連續沉井法建設軌道交通地下車站的關鍵技術研究

張中杰, 呂培林, 俞 劍, 郭振坤, 張擎宇, 王浩然

(1. 天津大學建筑工程學院, 天津 300072; 2. 上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司, 上海 200125; 3. 同濟大學, 上海 200092)

0 引言

隨著城鎮化進程的加快,我國軌道交通發展迅速,并呈現出地下段占比越來越大的趨勢[1]。以上海市為例,目前正在建設的軌道交通工程中地下段占比超過85%。在軟土地區,地下車站主要采用明挖基坑建設,通常分為2個階段: 第1階段是通過建立安全可靠的支護結構體系形成有效的施工空間,第2階段是在第1階段形成的空間內建造車站主體結構。其中,第1階段的支護結構體系均為臨時結構,造成了大量工程材料和建設工期的浪費。

在“碳達峰、碳中和”的國家戰略背景下,軌道交通建設方式亟待綠色轉型。近30年來,構建永臨結合的地下結構體系一直備受廣大學者關注,且開展了大量的研究。在“兩墻合一”技術方面,王衛東[2]提出了以地下連續墻作為主體結構的設計方法;宋青君等[3]和陳其志等[4]對“兩墻合一”技術在基坑工程中的應用進行了擴展和優化,均取得了良好的實施效果;朱旻等[5]在國內地下車站建造現狀的基礎上,提出了“兩墻合一”的裝配式地鐵地下車站結構形式,該方案沿用了內支撐體系,采用2階段的施工方式,地下連續墻仍需嵌入底板下一定深度。在“結構逆作”技術方面,劉建航[6]介紹了上海地鐵1、2號線中淮海路和南京路站首次應用逆作法的設計方案,其利用混凝土樓板實現一撐兩用;羅發揚等[7]基于逆作法與明挖順作法,提出了采用中板逆筑的框架逆作法,利用樓板框架代替部分鋼支撐;蘇卜坤等[8]和楊向華等[9]分別對蓋挖逆作地鐵車站的設計計算和施工工藝進行了探討和改進,得到了施工階段和使用階段較為準確的內力和變形。

綜上所述,目前明挖地下車站的設計建造理念仍為明挖基坑,以“兩墻合一”和“結構逆作”為代表的新技術只考慮了基坑臨時支護結構與車站永久主體結構的部分結合,建造過程中仍存在底板下一定嵌固深度的地下連續墻和大量內支撐等廢棄工程。本文根據嘉興至楓南市域鐵路工程曹莊站的實際背景,提出了連續沉井法建造新技術,通過分批下沉間距緊密的沉井群并縱向貫通形成狹長型整體車站結構。

1 總體設計方案

1.1 工程概況

曹莊站為嘉興至楓南市域鐵路工程的中間站,位于嘉興市郊,為地下2層島式站臺車站,其總平面圖和橫剖面圖分別如圖1和圖2所示。車站主體總長283.4 m,標準段總寬24.8 m,埋深為20.8 m,頂板覆土3～4 m,總建筑面積19 030 m2。

圖1 曹莊站總平面圖(單位: m)

圖2 曹莊站橫剖面圖(單位: mm)

擬建場地內的規劃道路均未實施,現狀為農田或水塘,無影響車站實施的地下管線,地勢平坦開闊,施工條件較好。

本工程所在區域為沖湖積沉積平原地貌單元,第四系覆蓋層厚度較大,淺部分布沖海積淤泥土,中部及下部為沖湖積黏性土層,下部為沖積砂土、碎石土層。場地土層物理力學性質參數如表1所示。其中,③層、⑤層淤泥質粉質黏土呈流塑狀,為軟弱土層,工程性質差,具有高壓縮性、高靈敏性、高觸變性、低承載力的特點;④1層、⑥1-1層、⑥4-1層、⑧1夾a層粉質黏土呈硬可塑狀,工程性質較好。場地地質條件適合沉井法施工。

表1 土層物理力學性質參數

場地內粉土、粉砂層分布廣泛,承壓水層埋深淺、水頭高且相互連通,⑥2-1層砂質粉土+⑥3夾層粉砂夾砂質粉土、⑦1層砂質粉土+⑦2層粉砂均存在承壓水突涌風險。

1.2 壓入式沉井

連續沉井法中每個沉井均采用壓入式下沉的方法,該方法是確保采用連續沉井法建設地下車站順利實施的關鍵。

沉井是井筒狀的結構物,具有整體性強、穩定性好、造價低、臨時結構少、空間利用率高等優點,在橋梁、水運及市政工程中得到廣泛應用和發展[10]。然而,傳統沉井采用井內挖土,下沉時依靠自身重力克服井壁摩阻力,存在沉井姿態糾偏困難、對周邊環境影響大、工期較長等問題[11],因此不適用于對環境保護要求高的區域(如周邊有管線、建(構)筑物等)或對施工精度要求高的工程(如軌道交通軌行區段)。

壓入式沉井又稱壓沉法,其工藝示意如圖3所示。其借助反力裝置通過千斤頂提供一個向下的壓力,在適當取土的同時,將沉井壓入土體,可消除土層差異的不利影響,實現沉井下沉全過程的有效控制。該方法已在上海污水治理白龍港南線東段工程工作井[12]和溫州南塘街地下立體停車庫工程[13]中成功應用。工程實踐表明,壓入式沉井具有如下優勢: 姿態容易控制且精度高;使得沉井內能保持較高土塞,對周邊土體影響小;通過增加沉井的下沉系數可大幅提高下沉速度,縮短工期[11]。因此壓入式沉井拓寬了沉井的應用范圍,同時也為采用連續沉井法建設地鐵車站提供了技術支撐。

圖3 壓入式沉井工藝示意圖

1.3 連續沉井法設計方案

曹莊站是地下2層標準站,結合車站規模及建筑平面布置,基于“長度適中、節段均勻、對稱平衡”的原則,將車站主體結構沿縱向分為7個沉井段,其中,2個車站端頭井各1段,分別為1#、7#沉井,每個沉井長33.1 m、寬23.4 m、深26.875 m,長寬比為1.41∶1;標準段5節,分別為2#～6#沉井,單節長44.36 m、寬24.8 m、深23.975 m,長寬比為1.79∶1。各相鄰沉井縱向凈距為2.5 m。曹莊站主體結構分節示意如圖4所示。施工時,先同步施工1#、3#、5#、7#沉井(先序沉井),再同步施工2#、4#、6#沉井(后序沉井),最后貫通相鄰沉井間的空隙,形成完整的車站主體。

圖4 曹莊站主體結構分節示意圖(單位: m)

與傳統的單體式沉井相比,采用連續沉井法建造軌道交通地下車站,需要嚴格控制各節沉井最終的水平位置、姿態、深度,以保證車站主體結構順利貫通。

本站范圍內的線路為平坡,綜合考慮頂板標高限制、站內凈空要求、車站兩端區間線路要求、工程造價等因素,本工程連續沉井豎向偏差按±50 mm控制,即各沉井終沉完成后,任一點相對設計標高的偏差不得大于50 mm。為嚴格控制沉井下沉精度和對周邊環境的影響,本設計方案要求沉井施工采用壓入式下沉法及水下挖土方式。標準段沉井橫剖面如圖5所示。沿沉井縱向邊界兩側各設有1排壓入式下沉法所需的反力樁基,沉井側壁頂部設有鋼牛腿,鋼牛腿通過鋼絞線與澆筑在反力樁基頂圈梁的地錨裝置連接。

圖5 標準段沉井橫剖面圖

在沉井制作方面,由于本工程單個沉井尺寸大,綜合考慮該場地的地基承載力、沉井結構質量、施工縫位置、下沉安全性和便利性等因素,沉井結構采用分節制作、分次下沉的方式。其中,沉井自下而上分為4節,每節高度分別為8、4、6、7.58 m,下面2節先后制作完成后進行第1次下沉,待剩余2節制作完成后進行第2次下沉。分節接縫防水按照現澆結構水平施工縫防水構造處理,界面施涂水泥基滲透結晶防水涂料,并設置鋼板止水帶、全斷面注漿管、遇水膨脹止水條各1道。

另外,根據工程地質資料,場地內存在承壓水突涌風險,但由于本設計方案采用水下挖土的方式,井內水位須始終高于抗承壓水突涌安全水頭(考慮水下封底的最不利超挖深度),因此無需對承壓水層抽水降壓。

1.4 設計方案對比

若本站采用傳統明挖基坑方案,圍護結構需采用1 000 mm厚地下連續墻,墻長46 m,并需設置三軸水泥土攪拌樁槽壁加固,沿基坑深度方向自上而下設置5道支撐,其中,第1、4道支撐為混凝土支撐,其余為鋼支撐,坑底及第4道混凝土支撐底土體需進行地基加固;同時,還需要考慮⑥2-1層砂質粉土+⑥3夾層粉砂夾砂質粉土、⑦1層砂質粉土+⑦2層粉砂承壓水突涌的風險,采用懸掛式止水帷幕結合坑內減壓降水措施。明挖法基坑支護結構橫剖面如圖6所示。

t為鋼管壁厚。

連續沉井和傳統明挖基坑2種方案的對比如表2所示。從表中可以看出,連續沉井方案臨時結構少、施工速度快,質量易保證。

表2 連續沉井和傳統明挖基坑2種方案對比

2 設計關鍵技術

2.1 永臨結合設計

連續沉井法的基本施工過程是先在地面上修建結構,然后再原位下沉形成地下結構,與基坑工程相比,避免了必須先施作臨時基坑支護體系。因此,永臨結合是連續沉井法的優勢和最顯著的特點。結構設計需要按最不利工況進行對應狀態的受力計算,同時材料性能及構造措施需滿足作為永久結構的耐久性要求。

2.1.1 井壁結構設計

沉井壁結構使用階段作為車站側墻,是以頂板、中板、底板為水平約束的單向受力墻;施工階段兼作開挖所需的圍護結構,是以水平框架梁和豎向壁柱為共同約束的雙向受力墻。本工程標準段沉井側壁厚度地下1層段為800 mm,地下2層段為1 000 mm。以地下2層側壁為例,同條件下本車站采用明挖基坑方案時,根據計算地下連續墻厚度為800 mm,主體結構地下2層側墻厚度為900 mm,側壁總厚度為1 700 mm;而沉井方案無需地下連續墻,側壁總厚度即側墻厚度為1 000 mm,構件厚度優化幅度約為40%,建材用量顯著減少。

沉井壁結構除需承受水平水土荷載外,尚需考慮加壓系統不對稱加載時的附加作用,且需確保下沉施工階段井壁結構承載能力、裂縫滿足設計要求。

沉井壁底部刃腳結構剖面如圖7所示。其外側設置了100 mm的外凸,便于下沉階段井壁外側形成連續的泥漿套,以減小下沉阻力;與底板結合處設置了內凹的榫槽,以加強底板與井壁的結合;井壁與底板通過預留的鋼筋接駁器連接,連接節點處采用了界面施涂水泥基滲透結晶防水涂料、設置遇水膨脹止水條及全斷面注漿管3道防水措施。

圖7 沉井壁底部刃腳結構剖面圖(單位: mm)

由于沉井外壁會隨施工下沉受到沉井外側土體的持續摩擦,若采用常規明挖結構外壁采用的自粘聚合物改性瀝青防水卷材,則容易產生剝離破壞。本工程沉井的井壁外包防水采用1層2 mm厚的單組分聚脲防水涂料(Ⅱ型)及1層0.3 mm厚的聚脲彈性砂漿防水涂料,檢測防水層抗剝離強度為6.0 N/mm,是自粘聚合物改性瀝青防水卷材的4倍,可滿足下沉階段防水層的抗剝離要求;且表面摩擦因數為0.6,在使用階段也能保留井壁與周邊土體的摩擦力并參與結構抗浮。

2.1.2 框架結構設計

連續沉井中的縱橫向框架在使用階段即為車站主體的梁柱結構,施工階段兼作沉井結構的內部支撐。其中,框架梁的豎向位置結合樓板標高設置,水平間距結合柱網和樓板孔洞確定。市域鐵路車站的沉井結構跨度大、支撐間距大、框架梁應力水平較高。為保證結構安全,在框架梁平面布置時應盡量使結構體系規則、傳力路徑直接。因此,本工程設計時對車站建筑布置方案做了如下調整:

1)整個車站均采用單柱雙跨,沿車站縱向中軸線的框架柱完全居中對齊,即“一柱到底”;

2)車站縱向框架梁兩側的樓扶梯及設備專業孔洞歸并對齊,保證所有橫向框架梁無水平錯位;

3)車站端頭井處盾構吊裝孔按非均勻性分設孔洞,兼顧區間盾構施工和框架梁可靠傳力。

本工程框架梁平面布置示意如圖8所示。由于沿車站縱向有較多機電管線敷設,車站橫向框架梁應盡量采用寬扁斷面形式,以減少車站層高。本工程頂板縱向框架梁截面尺寸為1 200 mm×2 400 mm,橫向框架梁尺寸為1 200 mm×1 000 mm,中板縱向框架梁截面尺寸為1 200 mm×1 300 mm,橫向框架梁截面尺寸為1 800 mm×800 mm。縱向框架梁在井壁接頭處需預留鋼筋接駁器,供連接段施工時通過現澆連接相鄰沉井段已先期實施的縱向框架梁。

圖8 框架梁平面布置示意圖

沉井下沉過程中的姿態傾斜、基底土的不對稱開挖等均會造成框架結構的附加應力,當引發的差異變形較大時可能對結構造成不可逆的損傷。沉井下沉過程中采用自動化監測手段實時采集數據,以便開展信息化施工。框架結構設計時,應結合下沉工況,根據結構構件實際承載能力反算復核差異變形容許值,并將其作為施工過程動態監控的上限值。以車站端頭井1#沉井為例,假設框架梁交點處與相鄰井壁產生10 mm的差異變形,在計算模型中相應設置10 mm的附加強制位移,計算結果顯示各框架梁截面、配筋滿足強度及裂縫要求,故取10 mm作為該沉井下沉過程中框架結構最大差異變形容許值,并取該值的50%作為監測預警值,從嚴控制施工過程。

2.1.3 隔墻刃腳設計

連續沉井底板下方隔墻刃腳呈矩形網格布置,使用階段即為底板梁,施工階段兼作下沉施工所需的貫入墻,為整個沉井底部提供足夠的土塞和支承。因此,連續沉井車站底板按雙向板設計,且均無上翻梁,為更有效地利用站臺層空間創造了條件。本工程內部隔墻刃腳斷面按照倒錐形設置,上部寬1 200 mm,底端寬600 mm,這樣不僅便于結構向下貫入土體,也有利于沉井封底混凝土受力。底部隔墻的平面布置如圖9所示,其與頂板、中板框架梁對齊,斷面形式見圖10。

圖10 標準段沉井縱向剖面圖

2.1.4 耦合樁基設計

連續沉井中的耦合樁基使用階段用于抗浮和沉降控制,施工階段用于提供壓入式沉井的反力以及沉井姿態控制。樁基布置設計時,應綜合考慮地質條件、壓沉反力大小、沉井結構規模、素混凝土封底層厚度、沉井姿態糾偏等因素,本工程耦合樁基主要沿車站縱向邊界布置,平均縱向樁間距為4.5 m,樁中心距離井壁邊1.5 m。樁基最不利工況為沉井在終沉位置處完成封底并抽干井內水體的抗浮設計工況。其中,井內啟動抽水需在封底混凝土達到設計強度且井壁與井外樁基通過現澆結構形成可靠連接后方可進行。

經技術經濟比選,成樁采用樁徑1 000 mm的擴底灌注樁,底部擴大段樁徑為1 800 mm,樁長48 m,樁端位于⑦2粉砂層,單樁豎向抗拔承載力特征值為3 260 kN。

2.2 結構連接設計

2.2.1 沉井與沉井連接

本工程各相鄰沉井之間設置了寬2.5 m的窄條型連接段,其主體結構為現澆鋼筋混凝土單柱雙跨箱型結構,在相鄰沉井底板達到設計強度后方可實施。其中,連接段基坑的長邊方向為已施工沉井端封墻,短邊采用橫列板支護。為便于后期拆除和回收,連接段沿縱向貫通的區段兩側沉井端封墻采用豎向密排的長條形π形斷面預制構件,連接段貫通時只需割除設置于水平框架梁上的限位構件即可逐條無損取出,實現車站整體貫通。端封墻的預制構件為只考慮法向受力的單向受力構件,端封墻處壁柱、框架梁及井壁結構設計時需考慮預制構件拆除引起的內力重分布。預制構件與框架梁連接節點剖面圖和平面圖分別如圖11和圖12所示。預制構件立面如圖13所示。

圖11 沉井端封墻預制構件與框架梁連接節點剖面圖(單位: mm)

圖12 沉井端封墻預制構件與框架梁連接節點平面圖(單位: mm)

圖13 沉井端封墻預制構件立面圖(單位: mm)

2.2.2 主體結構與附屬結構連接

在車站主體結構與附屬結構連通位置,井壁結構制作時按連通洞口大小設置暗梁、暗柱,并在洞口內設置π形斷面預制構件,與沉井結構同步下沉,待后期附屬結構完工后,直接取出該預制構件即可實現主體結構與附屬結構連通。預制構件與框架梁連接節點同沉井端封墻處預制構件與框架梁的連接節點。其中,考慮到主體結構與附屬結構接口沿車站橫向并不對稱,為便于沉井的姿態控制,質量更輕的預制構件一側應增加沙袋或砌塊等配重措施。

2.2.3 車站與區間連接

車站與區間連接處,由于連通口為圓形,采用預制構件極為不便,故端頭井端墻預留洞口內采用減薄的現澆混凝土并預留繩鋸切割條件,同時利用洞口內、外側壁厚度差預埋盾構進出洞鋼環,如圖14所示。車站端部區間進出洞地基加固做法同常規設計。本工程相鄰盾構隧道區間外徑8.6 m,預留洞口按直徑9.3 m設計,側壁厚度為800 mm。

圖14 車站與區間連接接口示意圖(單位: mm)

2.3 差異沉降控制

連續沉井法車站的差異沉降控制包括施工階段和使用階段2個階段的差異沉降控制。

在施工階段,由于采用了壓入式下沉工藝,可依據自動化監測手段獲取的實時數據動態調整對沉井壁向下施加的助沉壓力的大小、分布,可準確控制沉井的下沉姿態和終沉位置。

在使用階段,由于連續沉井法車站沿縱向分布的沉井段、連接段,無論是結構形式、縱向剛度,還是基底土、側邊土的受力狀態,均有明顯不同,尤其在軟土富水地層,容易發生工后縱向差異沉降,可能危及使用階段市域鐵路列車運行的安全性。

本工程對此采取了“橫向樁井協調”+“縱向剛性貫通”2項措施。其中,“橫向樁井協調”指沿車站橫向,將壓沉系統的樁基與井壁通過澆筑連為一體,形成樁井共同抗沉整體剛度,沉井外側的樁基作為沉降控制樁協調沉降差異,如圖15所示;“縱向剛性貫通”是指加厚連接段底板并跨施工縫整體現澆,相應節點斷面見圖16。

圖15 差異沉降控制措施平面示意圖

圖16 相鄰沉井接口處底板縱向斷面圖(單位: mm)

2.4 環境影響控制

由于在國內現行沉井工程相關行業規范中尚未見周邊環境影響控制標準的明確描述,本工程地表沉降控制標準參照軟土地區環境保護等級為一級的軌道交通地下車站基坑執行,即最大地表沉降不應大于0.10%H(H為刃腳底至地面的總深度),對于曹莊站標準段取25.685 m×0.10%≈25.7 mm。

連續沉井法車站整體尺寸較大,存在各沉井對周邊環境的疊加影響效應。為研究軟土中連續沉井群貫入對環境的影響,采用ABAQUS有限元軟件對沉井的貫入過程進行數值模擬,數值模型如圖17所示。經初步分析,連續沉井貫入時地表沉降最大值出現在中間沉井外側附近,故選取標準段3#、4#、5#沉井進行模擬驗證。沉井結構長44.36 m,寬12.4 m,高24 m。對于黏土地基,通過合理設置邊界尺寸來模擬半無限空間體,沉井底部與外圍距離足夠大,確保邊界效應的影響得以消除,土體模型長119 m、寬61 m、高48 m,并采用特雷斯卡總應力模型模擬軟黏土中連續沉井群不排水沉貫過程。

圖17 有限元對稱模型(單位: m)

為進一步研究連續沉井貫入過程中產生的最大地表沉降,選取如圖18所示的A—A、B—B、C—C3個典型斷面以及井壁邊和井邊0.75H2個關鍵點位,分析多沉井貫入對周邊地表沉降的影響。

圖18 A—A、B—B、C—C斷面位置

A—A、B—B、C—C斷面處地表沉降和最終沉降分別如圖19和圖20所示。各斷面處地表沉降最大值均出現在井壁邊,其中,A—A斷面處地表沉降最大,為17 mm;B—B斷面沉降次之,為15 mm,C—C斷面沉降最小,為14 mm,且隨著斷面逐漸接近4#沉井中線,最大沉降點處由于先序、后序沉井貫入引起的變形比例不斷減小。因此,對狹長型車站而言,最大地表沉降發生的位置在兩井交接處,且小于25.7 mm,滿足基坑環境保護等級為一級的地表沉降控制要求。

(a) A—A斷面

圖20 地表最終沉降對比

當沉井外側鄰近有重要壓力管線或敏感建筑,需要進一步提升環境保護要求時,可采取加密井外樁間距兼作隔離、增設袖閥管注漿、利用井外樁基對管線進行懸吊保護等措施。

3 主要經濟效益

對比常規的明挖順作法,曹莊站主體結構采用連續沉井法施工后,費用減少項包括:地下連續墻9 338萬元,槽壁加固396萬元,混凝土支撐741萬元,鋼支撐1 011萬元,格構柱及立柱樁468萬元,坑內降水207萬元,坑內地基加固1 658萬元。費用增加項包括: 調整為水下開挖后土方綜合費用增加3 683萬元,主體結構加強相關費用3 596萬元,抗拔樁1 300萬元,壓沉系統1 072萬元,水下封底2 222萬元,防水工程329萬元。增減相抵,可節省費用1 617萬元。

4 結論與展望

連續沉井法包含了壓入式下沉、不排水開挖和信息化施工3項主要工藝要求,是一種軟土富水地區永臨結合修建狹長型地下結構的方法,可應用于軌道交通地下車站、越江隧道岸邊段、地下綜合管廊等工程中。嘉興至楓南市域鐵路工程曹莊站是國內首個連續沉井法軌道交通地下車站。依托該工程,本文在提出連續沉井法建設軌道交通地下車站總體設計方案的基礎上,進一步對關鍵技術進行研究,主要得到以下結論:

1)連續沉井地下車站是一種新型完全永臨結合的地下結構體系,相比于常規明挖基坑方式,連續沉井法避免了大量臨時工程,可有效降低工程造價。

2)連續沉井法的施工順序是“先結構后開挖”,采用不排水開挖方式,可規避承壓水突涌風險。

3)連續沉井法采用壓入式下沉,沉井內能保持較高土塞,對周邊土體影響小,可適用于城區敏感環境下軌道交通地下車站的建設。

4)采用連續沉井法時,通過設置先序、后序2個施工步驟,增加了狹長型車站可同步施工的作業面;另外,采用先地面預制后原位下沉的施工方式,可使結構制作和土方開挖同步進行,相比明挖法工期可有效縮減。以曹莊站車站主體為例,可節約工期約2.5個月。

目前本工程正在沉井結構制作施工過程中,后續將結合下沉階段現場實測數據,通過反演分析進一步優化設計參數。