅰ22a。超前支護為DN32(t=2.75 mm)超前小導管和直徑108 mm大管棚,小導管和大管棚內灌注水泥漿(見圖4)。

因連通車站一層2號安全口通道正交下穿DN800上水管,且上水管與初支開挖外邊緣凈距只有0.84 m,考慮減小因開挖引起沉降對上水管影響,采用大管棚作為超前支護。因受車站主體結構影響,車站一側不具備打設大管棚條件,受一體化主體結構進度制約,一體化結構側也不具備施作條件,為實現打設大管棚條件并提前進行暗挖通道開挖,確定在通道與一體化交界處增設臨時施工豎井,利用豎井進行暗挖通道施工,施工后進行回填處理。2號安全口通道埋深較淺,所處位置受地下水影響較小,臨時豎井采用倒掛井壁法施工(見圖5)。

3.2 暗挖通道進洞方式確定

車站與一體化下沉廣場連通各功能性暗挖通道(除2號安全口、1號、2號一體化通道外)結合現場實際條件,從施工安全性、工期、造價及對既有結構影響等方面綜合考慮,對進洞方式由超前支護作用下直接破樁一步到位進洞方式調整為逐榀過渡進洞+后期換拱方式。自洞口環(huán)梁范圍內按照正洞采用CRD工法各導洞先后開挖順序分別破樁進洞,由于洞口環(huán)梁內輪廓低于待開挖隧道初支外輪廓,通過標準段結構橫斷面尺寸及漸變處高度變化情況重新擬合斷面,確定進洞段不小于4 m范圍內設置9榀鋼架漸變過渡至標準段鋼架,漸變斷面起拱線以下與標準斷面一致,在起拱線以上應注意平滑過渡,以保證鋼架合理受力。

破樁進洞時,自車站結構墻外皮開始,施作初期支護,進洞處連立三榀格柵鋼架[5],同時確保鑿除的側墻外圍護樁下1 m范圍內有兩榀格柵鋼架。為確保首榀拱部鋼架自穩(wěn),格柵鋼架通過輔助鋼筋與破除后的圍護樁鋼筋焊接固定。破樁進洞后,拱頂部分段落仰挖施工,自樁下第3榀鋼架施作一環(huán)超前小導管,小導管打設范圍為拱部120°、長度為4 m、外插角為25°、單排環(huán)距300 mm,施工至平坡段后,因已采取全斷面注漿加固,不再打設超前小導管。過渡段與標準段格柵鋼架鋼筋主筋一樣,其余輔助鋼筋參考標準段構造鋼筋,結合后期換拱綜合考慮鋼架分節(jié)及預留節(jié)點板位置情況。進洞段6 m范圍內格柵鋼架及臨時支撐的連接筋加密[6],環(huán)向間距由1 m調整為0.5 m,下導洞上臺階施工時,應在臨時仰拱下方設置一道Ⅰ20a臨時橫撐(見圖6)。

待正洞封閉成環(huán)長度施工不小于10 m,且洞口初期支護監(jiān)測穩(wěn)定后,根據開挖過程中土體加固效果,確定對過渡段拱部180°范圍內地層再次進行補注漿,注漿壓力控制在0.5 MPa～1 MPa,注漿過程中,根據實際情況進行動態(tài)調整,做好對初期支護的監(jiān)測及巡視。正洞封閉成環(huán)長度施工不小于15 m后,開始返回由內而外對過渡段起拱線以上9榀初期支護及水平臨時支撐逐榀換拱,破除拱架時應由上而下,左右導洞逐榀分步施工,嚴格按照“破一榀、換一榀、噴一榀”的原則進行施工[7](如圖7所示)。破除開始前,準備一定數量的型鋼鋼架及其他應急物資,過程中做好監(jiān)控量測工作,確保信息化安全施工。

4 現場施工及監(jiān)控量測

連通車站與一體化下沉廣場的出入口、風道及一體化暗挖通道采用CRD法開挖,1號、2號疏散安全口采用臺階法開挖。破除洞門樁前,按照重點工序條件核查要求對隊伍資質、作業(yè)人員、土體加固效果、施工材料設備、應急物資等進行現場驗收,滿足要求后方可進行洞門樁破除[8]。洞門樁分導洞依次進行破除,每個導洞破樁時自兩端向中間、先上后下的順序進行。破樁前要仔細檢查樁頂與冠梁等構件連接的牢固性。洞門樁破除完畢后立即在其下連立三榀格柵,格柵與圍護樁鋼筋通過輔助筋連接牢固,由于進洞至設計斷面范圍為仰挖施工,為確保拱頂土體穩(wěn)定性及人員的安全性,開挖前施打超前小導管并注水泥漿作為超前支護。由于一體化明挖結構進度較慢,暗挖通道開挖至一體化端頭分三種情況進行處理:第一情況為一體化結構施作完成,直接挖至端頭破樁,施作二襯一步到位;第二情況為一體化基坑土方開挖完成未施作結構,挖至端頭不進行圍護樁破除;第三種情況為一體化圍護結構未施作,為確保圍護樁安全施工,挖至距端頭3 m處暫停,封閉掌子面,待圍護樁、結構施作完成后再破樁連接。針對洞口處的鋼支撐支撐位置提前優(yōu)化,確保支撐位置不處于暗挖通道斷面范圍。

施工前,根據風道、D出入口、2號安全口及一體化暗挖通道與DN800上水管位置關系,地面及管線布置3個沉降監(jiān)測斷面(如圖8所示),斷面與斷面間距離為6.5 m(掘進方向)、斷面上監(jiān)測點距離為3 m～4.5 m,洞內拱頂及凈空收斂監(jiān)測點與地面設置對應[9]。施工過程中,按照各暗挖通道施工順序對監(jiān)測點進行監(jiān)測(見圖9),同時對洞內外做好巡視工作,確保施工安全。按照規(guī)范及產權單位要求,地表沉降控制值為30 mm、平均(最大)沉降速率為2 mm/d(3 mm/d);上水管沉降控制值為20 mm、沉降速率為2 mm/d;初支拱頂沉降為30 mm、平均(最大)速率為2 mm/d(3 mm/d);初支凈空收斂為20 mm、平均(最大)速率為1 mm/d(3 mm/d)。

施工過程中,選取風道、D出入口、一體化通道漸變進洞、正常開挖段及DN800上水管線處監(jiān)測點數值變化進行整理、分析,繪制沉降變化曲線(見圖10—圖13)。

通過圖11可以看出,排風道漸變進洞段沉降主要受1號、3號導洞開挖和漸變段換撐兩階段影響,累計產生沉降量約占總沉降量的75%,而相距1.1 m的新風道漸變段沉降變化受相鄰排風道進洞影響較大,沉降累計增加值約為2.5 mm,漸變段地表累計最大沉降值為18.14 mm,小于規(guī)范值30 mm。通過圖13可以看出,近距離已完二襯排風道凈空收斂變化受導洞開挖、漸變進洞換拱及貫通過程影響,收斂值變化最大值為5.32 mm,位于通道長度方向中間位置,滿足規(guī)范要求。

D出口暗挖通道位于通道群中部,此范圍地層受到排風道、新風道、1號安全口開挖期間多次擾動[10],1號導洞未進行開挖時,其上方DN800上水管線附近監(jiān)測點累計沉降值已達到7.25 mm,3號導洞開挖引起沉降的增長速率相對較大,二襯貫通后累計沉降量為18.76 mm,小于規(guī)范規(guī)定20 mm。1號一體化通道未進行開挖時,1號導洞上方監(jiān)測點累計沉降值已達到8.37 mm,1號導洞開挖6.5 m左右時,1號導洞上監(jiān)測點累計沉降值為10.21 mm,后續(xù)各施工階段產生沉降值為5.67 mm。

5 結論

通過本站南側附屬結構一體化設計施工工程實例,并結合施工過程中遇到實際問題優(yōu)化設計施工方案,對設計施工過程總結如下:

1)一體化下沉廣場與地鐵車站附屬結構實現很好融合,且通過下沉廣場為周邊地塊后期開發(fā)預留實現貫通條件。

2)為實現保護地下水資源目的,根據地下水類型及地下水埋深與暗挖隧道斷面位置關系確定加固范圍,采用跟管后退式注漿加固土體實現堵水效果,為暗挖隧道安全開挖創(chuàng)造條件。

3)因受前期工作制約,一體化主體結構進度滯后,從確保后續(xù)關鍵工期節(jié)點,通過調整暗挖進洞方向、方式和增加臨時施工豎井,車站與一體化下沉廣場連通通道從車站內漸變進洞和從豎井內開挖施工,實現提早安全施工。

4)暗挖通道集群中施工時,相互疊加影響明顯。通道間總體開挖順序為“豎向先下后上、水平先左后右、斷面先大后小、近距一個二襯完成后再開挖另一個”的原則,以及漸變進洞換拱嚴格按照“破一榀、換一榀、噴一榀”的原則進行施工。按照以上原則及采取各項加固措施,地表及DN800上水管沉降最大值為18.76 mm,滿足規(guī)范和產權單位限制要求,以及實踐驗證淺覆土條件下大管棚控制沉降效果顯著。

5)暗挖施工嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、再注漿、勤量測”的原則,做好信息化監(jiān)控量測及應急管理措施,確保暗挖隧道開挖安全。