地鐵車站基坑穿河道設計與應用

王 林

(中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070)

0 引言

蘇州地區水系發達,坐擁超21 000條河流,約40%的地表被水域覆蓋,軌道交通建設難以避免下穿河道,部分車站需下穿河道設置。對于河道寬度小,河水流量少的河道,經防洪評價,河道斷流不影響周邊地區汛期防洪排澇,則在地鐵車站施工期間,可采取臨時斷流,對河道進行回填,待車站施工完畢后另行恢復;對于河道寬度較大,河水流量較多的河道,經防洪評價,河道斷流影響周邊地區汛期防洪排澇,則在地鐵車站施工期間,對河道進行回填的同時需采取措施對水系進行補償,待車站施工完畢后另行恢復;車站通常避免設置在河道寬度大、河水流量大的區域。

河道臨時斷流,回填河道以施工地鐵車站常采用的水系補償方案是在河道回填區上游設置臨時泵站,將上游來水引至下游,此方案日用電量較大,且排洪量有限并有停電停運的潛在風險,適用于流量較小的河道或施工周期較短的工程;另一種可采用的方案是對河道進行臨時改移,將河道外繞至建設項目范圍以外,此方案對周邊環境要求低,適用于較開闊地段。

當工程項目建設周期長,所在河道為主要泄洪通道,且周邊環境緊張,發生內澇的社會影響較大時,上述兩種方案均難以滿足地鐵車站施工期間河道臨時斷流的水系補償要求,需要研究新的水系補償方案。示范工程地鐵木瀆南站(現稱靈巖山站)主體基坑穿河道設計與應用為蘇州地區首次采用臨時渡槽作為水系補償方案,可為后期相似工程提供新的設計思路和借鑒參考。

1 工程簡介

1.1 車站概況

蘇州軌道交通5號線木瀆南站位于孫武路與蘇福路交叉口西南側,孫武路路中,方家橋橋下,車站標準段橫穿木光運河。孫武路及蘇福路均為連通木瀆鎮和胥口鎮的交通主干道。車站北側為靈巖山景區,南側為東欣新村,西側為方家村(已拆),東側為木瀆古鎮和御景花園小區(見圖1)。

車站總長為163 m,標準段結構總寬為20.1 m,標準段底板埋深約為22.02 m,主體結構為地下3層結構(方家橋下為地下2層),采用明挖法施工(臨時渡槽下采用蓋挖順作法施工)。車站主體基坑圍護采用1 000 mm厚地下連續墻,豎向設置6道支撐+1道換撐,其中第1道支撐和第4道支撐均為鋼筋混凝土支撐,其余均為鋼支撐。車站總平面圖見圖2。

根據防洪評價報告水系補償要求,施工時需將方家橋拆除重建,對木光運河進行導流。

1.2 運河概況

木光運河為二級河道,自西向東橫穿光福鎮、藏書鎮、胥口鎮、木瀆鎮,運河西起滸光運河和下淹湖,向東南延伸進入胥江運河,全長18.3 km,流域面積約25.67 km2。地鐵車站所穿運河河寬約20.5 m,河深約4.5 m。

木光運河處于兩側丘陵區的山谷區,整條河道坡度平緩,西北通過下淹湖連接太湖,東南通過胥江運河連接京杭運河,是連接太湖和京杭運河的一條重要排澇河道,溝通胥江北片內部各鄉鎮的水系,主要功能為防洪、排澇和引水。

箭涇河為三級河道,主要功能為防洪、排澇,河寬約15 m,河深約4.0 m。

1.3 地質條件

車站主體基坑開挖范圍土層由上到下依次為①1雜填土、①3素填土、③1黏土、③2粉質黏土、③3粉土、④1粉質黏土、④2粉砂夾粉土、⑤1粉質黏土、⑦1粉質黏土,其中地墻墻趾位于⑦1粉質黏土層(見圖3)。

工程場地范圍地下水主要為孔隙潛水、微承壓水及承壓水三類。孔隙潛水主要賦存于淺部填土和黏性土層中,微承壓水賦存于第一隔水層下的粉(砂)土層中,承壓水主要賦存于深部的粉(砂)土層中,圍護地墻已將承壓水隔斷。

2 設計目標

2.1 施工要求

木瀆南站下穿木光運河區域,施工期間將運河封堵回填,填沒長度約147 m,填河影響時間跨越汛期,約36個月。

2.2 水系補償

根據《蘇州市軌道交通5號線工程涉木光運河防洪評價報告》(以下簡稱《報告》),木光運河的防洪標準為50年一遇,排澇標準為20年一遇。本項目施工期間,臨時填河工程的防洪標準按50年一遇,排澇標準按10年一遇。

據《報告》,工程場地位于胥江北片區,該片區的防洪主要由木光運河和箭涇河分擔,具體來說:汛期時平原區和山丘區來水經木光運河、箭涇河排入胥江。木光運河兩岸壓頂標高為5.00 m～5.20 m(吳淞高程,下同),箭涇河兩岸壓頂標高為4.10 m～5.50 m。

未施工車站前兩河匯水處50年一遇洪水水位4.695 m,10年一遇洪水水位4.320 m;車站施工,木光運河阻斷時,洪水僅能經箭涇河引排,兩河匯水處50年一遇洪水水位4.871 m,10年一遇洪水水位4.477 m。因箭涇河南段兩岸壓頂標高較低,汛期易發生內澇災害。

地鐵車站施工期間,為保證區域內汛期防洪安全,《報告》要求木光運河采取水系補償措施后,兩河匯水處50年一遇洪水水位不大于4.750 m;10年一遇洪水水位不大于4.350 m。其中,非汛期河道凈寬應不小于5.0 m。

2.3 設計目標

綜合地鐵車站施工和河道水系補償要求,地鐵車站基坑穿河道處需進行針對性設計,保證地鐵車站施工期間,木光運河和箭涇河的防洪、排澇安全。

3 設計方案

3.1 方案比選

3.1.1 截流-臨時泵站引水方案

本方案為在車站施工期間,于工程場地范圍外,運河上游設置臨時泵站,DN1 600的河道疏通管接泵站并于施工場地范圍外繞至運河下游,河水經泵站過河道疏通管引至河道下游(見圖4)。

泵站換水流量為3.0 m3/s,設4套潛水混流泵,其中三用一備,備用泵放在管理用房內,每臺泵Q=3 600 m3/h,H=7.0 m,N=110 kW。此方案日用電量較大(運營時間36個月,總電費預估300萬元),且排洪量有限并有停電停運的潛在風險。

3.1.2 截流-臨時河道引水方案

本方案需將車站分為兩期施工,具體分期如下:

一期施工:在方家橋北側施工場地范圍外開辟臨時河道,車站施工期間,木光運河經臨時河道維持其防洪、排澇及引水功能。本期施工河道南側車站主體結構及方家橋,受河道影響的1號出入口南段亦需在本期施工完成。

二期施工:待河道南側車站主體結構、方家橋過水涵洞、1號出入口南段均施工完畢,將木光運河回遷至新建方家橋過水涵洞(見圖5)。本期施工余下車站附屬。

此方案臨時占地面積大,因南側為東欣新村,僅能將臨時河道設置于方家橋北側。方家橋北側為孫武路與蘇福路交叉路路口,且為木瀆古鎮停車場的進出口,交通繁忙,河道北改對交通影響較大。

因臨時河道位于車站北端頭井范圍,原北端頭井為盾構始發,故會制約整個工程的工籌。若變更盾構工籌,則因鄰站周邊建筑密集,交通繁忙,場地受限,增加建設成本及風險。

3.1.3 保流-臨時渡槽過水方案

本方案為在車站施工前設置臨時渡槽,整個車站施工期間,木光運河經臨時渡槽保證其防洪、排澇和引水功能(見圖6)。

該方案占用場地小、對周邊環境影響少。通過在渡槽東、西側設置軌道梁滿足龍門吊行軌要求,保證了場地完整性。本方案既滿足了木光運河的防洪、排澇及引水功能,又保證了整個工程的建設進度,且造價低。

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3.1.4 方案對比

地鐵車站基坑因穿河道的各水系補償方案對比見表1。經綜合比選,“保流-臨時渡槽過水方案”為本工程的推薦和實施方案。

表1 運河水系補償方案對比表

3.2 方案設計

3.2.1 設計思路

本次設計充分借鑒了“管線懸吊保護”和“水利高架渠輸水”的傳統工程,具體來說:

“管線懸吊保護”:將木光運河視為一大型河水管道,通過對其進行臨時遷改,將臨時渡槽修建好后,再將河道臨時恢復至臨時渡槽內。整個車站施工期間,木光運河經由臨時渡槽過水,即地鐵車站基坑開挖、回筑期間對木光運河通過剛度較大、穩定性較強的臨時渡槽將其進行懸吊保護。

“水利高架渠輸水”:高架渠又稱渡槽,是一組由橋梁、隧道或溝渠構成的輸水系統。渡槽一般跨越山溝河谷、道路農田等障礙物,將水遠距離輸送至水量不足的城鎮、鄉村以供飲用或灌溉。車站施工期間,為保證木光運河不斷流,將車站基坑視為運河需跨越的障礙物,采用渡槽的形式將運河橫跨于車站基坑上方(見圖7)。

3.2.2 設計方案

設計方案是“管線懸吊保護”設計思路的體現:木光運河結合地鐵車站施工籌劃進行分期導改,同時,地鐵車站施工與木光運河導改需根據水系補償要求,滿足汛期和非汛期的運河防洪、排澇及引水功能[1]。

根據木光運河導改的路徑,將本站按四期設計施工,具體分期設計如下:

第一期:臨時河道過水。本期在非汛期,通過設置臨時河道將運河北改。臨時河道南岸為既有運河駁岸及原方家橋橋基,河道底部寬5.5 m,河道北岸采用1∶2放坡成堤,堤壩設置土釘網噴護坡。

木光運河臨時改移至運河北側臨時河道后,施工車站主體圍護地下連續墻,在原河道上跨車站基坑范圍施工11.4 m凈寬臨時渡槽,渡槽為與車站主體基坑圍護地墻、臨時格構柱及樁基相結合的豎向結構受力體系。

本期施工主要包括臨時河道施工、原方家橋拆除、車站主體圍護地墻施工、主體基坑范圍內臨時格構柱及立柱樁施工、11.4 m凈寬U型臨時渡槽施工(見圖8)。施工周期為5個月,在非汛期進行。

第二期:臨時渡槽過水。本期為車站主施工期,該期通過臨時渡槽,在車站施工期間,使木光運河上跨車站主體基坑,以保證汛期和非汛期運河的防洪、排澇及引水功能。第二期結合地鐵車站及新建方家橋施工籌劃需分兩階段進行。

第二期第一階段:車站施工。運河由臨時河道回遷至11.4 m凈寬臨時渡槽,施工渡槽下車站主體及運河范圍外的車站附屬(1號風亭及3號出入口、2號風亭、3號風亭)。

本階段施工主要包括回填北側臨時河道、附屬圍護施工、基坑降水、混凝土支撐澆筑、鋼支撐架設、基坑開挖及內部結構回筑施工。先施工車站主體,后施工運河影響范圍外的車站附屬,車站采用明挖法施工,其中臨時渡槽影響范圍內采用蓋挖順作法施工(見圖9)。施工周期為20個月,跨越汛期和非汛期。

第二期第二階段:運河北側附屬施工。該階段施工方家橋北孔及1號出入口北段,在車站主體結構封頂后實施。

本階段施工主要包括渡槽北側相鄰圍堰調整(鋼板樁圍堰施工、放坡結合土袋圍堰施工)、土方放坡開挖、方家橋北孔施工。1號出入口北段進行圍護施工、基坑降水、混凝土支撐澆筑、鋼支撐架設、基坑開挖及內部結構回筑施工(見圖10)。施工周期為3個月,汛期或非汛期均可施工。

第三期:北孔橋涵過水。本期在非汛期,結合已施工好的方家橋北孔橋涵和臨時放坡開挖河道將木光運河臨時北改。臨時河道底部寬6.0 m,河道兩岸采用1∶2放坡成堤,堤壩設置土釘網噴護坡。

木光運河臨時改移至方家橋北孔橋涵后,施工方家橋南側余下兩孔及1號出入口南段,其中南側方家橋需待1號出入口南段施工完畢后施工。

本期施工主要包括臨時渡槽拆除、1號出入口南段圍護施工、基坑降水、混凝土支撐澆筑、鋼支撐架設、基坑開挖及內部結構回筑施工。南側方家橋施工主要包括臨時圍護樁墻破除、土方放坡開挖、方家橋南側兩孔施工(見圖11)。施工周期為5個月,在非汛期進行。

第四期:運河恢復。方家橋南側兩孔施工完畢后,木光運河即可恢復至方家橋中孔橋涵,并恢復河道兩側河道駁岸。

本期施工車站北側過街2號出入口,施工主要包括圍護施工、基坑降水、混凝土支撐澆筑、鋼支撐架設、基坑開挖及內部結構回筑施工(見圖12)。施工周期為3個月,汛期或非汛期均可施工。

3.2.3 渡槽設計

渡槽設計是“水利高架渠輸水”設計思路的體現:在運河跨越車站主體基坑范圍內,結合圍護地下連續墻、臨時立柱及樁,在基坑上方架設“U”型鋼筋混凝土渡槽[2],渡槽兩端地下連續墻與既有運河駁岸相連并輔以土袋堆實,實現木光運河對車站主體基坑的跨越。

渡槽范圍內,車站采用蓋挖順作法施工,施工過程中注意加強對渡槽的監測和保護,施工機械不得觸碰渡槽及其下臨時豎向支撐立柱,必要時對臨時立柱樁進行跟蹤注漿避免沉降過大。

1)渡槽結構體系。臨時渡槽為主體地下連續墻、臨時立柱及樁、“U”型鋼筋混凝土箱涵構成的豎向結構受力體系,該結構兼做水平向基坑圍護受力和豎向運河受力(見圖13)。

2)渡槽設計亮點。在車站主體基坑施工期間,木光運河通過臨時渡槽實現跨越車站主體基坑的同時,也將施工場地南北隔斷,為便于現場施工,保證龍門吊南北通行,在渡槽兩端、主體地墻上方設置臨時立柱及龍門吊軌道梁,使臨時渡槽同時滿足龍門吊跨運河要求[3],保證施工流暢、減少工程成本(見圖14)。

3)渡槽結構設計。

a.計算荷載。

水荷載:深3.8 m;

龍門吊:吊車自重130 t,起吊重量40 t,動力系數1.05;

結構自重。

b.計算內容。

豎向支承計算:渡槽下地下連續墻、渡槽下臨時立柱及樁;

構件計算:“U”型渡槽(含梁)受力計算、龍門吊軌道梁受力計算、框柱驗算。

c.擬定尺寸。

主體地下連續墻:1 000 mm(基坑深22.32 m);

臨時鋼立柱:600 mm×600 mm;

臨時立柱樁兼做抗拔樁:φ1 000 mm;

渡槽板、墻:400 mm;

渡槽縱向梁:600 mm×1 200 mm;

渡槽頂部連梁:600 mm×600 mm;

地墻與渡槽連接暗梁:1 200 mm×400 mm;

龍門吊軌道梁:1 200 mm×1 200 mm;

軌道梁下框柱:600 mm×600 mm。

d.工程材料。

地下連續墻:水下C35混凝土;

臨時立柱樁兼做抗拔樁:水下C35混凝土;

渡槽板、墻、梁、柱:C30混凝土;

鋼筋:采用HPB300級(A)、HRB400級(C);

臨時鋼立柱:L200×20等邊角鋼,綴板等材料均為Q235B鋼。

e.鋼筋凈保護層。

地下連續墻:70 mm(內、外側);

立柱樁兼做抗拔樁:70 mm;

臨時渡槽(板、墻、梁、柱):30 mm。

f.渡槽底板結構平面布置圖。

為減少運河對主體基坑外側的沖刷,將渡槽底板向兩端外延約2.0 m,渡槽兩端通過1 200 mm×400 mm暗梁支承于主體地下連續墻上,跨車站主體基坑區域,沿運河方向每隔約7 m設置臨時立柱及立柱樁,立柱上設置600 mm×1 200 mm縱向受力梁,具體結構布置見圖15。

g.渡槽頂部結構平面布置圖。

臨時渡槽在主體地墻區域,在渡槽跨中位置設置600 mm×600 mm臨時框柱,框柱上設置1 200 mm×1 200 mm軌道梁以滿足龍門吊通行;基坑內,在渡槽側壁上方每隔約6 m設置600 mm×600 mm頂部橫向連梁以改善臨時渡槽側壁受力,具體結構布置見圖16。

h.渡槽結構剖面圖。

臨時渡槽跨車站主體基坑,由上到下依次為:頂部連梁(含軌道梁)→渡槽側壁→運河→渡槽底板(含縱梁)→臨時立柱(600 mm×600 mm鋼格構柱)→臨時立柱樁(φ1 000 mm)。

臨時立柱間設置剪刀撐予以增強穩定性;臨時渡槽下依據圍護結構計算設置有4道鋼支撐+1道混凝土支撐,其中,根據回筑工況,設置有換撐,具體結構布置見圖17。

4 現場應用

4.1 工藝流程

車站主體基坑穿運河處主要施工工藝見圖18。

4.2 操作要點

1)渡槽范圍地連墻、鉆孔樁鋼筋籠吊裝。渡槽范圍地連墻鋼筋籠、鉆孔樁鋼筋籠頂面設計標高距離現場施工地面標高達7 m且場地狹小,鋼筋籠吊裝需采用超長吊筋。鋼筋籠吊裝前需對吊點設置、吊車站位及吊車行走路線等做專項設計并經專家方案評審,現場施工時需有專人管理。

2)渡槽范圍地連墻、鉆孔樁混凝土澆筑。渡槽范圍地連墻、鉆孔樁頂面設計標高距離現場施工地面標高達7 m,混凝土澆筑過程中,停灰面控制為操作重點。在澆筑混凝土前需對孔內進行不小于3次清孔,孔內泥漿需置換為新泥漿,稠度需滿足設計要求。

混凝土澆筑過程中,采用超長測量桿+測繩多方位進行量測,同時每間隔15 min對孔內泥漿稠度進行量測,防止出現夾泥現象,確保混凝土質量達到設計要求。

3)臨時河道導改。在渡槽施工前,需對河道進行臨時導改,臨時河道采取1∶2放坡成堤,堤壩設置土釘掛網支護。河道開挖嚴格按1∶2坡比進行,不得超挖,防止對坡面破壞,發生滑坡;放坡完成及時對坡面進行掛網支護。

4)渡槽鋼筋籠吊裝。因渡槽底部設計標高與施工地面標高相差7 m,且施工場地狹小,為保證施工質量及減少工期,渡槽鋼筋籠采用場地外制作后吊裝拼接。

渡槽結構梁、柱長度較大,為確保預先綁扎成型的結構梁、柱能順利與側墻、底板進行拼接,對鋼筋的綁扎間距、綁扎點位、吊點焊接、吊車站位、吊車行走路線等均需做好專項設計和施工管理。

5)渡槽側墻支模及澆筑。為保證渡槽澆筑質量,避免渡槽過水后出現滲漏水,要求渡槽側壁整體澆筑并做好養護。渡槽側壁最高7.4 m,寬0.4 m,支架嚴格按照渡槽施工專項方案0.6 m(橫距)×0.6 m(縱距)×0.9 m(步距)進行安裝,模板采用間距0.3 m×0.3 m止水拉桿進行加固,拼縫密實。

4.3 應用效果

臨時渡槽的成功應用,既滿足了地鐵車站的施工要求,又滿足了木光運河防洪、排澇和引水的功能,產生了良好的社會效益、環境效益和經濟效益(見圖19)。

1)社會效益。地鐵車站基坑穿河道設計的應用,縮短了工期、降低了成本,工程建設期間,減少了對周邊居民生產、生活的影響,取得了良好的效果,有效解決了地鐵車站基坑穿運河的難題。本項目車站的順利建成,得到了業主、水利等單位的一致認可。

2)環境效益。地鐵車站基坑穿河道設計保證了木光運河的防洪、排澇和引水功能,避免后期車站施工過程中運河倒灌基坑的風險,有效地保護了城市生態建設,保持了河流的自然地貌特征,控制了城市河水污染。木光運河西接太湖,穿經木瀆古鎮,南抵胥江,為一景觀河,運河的暢流保護了其沿線的旅游娛樂、交通運輸、人文教育等生態功能,對城市生態建設有著重要意義。

3)經濟效益。較“截流-臨時泵站引水方案”,采用“保流-臨時渡槽過水方案”,充分利用車站主體基坑既有臨時立柱樁作為豎向支承體系,節省了臨時泵站、箱變和管理用房的建設費用并節省了約300萬元的電費;較“截流-臨時河道引水方案”,采用“保流-臨時渡槽過水方案”,保證了盾構工籌,節省了因此產生的工籌調整費用,也保證了施工工期,同時減少了因臨時河道開通對周邊交通的影響。

5 結語

地鐵木瀆南站主體基坑穿木光運河設計的成功應用,有效解決了以下問題:

1)通過設置臨時渡槽,地鐵穿河道施工期間河道不斷流,保持了場地外沿河的自然景觀。2)通過設置臨時渡槽,減少了因河道臨改對周邊交通、環境的影響。3)通過設置臨時渡槽,保證了車站施工期間河道的防洪、排澇和引水功能。4)通過設置臨時渡槽,將河道規引于渡槽的可控范圍內,減少了河道對車站施工的影響。5)通過對渡槽結構的優化,在渡槽兩側設置龍門吊軌道梁,避免了因河道過車站造成的場地割裂。

地鐵木瀆南站主體基坑穿木光運河設計的成功應用,為車站基坑穿河道設計提供了一種新的思路,為同類工程積累了一定的經驗,對于河道較多、軌交建設需求大的地區,有重要的借鑒意義。