浅覆土、大断面车站主体冻结暗挖施工技术

周丹伟

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 工程概况

上海轨道交通18号线江浦路站沿江浦路南北走向，跨控江路路口，与已通车的轨道交通8号线江浦路站“十”字换乘。18号线江浦路站为地下2层岛式站台车站，顶板覆土约2.476 m；8号线江浦路站为地下3层岛式站台车站。换乘段靠近8号线南、北端，由于地面管线难以迁改，地处交通主干道，无法进行明挖施工，采用“MJS围护加固＋管棚＋冻结法”进行加固，矿山暗挖法进行施工的复合施工工法。暗挖段开挖尺寸最大23.7 m×12.92 m，为全国首例大断面、浅覆土车站整体暗挖施工（图1）。

图1 江浦路站冻结暗挖平面示意

2 特点、难点

2.1 浅覆土暗挖

暗挖段结构覆土浅、上部管线众多，南侧结构覆土2.6 m、北侧结构覆土3.08 m、南侧燃气管底覆土0.5 m、北侧电力管覆土1.1 m，南段顶部管棚与管线最近位置只有4 cm，施工时偏斜不易控制，容易引起地层沉降，管线影响大。为此，采用水平定向钻机、可视导向仪精确控制成孔偏斜。采用跟管钻进、跳孔施工、优质泥浆护壁、保压钻进等控制水土流失，一般不会造成地层上抬，若地层沉降，可在成孔后进行补偿注浆。施工前备好应急物资，施工时加强监测。开挖施工时在工程上方铺设厚2 cm钢板，尽量减少车辆对工程的影响。

2.2 暗挖断面大

暗挖段开挖尺寸最大23.70 m×12.92 m，挖土共计8 200 m3，相当于55个旁通道大小。为全国首例大断面、浅覆土车站整体暗挖施工。采取分区开挖，缩减开挖断面，开挖时严格控制冻结壁变形。

开挖破坏了周围土层原有的平衡状态，对周围施工区域范围内的土层产生了不同程度的扰动。为此，一是注意开挖前后的变化量，加强监控测量，二是应严格按照设计要求的施工顺序开挖，严格控制分台阶开挖超前与滞后关系，开挖之后初次支护应及时封闭成环，确保开挖后暗挖工程的周围应力均匀分布，确保顶板管理安全到位。

2.3 冻结周期长

整个冻结长达330 d，冻胀对地面及管线影响大，且易产生冻结管断裂情况，因此，采取管路分组连接分区开启冻结。为此，首先采用MJS工法对冻结暗挖段进行土体改良，改良后土体冻胀率显著减小。再分区分期进行冻结暗挖，减少同时冻结的冻土体积，将冻胀量分次释放，同时采用泄压孔、缓冻孔及时释放冻胀压力，必要时采用加热孔迅速卸载以及控制冻结壁发展。

严控冻结管材料、焊条质量；错开冻结管焊缝的位置；严控焊接质量，在钻孔开工前由焊工制作焊接试验件，检测合格后方可进行钻孔施工；现场每条焊缝完成后需冷却2 min方可进入地层，并编制防断管专项施工措施。监控盐水箱、冻结管流量变化，发现盐水泄漏及时处理。进行盐水泄漏、断管处理应急演练，提高处理效率。

3 浅覆土、大断面车站主体冻结暗挖施工技术

3.1 明挖与暗挖方案比选及确定

地下车站一般采取明挖顺作法施工，但本工程地处中心城区，与8号线换乘段交通繁杂、管线众多、地上公交电缆复杂，难以搬迁，采取明挖法施工工期长，成本大。进行方案比选分2大类：管线类方案及车站类实施方案。

3.1.1 路面抬高方案

采取明挖法施工，需先进行管线搬迁工作，第1阶段东西向管线只能从8号线顶板正上方走，8号线顶板覆土2 m，顶板上的南北向管线墙，从浅到深依次为：DN500给水，深0.55 m；DN500给水，深0.65 m；DN500燃气，深1.25 m；DN300燃气，深1.35 m；DN600雨水，深1.8 m。新排管线无法从老管线之间穿越，需叠放在现状管线上方。新排管线覆土不够，控江路路中心标高需要抬高1 m。并且施工期间需封闭控江路路口交通。经分析，将8号线控江路路面抬高1 m，无法满足新华医院及8号线车站的排水要求，并且交通翻交无法实施。方案不可行。

3.1.2 管线绕行方案

研究管线绕行方案的可能性，管线在通过十字路口区域前绕行，不通过施工路口区域。

此方案会受以下因素制约：新华医院大楼地下室与地下连续墙之间距离为5 m，并已被两港截留污水管占去1.5 m；紫荆广场地下室去除围护后与地下连续墙之间的距离为2 m；3号口到紫荆广场之间的三角区地下室顶板是抬高的，走不了管线；信息大厦与车站1号口之间距离为5 m，并有地块内的雨水管。因此，受新华医院、紫荆广场、信息大厦地下室限制，往江浦路东侧或西侧都没有足够的管位宽度进行搬迁，管线绕行方案不成立。

3.1.3 管线桥架空方案

同样，采取管线桥架空方案，东西向管线通过管线桥绕行。管线桥架空，立柱承台需处占用2车道，且管线下井时妨碍人行通行，架空管线桥与控江路电车线存在冲突，电车线距地面5 m。方案不成立。

3.1.4 盾构、顶管穿越方案

8号线预留换乘节点结构净为5 790 mm，采用外径6 600 mm标准盾构不具备通过条件。轨行区采用方形顶管，高度至少需要4 550 mm（限界）＋740 mm（轨道高度）＋450 mm×2（管片厚度)＝6 190 mm，且尚未考虑接收段落低要求，而现场条件下吊装口开口小，顶管整体管节无法吊放；浅覆土障碍物较多，顶管无法施工。

因此，要采用顶管、盾构等非开挖形式过站，必须对8号线轨行区顶板进行改造，施工需保证8号线运营正常，方案不可行。

3.1.5 冻结暗挖方案

结合之前的方案比选，本工程只能采取冻结暗挖进行施工[1-3]，但在冻结暗挖方案确认期间，项目部认为，采用传统的纯冻结暗挖施工，风险太大。如：浅覆土冻结冻胀的控制、确保施工期间交通不中断时上部道路及管线的安全、按结构尺寸冻结面最大截面为16 m×24 m，如何安排开挖顺序等问题，都需要一一解决。因此在冻结基础上，需增加保险措施，如增加管棚、增加土体加固措施、确定开挖顺序、结构施工顺序等。

最终项目部研发一种全新的冻结暗挖车站建造技术，采用“水平MJS＋管棚＋冻结法”复合围护体系加固，矿山暗挖法进行施工进行车站建造。

3.2 “水平MJS＋管棚＋冻结法”复合围护体系加固施工技术

3.2.1 设计方案的确定

1）冻结壁设计。拟建工程为矩形车站对接结构，因此冻结壁整体呈矩形布置，内侧根据开挖分区划分，设置“井”字形冻结壁，冻土强度的设计指标为：单轴抗压不小于3.6 MPa，弯折抗拉不小于1.8 MPa，抗剪不小于1.5 MPa（－10 ℃）。冻土帷幕两侧厚度为2.5 m，底部为3.0 m，中间冻结壁为1.6 m，顶部冻结壁1.0 m。底部及侧墙平均温度不高于－10 ℃，顶部冻土平均温度不高于－8 ℃。

2）管棚与冻结孔设计。本工程管棚规格采用φ273 mm×10 mm无缝钢管，横排和竖排管棚孔间距分别为450、500 mm。冻结孔采用2种布孔方式，一种为独立冻结孔，冻结孔规格采用φ127 mm×10 mm冻结管，一种为管棚内下放φ89 mm× 5 mm冻结管，管棚内用水泥砂浆充填。此外，为了监测冻结壁发展状况以及控制内部冻胀压力，分别布置测温孔和泄压孔。

3）MJS设计。施工区域分南北2个区域，南侧水平加固有效桩约16 m，北侧水平加固有效桩长约10 m。先施工顶部1排管棚，再对开挖面周围进行MJS加固，开挖区域采用梅花形布桩MJS加固。加固要求为MJS抗压强度不少于0.8 MPa，加固完成后土体满足开挖掌子面自稳。

4）初期支护设计。采用HW400 mm×400 mm、HW350 mm×350 mm和HW300 mm×300 mm型钢＋@22 mm连接钢筋＋φ8 mm（200 mm×200 mm）钢筋网片双层布置＋C25早强喷射混凝土支护，型钢间距1m。

3.2.2 管棚、MJS加固、冻结加固作用分析

本工程设计采用MJS、管棚、冻结加固3种工法复合加固方法进行开挖，施工时先进行MJS加固，然后施工冻结孔和管棚，施工中3种工法共同作用，以保证暗挖工法的顺利进行。各工法在本工程中的作用如下：

1）MJS加固：减少冻结期间土体冻胀量，减少冻胀对地面管线的影响，减少结构施工完成后冻土体融沉量，防止后期产生过大融沉导致结构开裂漏水；保证开挖期间掌子面稳定性；减少地下2层开挖期间顶部土体附加变形，增加上部土体稳定性；作为冻结加固的补充，增加工程的安全性。

2）管棚：由于本工程地面覆土较浅，如上方也完全采用冻结加固冻胀量必然较大，施工后期融沉亦难以控制，为减少冻胀和后期融沉量，顶部采用管棚和冻结相结合的形式，开挖期间开挖面顶部荷载由管棚承担，初衬型钢施工后由管棚将顶部荷载传递至初衬型钢支架上，管棚和初衬型钢支架共同承担顶部荷载。侧面管棚为增加两侧墙刚度，减少开挖期间侧墙变形，增加开挖期间安全系数。

3）冻结加固：冻土主要承担开挖期间两侧墙位置、底部位置水土荷载和顶部管棚形成完整的支护体系。底部及两侧墙位置的冻土为主要受力作用，顶部管棚间冻土使管棚间相互紧密结合，增加管棚横向稳定性，同时封闭上方水流。

3.2.3 MJS施工技术

MJS注浆压力大，施工期间容易出现串孔。通过研究确定了引孔及旋喷喷浆需有一定的间距，需要间隔1个孔位施工或等临桩达到2 d后施工。当侧墙施工无法实现跳桩时，需在水泥浆中加入早强剂，在不影响喷浆施工的前提下尽可能加快固结提早期强度，确保喷浆完成12 h后达到原始土强度，具体单桩施工顺序如图2所示。两侧施工采用2台设备，完成1根桩后需等待12 h施工下一根桩，施工时需在水泥浆液中加入早强剂，早强剂掺入量需根据试验确定，要求12 h后不低于原始土强度。

图2 跳桩施工示意

但由于实际工期需要，MJS与冻结管需要交叉施工，MJS没有条件跳二打一，等待12 h后施工。因此造成半圆MJS会出现串浆，保压困难，使得MJS施工时地面上抬，完成后地面又下沉，因此，调整设计，改成了全圆MJS。

局部MJS调整为全圆，相应地在北段MJS施工阶段，地面沉降得到有效控制。南侧MJS于2019年11月30日开工，于2020年3月26日完成。由于一开始使用半圆加固，且没有条件跳二打一，等待12 h后施工，造成前期地面沉降较大，最大沉降值12 cm，北侧MJS调整为全圆施工后，施工时有效控制了地面的沉降情况，最大沉降值4 cm。在施工中采用大面积的水平MJS加固工艺，对土体进行加固，加固效果良好，确保了开挖时开挖面无需放坡，开挖面可成85°～90°，土体自立性良好，无塌方现象。

3.3 车站分块分段分层暗挖、整体浇筑施工技术

3.3.1 施工技术路线

因整个冻结周期长达1年多，为解决大断面开挖的困难，减小冻胀影响，将整个暗挖段分层9个独立部分分区分期冻结，采取分块分段暗挖，整体浇筑的技术线路。本工程分为南、北2段工作区域，二者独立施工，单侧施工中采用先地下2层后地下1层的施工原则，减少结构沉降。

1）地下2层整体交圈后，开挖地下2层中硐上台阶，每开挖一个步距后及时进行型钢支架临时支护，随后喷射混凝土支护，每开挖3～4榀喷射顶部及两侧墙混凝土。

2）开挖中硐下台阶，开挖完成后侧墙、顶板、底板挂网喷射混凝土，每开挖3～4榀喷射顶部及两侧墙混凝土。

3）地下2层中硐施工完毕后，开始对地下2层左、右硐上台阶进行开挖，方法同上。

4）开挖左、右硐下台阶，开挖完成后侧墙、顶板、底板挂网喷射混凝土。

5）待地下2层开挖完成后，浇筑地下2层二衬结构，地下2层结构分底板、侧墙及梁柱、顶部第3次浇筑。

6）待地下2层二衬结构做完后，开始开挖地下1层中硐，开挖完成后侧墙、顶板、底板挂网喷射混凝土。

7）待地下1层中硐开挖完成后，同时开挖地下1层左、右硐，开挖完成后侧墙、顶板、底板挂网喷射混凝土。

8）待地下1层开挖完成后，浇筑地下1层二衬结构混凝土，地下1层结构分侧墙及梁柱、顶部第2次浇筑。

9）待地下1层浇筑完后，拆除钢支撑。

3.3.2 机械＋人工暗挖施工技术

暗挖段挖土共计8 200 m3，相当于55个旁通道大小。暗挖段分9个区进行开挖且初衬型钢密集，单个通道最小宽度2.0 m，最小高度3.3 m。常规挖机无法进入，最终选定设备进口BROKK机器人和小挖机上、下台阶法施工，局部土体进行人工开挖，加快整个开挖速度，缩短初衬形成时间。

3.3.3 混凝土浇筑技术研究

本工程结构底板厚1.1 m，两侧侧墙厚1 m，中板厚0.45 m，结构顶板厚0.9 m。因整个混凝土浇筑需在暗挖段内进行，需在地面接浇筑管，泵送浇筑，尤其是中板、顶板混凝土需从下往上浇筑，要求较高，采用C40P8防水、高耐久性自密实聚丙烯纤维混凝土浇筑，部分采用粒径5～10 mm的石子，充分填充中板、顶板。因初衬型钢浇入结构内增加结构渗漏水风险，底板分2次浇筑，第1次0.9 m，待整个2层结构完成割除型钢后，浇筑第2层厚0.3 m底板。高穿透自密实混凝土性能指标：坍落度250 mm±30 mm，初始扩展度700～780 mm，流淌半径6 m，初凝时间10～14 h，终凝时间13～16 h。

4 结语

江浦路站受暗挖空间限制，采取分块分段暗挖，现场作业以小微型机械设备为主、人工为辅。自打设第1根冻结管开始，至地下1层结构顶板封顶结束，历时399 d，挖土达到了8 200 m3。每个暗挖段开挖断面最大23.70 m×12.92 m，顶部管棚与管线最近位置只有4 cm，为全国地铁首例大断面、首次在浅覆土（杂填土）车站整体冻结暗挖施工的工程。本工程在复杂环境、交通无法中断、管线无法搬迁的十字换乘车站处采用了“水平MJS＋冻结＋管棚”复合加固，在其他类似的超浅覆土、交通管线无法搬迁的工程中具有可复制、可推广性。