深圳地铁人民南站复杂环境下设计与施工

丁先立

(广州地铁设计研究院有限公司， 广东 广州　510010)



深圳地铁人民南站复杂环境下设计与施工

丁先立

(广州地铁设计研究院有限公司， 广东 广州510010)

地铁工程设计与施工常受到地面建筑、交通、地下管网或构筑物、施工场地和地质条件等复杂因素的影响，工程实施难，工期不可控。本文针对上述问题并结合工程实例提出以下解决方案：1)通过优化结构设计，将大跨度无柱结构与叠合墙结构相结合，满足狭窄空间下的车站净空要求； 2)采用盖挖逆作法，解决交通疏解和管线改迁困难，并提高基坑安全性； 3)采用盖挖逆作+先隧后站技术解决个别站点工期不可控问题。该方案在工程实施中取得了显著效果，保证了工程在狭窄空间和复杂环境下按时、安全实施。

地铁工程； 狭窄空间； 复杂因素； 盖挖逆作法； 先隧后站法； 优化设计

0　引言

城市地铁多采用暗埋地下的线路敷设方式，由车站、区间隧道和车辆基地组成。车站和车辆基地多采用明挖法[1-5]施工，区间隧道多采用暗挖法[6-8]施工。地铁车站一般设置在客流较密集的城区，规模大、建设工期长，其实施过程一方面对城市正常运转和居民生活影响大，另一方面也受城市既有建(构)筑物的条件制约，工程施工困难。

近年来，地铁车站采用盖挖法[9-12]技术以解决交通问题，采用叠合墙[13-15]结构形式压缩车站规模以缓解施工场地受限问题，采用先隧后站[16]技术缓解车站工期压力，均取得了成功。这些方法能够保证工程安全，缩短工期，缓解城市压力；但是这些技术措施多单独运用，以解决特定问题，不能有效解决复杂环境下地铁车站实施问题。因此，将多种技术措施相结合、灵活运用和创新发展具有更重要的意义。

目前，关于地下结构设计和施工技术方面，国内学者已经取得了一定的研究成果。如李晓春[17]研究了超深叠合墙结构工作性态；农兴中[18]对大跨度主柱地铁车站进行了技术和经济对比分析；杜玉霞等[19]对地铁先隧后站技术方案的优缺点进行了分析，提出车站需要加宽加深。上述成果主要针对单一问题进行研究，有其局限性，如采用先隧后站技术需要加宽车站，在狭窄空间环境下就难以实施。鉴于此，本文以深圳地铁9号线人民南站工程为背景，研究将叠合墙技术、大跨度无柱结构技术、盖挖逆作技术和先隧后站技术相结合，并进行优化和创新，以解决复杂环境下地铁车站设计与施工的一系列难题，为类似工程的设计和施工提供参考。

1　工程概况和施工难点

1.1工程概况

深圳地铁人民南站位于罗湖区，呈东西向布置，车站长167 m，底板底面埋深28.3 m，宽18.6 m，为地下3层大跨度无柱车站；车站北侧距离高架桥桩基最近为1.4 m，南侧距离建筑物最近为2.6 m，车站顶板上为2孔3 m×1.6 m雨水箱涵，埋深4.1 m，无法同时进行改迁；车站一半处于断层破碎带范围。人民南站与周边建筑物及箱涵管线如图1所示。

图1　人民南站与周边建(构)筑物关系图(单位：m)

Fig. 1Relationships between South Renminlu Station and surrounding buildings (m)

人民南站设计客流量为23 206人次/h，根据计算，车站站台宽度需要8.6 m，设计取9 m。

1.2工程难点

1.2.1雨水箱涵改迁问题

车站顶板上的2孔雨水箱涵总宽度达6 m，且位于车站顶板中部，必须先对其进行改迁，车站才有施工条件；但车站周边场地狭小，没有改迁2孔箱涵的场地，只能建1孔箱涵用以中转。因此，车站顶板上的雨水箱涵势必要通过中转箱涵反复导改，影响工期。车站必须采用盖挖法施工，顶板上还至少存在其中1孔箱涵，施工风险高。

1.2.2建(构)筑物加固问题

人民南站北侧高架桥桩基埋深仅达到车站负2层板深度，距离车站基坑地下连续墙最近距离仅1.4 m，地层为破碎带，地下连续墙开槽施工期间极易扰动地层，引起槽壁坍塌，从而引起桥桩位移，造成桥梁开裂、结构损坏甚至灾难性事故；德兴大厦桩基距离车站基坑地下连续墙也仅4 m左右，同样存在风险；车站一半位于破碎带，地下水丰富，涌水量大，基坑施工期间容易造成地下水流失，从而引起周边建(构)筑物沉降，需要研究安全可靠的加固处理措施，以确保车站施工期间及运营后周边建(构)筑物的安全。

1.2.3施工工期问题

本站埋深28.3 m，为地下3层车站，车站半边地下连续墙结构位于高架桥下，施工作业高度受限，连续墙钢筋笼只能分4段吊装，影响工期；车站顶板上的2孔雨水箱涵只能同时改迁1条，需要反复导改，影响工期；车站采用盖挖法施工，出土和进料作业面小，施工进度指标低，影响工期；车站采用盖挖法施工，顶板上有雨水箱涵，车站不具备盾构吊出和始发条件，只能采取盾构从车站内通过方案。综上，根据工期测算，本站施工工期极为紧张，若按照传统的施工工序，即待车站主体施工完成后再施工两端区间隧道，则势必影响两端区间以及相邻车站施工工期，须采用特殊的施工工序——先隧后站来解决。

1.2.4先隧后站问题

先隧后站是在车站范围内先施工区间隧道，后施工车站主体结构的施工方法。本区段区间隧道采用盾构法施工，车站采用盖挖逆作法施工。按传统的先隧后站设计方法，为满足盾构区间限界要求并满足一定的安全施工距离要求，车站标准段需要加宽，每侧至少要加宽0.8 m，这将进一步减小车站与周边建筑物之间的有限距离，严重恶化施工安全条件，需要通过研究新的设计方法来解决。

2　工程方案设计

2.1建(构)筑物加固设计

2.1.1春风路高架桥桩基加固

春风路高架桥桥下净空为8～10 m，为连续梁桥结构；桥桩桩径为1.2 m，桩端持力层位于断层破碎带上(标高位于车站负2层板位置)，为端承摩擦型钻孔灌注桩，基桩外缘距离基坑围护结构外缘最近距离仅1.4 m，明挖基坑施工极易引起地层变形和水土流失，导致桥桩产生位移，从而引起桥梁承台差异沉降和桥体开裂，影响桥梁结构安全和耐久性。对此设计提出采用扩展原桩基承台，并在原桩基周边增加新基桩，新旧基桩共同受力的加固技术，如图2所示。

(a) 原桩　　(b) 周边施做新基桩　(c) 扩展承台共同受力

Fig. 2Diagram of reinforcement scheme of pile foundation of Chunfenglu Viaduct

加固桩采用直径为1.2 m钻孔灌注桩，配筋与原桩相同，桩长35 m，比车站围护结构底深约1 m。新建承台包裹原承台，施工时将原承台凿毛，上部铺设新承台面筋，下部设置新承台底筋，中部用抗剪钢筋连接，形成整体，共同承担上部荷载，施工过程中不影响桥梁的正常通行。

2.1.2德兴大厦加固

德兴大厦地面以下有1层地下室，地面以上有30层，基础为钻孔灌注桩，桩径0.8～1.0 m，桩长与车站底板底面埋深相近，其桩基距离车站围护结构最近约4.6 m。根据地质勘察资料，基坑上半部分位于砂层或糜棱岩层，下半部分位于断层，地层条件差，围护结构施工极易引起地层变形和水土流失，从而影响建筑物安全，设计需要考虑对建筑物进行加固处理。加固方案如图3所示。

图3　德兴大厦加固方案

图3中，在地层为砂层和糜棱岩层范围，围护结构施工时，先在围护结构两侧采用双管旋喷桩加固地层，旋喷桩直径为0.6 m，间距0.45 m，相互咬合，形成挡水和挡土帷幕；在基坑下半部分的糜棱岩范围，地层破碎且水量大，为确保围护结构施工不造成槽壁塌方，采用袖阀管对地层进行加固处理，填充岩石裂隙，阻断渗水通道。

2.2车站主体结构设计与施工

2.2.1结构设计

车站上方有2孔雨水箱涵，根据现场条件，只能改迁1孔，车站需要采用盖挖法施工，以满足箱涵改迁和施工场地需求。由于车站两侧建筑物间距较小，能施工的范围仅20.6 m，考虑施工机具安全操作距离要求，无法布置一个标准车站。由于车站紧邻城际交通枢纽，客流量大，为此，本站设计为大跨度无柱车站，有效站台宽度为9 m；采用叠合墙结构，主体结构与围护结构共同受力，以减小车站宽度；为保证周边建筑物安全，节约施工场地，本站采用盖挖逆作法施工。车站各部分结构尺寸如图4所示。

图4　车站各部分结构尺寸(单位：mm)

在图4中，主体结构各层板的钢筋深入连续墙中锚固，与连续墙采用钢筋接驳器连接；主体结构侧墙与连续墙用连接筋连接，以保证主体结构与围护结构形成整体，共同受力；顶板设计带有较大腋角，形成拱的受力效应，以减小结构厚度，承载顶板上的各种荷载。主体结构仅在顶板和底板设置外包防水层。

2.2.2计算模型

根据地下工程的受力特点，车站主体结构按平面框架受力进行内力分析：地下连续墙按施工阶段单独受力和使用阶段与内衬墙共同受力2个阶段受力最大包络考虑，承受侧向水、土压力(水土压力按水土分算考虑)；主体结构顶板承受上覆土压和地面20 kPa超载，底板承受地基反压力和水压力，地基反力系数根据地质勘察报告取值，计算软件采用Sap2000V15。

2.2.3施工步骤

本站采用盖挖逆作法施工，各层结构板自上而下施工，基坑开挖时，兼做基坑的横向支撑，以有效控制基坑变形。主要施工步骤：第1步，施工围护结构，根据场地条件在高架桥2桩基之间新建1条中转雨水箱涵；第2步，将基坑右侧雨水箱涵废弃，将水导入中转雨水箱涵内，施工车站右侧顶板；第3步，在右侧已经施工完的顶板上恢复原箱涵，同时将左侧箱涵的水导入中转箱涵中，废弃左侧雨水箱涵；第4步，自上而下施工各层板，在左侧的各层板上预留施工进料和出土孔；第5步，自下而上施工各层侧墙，恢复左侧雨水箱涵，废弃中转箱涵，恢复道路；第6步，施工车站内部结构和附属结构。主要施工步骤如图5所示。

(a)第1步:施工围护结构,新建箱涵。(b)第2步:施工中立柱,改1孔箱涵,施工半边顶板。

(c)第3步:恢复1孔,改第2孔箱涵,施工另半边顶板。(d)第4步:分层自上而下施工各层板。

(e)第5步:恢复第2孔箱涵和路面。(f)第6步:施工附属和内部结构。

图5车站主要施工步骤

Fig. 5Main construction processes of station

2.2.4相关问题探讨

1)叠合墙结构防水问题。叠合墙结构的侧墙是由地下连续墙和内衬墙叠合而成。地下连续墙先施工，墙的厚度为1 m，刚度大；内衬墙后施工，墙厚度为0.4 m和0.5 m，刚度小。后施工且刚度小的内衬墙在混凝土浇筑后发生收缩和徐变，其变形受到先施工且刚度大的连续墙约束，在混凝土内将产生大量不规则细裂缝，这是导致叠合墙结构漏水的主要原因，目前尚无有效的防治措施，有待进一步研究。

2)连续墙与内衬墙之间设置连接钢筋的利弊。根据叠合墙结构的设计要求，连续墙要与内衬墙共同受力，两者之间不能有相互滑动。这要求在内衬墙施工前凿毛连续墙与内衬墙连接面，并在两者之间设置连接的钢筋，以满足叠合结构的受力要求；亦防止连续墙渗漏水后，在连续墙和内衬墙之间形成水幕，水压力直接作用在刚度较小的内衬墙上，导致内衬墙破坏，这是在连续墙和内衬墙之间设置连接钢筋的有利面。连续墙与内衬墙之间设置连接钢筋后，一旦连续墙有渗漏，则渗漏水容易沿着连接钢筋渗透到内衬墙内，形成渗漏通道，这是连接钢筋设置不利的一面。具体施工时，需加强连续墙的防水质量控制。

2.3先隧后站方案实施

2.3.1车站内线路设计

本站由于受雨水箱涵和施工场地影响，采用盖挖逆作法施工，即各层结构板的施工顺序是自上而下施工；同时，本站受到施工工期影响，前后区间隧道的施工进度较车站快，根据工程筹划，车站围护结构和顶板施工完成后，盾构区间即需要从车站内穿过，从而形成在车站内先施工区间隧道，后施工负2和负3层板，破除车站内的区间隧道，再施工底板和侧墙的施工工序。

在车站范围内，若线路按永久线路敷设，由于盾构区间隧道断面较大，盾构在车站标准段将与围护结构冲突，如图6所示，需要将车站加宽。

图6　盾构区间隧道与围护结构冲突示意图

Fig. 6Sketch diagram of relationship between shield tunnel and retaining structure

由图6可知，盾构施工的外轮廓在车站标准段已经与地下连续墙冲突，再考虑施工安全距离，车站标准段地下连续墙每侧至少需要外移0.8 m，车站需要加宽1.6 m，车站规模加大，投资增加，且没有场地施工。

为解决上述问题，节约施工空间，避免围护结构外扩影响周边建筑物安全，需将车站范围内线路优化，采用临时线路向车站内部偏移。该临时线路需满足3个条件：一是不与标准段围护结构及中间临时立柱冲突；二是车站范围内的临时隧道拆除后，轨道可以按永久线路敷设，车站内的临时线路对车站两端区间永久线路无影响；三是临时线路应满足盾构掘进的最小半径要求。据此，车站范围内临时线路采用250～350 m的小半径S型弯向车站内部偏移，偏移开始点和结束点都在车站端头连续墙内侧与线路交点处，临时线路平面图如图7所示。

图7　先隧后站的临时线路平面图

Fig. 7Plan of temporary alignment of scheme of tunnel first and station followed

临时线路与永久线路在车站标准段剖面关系如图8所示。

图8　先隧后站的临时线路剖面图

Fig. 8Profile of temporary alignment of scheme of tunnel first and station followed

采用临时线路后，仅需要在车站两端小范围将车站宽度加宽，标准段维持原车站宽度，节约了施工场地和工程造价。

2.3.2隧道与车站接口处理

本站采用先隧后站施工，车站施工完负2层底板进入负3层土方开挖时，逐渐将车站内的隧道结构暴露出来，拆除车站内隧道结构后方可施工车站底板及侧墙，并处理车站与区间隧道的接口。接口处理前与处理后对比图如图9所示。

(a) 接口处理前

(b) 接口处理后

Fig. 9Comparison between connection before treatment and that after treatment

由图9可知，在区间与车站接口位置，需要局部破除围护结构和盾构管片，施做接口环梁。破除部分连续墙和施工接口环梁的过程中，连续墙与管片之间形成渗漏通道，引起水土流失，施工前要对地层进行加固处理。设计采用在车站内施工3排6 m长袖阀管注水泥-水玻璃浆液对地层进行加固，形成环形保护罩，注浆管环向间距1 m，径向间距0.3 m。注浆管布置立、剖面图如图10所示。

(a) 立面图

(b) 剖面图

Fig. 10Elevation and profile of grouting reinforcement of connection

3　工程实施效果

目前车站主体结构已经全部施工完成，正在进行站内机电设备系统安装调试。

3.1春风路高架桥加固实施效果

根据施工过程记录，在车站主体工程施工过程中，春风路高架桥最大累计桩基沉降为27.59 mm(此时正在施工车站底板)，满足规范规定的沉降差要求，其沉降过程如图11所示。

3.2德兴大厦加固实施效果

德兴大厦经过注浆加固隔离后，其建筑物角点最大累计沉降为8.26 mm(此时正在施工车站底板)，满足规范规定的建筑物沉降差要求，其沉降过程见图12。

Q1—Q14为被监测桩的编号，编号后面的距离如2 m表示该桩距基坑边的距离。

图11春风路高架桥累计沉降量图

Fig. 11Cumulative settlement of Chunfenglu Viaduct

DXF1—DXF14为德兴大厦被监测的建筑物角点编号。

图12德兴大厦累计沉降量图

Fig. 12Cumulative settlement of Dexing Mansion

3.3叠合墙结构实施效果

3.3.1连续墙实施效果

人民南站采用地下叠合墙结构，并采用盖挖逆作法施工，连续墙作为永久结构参与受力和防水，连续墙与主体结构各层板的钢筋通过钢筋接驳器连接，其施工质量是关键。

车站连续墙长33 m，墙幅宽4 m。连续墙成槽时，先用2台冲孔桩冲孔，再用液压抓斗机器成槽；遇到硬岩段，冲孔机冲孔前，先用φ100 mm钻机引孔，连续墙成槽示意图如图13所示。

北侧连续墙受高架桥影响，桥下净空仅8 m，钢筋笼吊装不能采用大型设备，只能采用低净空、吊装能力强的随车吊，将钢筋笼长度控制在8 m以内，分5段吊装，分段间用钢筋接驳器连接。车站南侧钢筋笼采用整体吊装，由于连续墙距离德兴大厦仅2.6 m，考虑到吊装过程钢筋笼的摆动容易与建筑物产生碰撞，现场对吊装工况进行模拟，对吊装设备走行路线进行演示，尽可能减少吊装设备的移动，以减少吊装行动引起的吊钩和吊绳的惯性移动，特别是在钢筋笼吊装就位过程中避免移动。

经过现场精细准备和严格控制，车站地下连续墙施工质量良好，混凝土浇筑质量、垂直度及渗漏水情况满足规范要求。

(a) 整体图

(b) 局部放大图

Fig. 13Sketch diagram of construction of underground diaphragm wall (mm)

3.3.2叠合墙结构实施效果

车站地下连续墙钢筋笼虽然分成5段吊装，但施工过程控制严格，钢筋接驳器的上下偏差严格控制在10 mm以内，且接驳器得到了很好的保护，其利用率接近93%(设计时考虑接驳器一般利用率达不到100%，预留10%冗余)，有效保证了围护结构与主体结构连接部位受力传递，保证了结构安全。内衬墙施工顺序安排在各层结构板施工后，且采取分段施工，每段控制在8 m以内，充分保证混凝土养护质量。施工前对连续墙渗漏水进行了全面排查和处理，内衬墙施工完成后，未见开裂和渗漏水现象。本站是全线唯一一座叠合墙结构防水效果与复合墙结构效果相当的车站。

3.4先隧后站技术实施效果

本站先隧后站方案实施顺利，虽然在车站内的临时线路需经过2个小半径S型弯道，但施工过程控制严格，隧道施工最大偏差在35 mm以内，且在车站端头接口位置基本控制无偏差，在拆除车站内管片后，车站两端的永久线路与车站内永久线路实现了无偏差顺接。

4　结论与讨论

1)采用大跨度无柱结构和叠合墙结构相结合的技术措施可适当压缩地铁车站的规模，适合在施工场地小、车站宽度受限的情况下采用；采用盖挖逆作法施工的车站也可以采用先隧后站技术，以解决工期问题；为控制车站规模，节约施工场地和投资，采用先隧后站技术时，可考虑在车站范围内设计向车站内偏移的临时线路，以减小车站标准段宽度，临时线路在车站端头与永久线路顺接。

2)对于桥梁和高层建筑等特别重要的建筑物加固保护，可采用扩展承台、增加桩基的加固处理方案，新旧桩基共同受力，分担荷载，以解决原有桩基长度不足或需局部截断处理的问题。

3)叠合墙结构已经有了一定的理论基础和工程实践经验，但尚不成熟，特别是对内衬墙微裂缝防治的问题研究较少，普遍反映的情况是叠合墙结构更容易渗漏水。通过本工程的实践，认为可能有效的解决方案是将连续墙作为永久结构，切实保证好连续墙的施工质量，做好连续墙的渗漏水治理，完全依赖连续墙防水，内衬墙参与结构受力，并作为结构自防水的安全储备。尽管如此，内衬墙的微裂缝防治依然十分重要，需要从混凝土的凝期收缩特性和减少收缩约束等方面做进一步研究。

4)大跨度无柱车站的实用性和舒适性都较有柱车站有明显优势，在站台有效宽度相同的情况下，可以压缩车站规模；但目前大跨度无柱车站的跨度有限，能实现的站台宽度常见为9 m左右，难以满足城市轨道交通越来越大的客流需求，建议对更大跨度的无柱车站做进一步的技术和经济方面的研究。

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Design and Construction of South Renminglu Metro Station in Shenzhen under Complex Environment

DING Xianli

(Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510010, Guangdong, China)

The design and construction of Metro engineering are usually affected by buildings and traffic on the ground, underground pipelines, structures, construction space and geological conditions, etc. As a result, countermeasures are given as follows: 1) The large span non-column structure is combined with composite wall structure so as to meet the construction space requirements. 2) The cut-and-cover top-down method is adopted so as to guarantee the traffic on the ground and replacement of pipelines and improve the safety of foundation pit. 3) The construction schedules of some stations can be guaranteed by using cut-and-cover top-down method and construction scheme of tunnel first and station followed. Good effects have been achieved.

Metro project; narrow space; complex factors; cut-and-cover top-down method; tunnel first and station followed method; optimization design

2016-03-10;

2016-06-01

丁先立(1979—)，男，安徽合肥人，2005年毕业于湖南大学，结构工程专业，硕士，高级工程师，主要从事城市轨道交通设计和研究工作。E-mail：48856412@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.011

U 455

B

1672-741X(2016)08-0960-08