车站一体化群洞临近设计施工方案优化及应用

陈金刚，李金伟

(北京住总集团有限责任公司,北京 100101)

0 引言

近几年,为落实北京市政府《关于加强轨道交通场站与周边用地一体化规划建设的意见》,规划建设地铁线高度重视“站城融合”发展理念及站、场一体化规划建设工作,地铁车站出入口设置不仅要满足功能需求,还要考虑与周边景观、交通体系合理衔接,实现车站景观与周边环境紧密融合[1]。其中7号线东延工程中万盛南街西口站通过一体化下沉广场的设置实现地铁与相邻规划交通枢纽的便利衔接,并将车站出入口、安全疏散口、新(排)风道及一同化通道等附属消隐于地面之下,充分实现了轨道交通与城市环境、交通紧密融合的特点。这样一来,车站与一体化下沉广场需要通过多个通道连接实现功能需要,通道断面尺寸大小不一,部分断面尺寸相对较大且上下、左右间距较近,从施工安全性、经济性及对社会影响相对较小原则考虑下,采用矿山法施工。为减小通道相互沉降叠加对风险源影响,并结合北京市政府对地下水保护的大背景下,利于环保采取注浆止水、超前小导管注浆加固土体,优化通道施工顺序及进洞方式等,通过现场监测数据得出,以上设计施工方案施工安全、经济合理、工期得到保证,为后续施工提供参考。

1 工程概况

地铁7号线东延工程万盛南街西口站处于万盛南街和通马路交叉口东侧,是一座地下4层车站,将来与位于通马路上规划的S6线车站进行连通实现换乘,本站与S6万盛南街西口站为换乘车站,7号线在下,S6线在上。车站南侧一体化下沉广场位于万盛南街南侧,内部集出入口、安全口、新(排)风道、一体化通道及未来与相邻综合交通枢纽实现连通的集散广场,结构南墙预留与南侧规划综合交通枢纽实现连通的条件(如图1所示)。一体化结构与地铁车站连通通道段采用矿山法施工,其余采用明挖法施工。一体化明挖基坑长258 m、宽13 m～15 m、深度2 m～21 m,围护结构采用φ800@1 500/φ1 000@1 400 mm灌注桩+φ609×16 mm的钢管支撑。通道中除1号、2号安全全口采用台阶法施工外,其他通道均采用CRD法施工。

主要管线为沿万盛南街铺设的东西向φ800 mm上水管线(管顶标高22.29 m),其与明挖基坑水平净距约为9 m,上述各通道均下穿该管线,与其竖向净距分别为:新(排)风道11 m,D出入口6.38 m,1号安全口13.2 m,2号安全口0.64 m,C出入口6.38 m,一体化1号、2号通道0.66 m。

2 地质水文情况

根据详勘报告,车站范围内土层划分为人工堆积层、第四纪冲洪积层。车站范围上部主要位于填土、粉土、粉质黏土层,车站中部位于粉土、粉质黏土层、粉细砂层,中粗砂层,车站底部位于粉质黏土层,局部有粉细砂层。

车站范围赋存两层地下水,分别为层间水(三)和承压水(六)。根据实测水位,除2号安全口,层间水(三)和承压水(六)水位标高位于暗挖结构底板以上,因此对于暗挖结构,采用超前全断面深孔注浆加固止水。

3 设计施工方案确定

万盛南街西口站南侧附属结构原设计方案为各个小单体结构分离设置、单独施工。后因落实北京市轨道交通车站与周边地铁一体化开发结合要求,为后续南侧地块地下空间与地铁地下空间更好地连通,在车站南侧设置一体化下沉广场,将南侧附属结构统一全部消隐于一体化下沉广场结构内,这样既实现了附属结构各项功能,又为后续一体化连通创造了条件。连接一体化下沉广场和车站暗挖通道原设计施工方案是从一体化下沉广场基坑对各暗挖通道采取加固措施,而后进洞开挖,过程中因拆迁、占地及管线改移等前期工作制约,迟迟无法开工。因暗挖通道车站端未提前进行超前加固处理,车站主体结构已施工完成,如再对暗挖通道施作超前支护,则将对车站主体结构造成严重破坏,为确保通车验收节点工期,同时减小对车站结构的破坏,根据车站内机电、装修场地情况,通道开挖调整为从车站内和通道端头增设临时竖井方式进行先期暗挖通道开挖,车站内利用站内预留吊装口进行材料、设备吊装及应急等工作。

3.1 开挖顺序及超前加固方式确定

由于各暗挖通道上下、左右位置关系较近,为减小同时开挖引起地层沉降相互叠加影响致沉降值超标[2],施工前,对通道开挖先后顺序及具备条件进行统一筹划。总体开挖顺序为“竖向先下后上、水平先左后右、断面先大后小、近距一个二衬完成后再开挖另一个”的原则。具体顺序为先施工最下面的排、新风道和1号安全口,待其初支贯通、二衬施工完毕且监测变形稳定后,再施工上面的D出入口;D出入口初支贯通、二衬施工完毕且监测变形稳定后,再施工上面1号一体化通道;两个风道中一个初支贯通、二衬施工完毕且监测变形稳定后,再施工另一个风道。

根据北京市政府相关部门的要求,结合地质水文情况,为了节约、保护地下水资源,南侧附属地下水处理采用深孔注浆堵水(除1号、2号一体化通道及2号安全口外),结合开挖断面所处水层类型加固范围有所不同,层间水(三)水位以上初支外缘外1 500 mm围成断面全部,层间水(三)水位以下初支外缘外3 000 mm围成断面全部。深孔注浆压力控制在0.8 MPa～1.0 MPa,扩散半径为0.5 m,浆液采用水泥-水玻璃双液浆[3],注浆过程中根据地层条件添加调节浆液凝结时间和可注性的外加剂,确保注浆效果。注浆加固分段进行,每段注浆长度8 m,开挖6 m,搭接2 m,各段注浆前,封闭掌子面并设止浆墙。加固后土体无侧限抗压强度应为0.8 MPa～1 MPa,渗透性系数不得大于10-6cm/s。注浆加固顺序由内向外进行,加固完成后采取钻芯取样评定加固强度,并结合掌子面打设探孔来检测止水渗透效果[4](如图2,图3所示)。特别注意断面拱顶位于细中砂层时,做好超前支护措施。

暗挖通道初支为C25早强喷射混凝土;钢筋网采用φ6@150 mm×150 mm,内外双层设置;初支格栅连接螺栓采用4.8级普通螺栓(C级)、螺栓(AM24×70 GB45-66)及螺母(M22 GB16-66);纵向连接筋为HRB400直径22 mm,环向间距1 m,内外双层设置;临时型钢支撑为Q235B钢、Ⅰ22a。超前支护为DN32(t=2.75 mm)超前小导管和直径108 mm大管棚,小导管和大管棚内灌注水泥浆(见图4)。

因连通车站一层2号安全口通道正交下穿DN800上水管,且上水管与初支开挖外边缘净距只有0.84 m,考虑减小因开挖引起沉降对上水管影响,采用大管棚作为超前支护。因受车站主体结构影响,车站一侧不具备打设大管棚条件,受一体化主体结构进度制约,一体化结构侧也不具备施作条件,为实现打设大管棚条件并提前进行暗挖通道开挖,确定在通道与一体化交界处增设临时施工竖井,利用竖井进行暗挖通道施工,施工后进行回填处理。2号安全口通道埋深较浅,所处位置受地下水影响较小,临时竖井采用倒挂井壁法施工(见图5)。

3.2 暗挖通道进洞方式确定

车站与一体化下沉广场连通各功能性暗挖通道(除2号安全口、1号、2号一体化通道外)结合现场实际条件,从施工安全性、工期、造价及对既有结构影响等方面综合考虑,对进洞方式由超前支护作用下直接破桩一步到位进洞方式调整为逐榀过渡进洞+后期换拱方式。自洞口环梁范围内按照正洞采用CRD工法各导洞先后开挖顺序分别破桩进洞,由于洞口环梁内轮廓低于待开挖隧道初支外轮廓,通过标准段结构横断面尺寸及渐变处高度变化情况重新拟合断面,确定进洞段不小于4 m范围内设置9榀钢架渐变过渡至标准段钢架,渐变断面起拱线以下与标准断面一致,在起拱线以上应注意平滑过渡,以保证钢架合理受力。

破桩进洞时,自车站结构墙外皮开始,施作初期支护,进洞处连立三榀格栅钢架[5],同时确保凿除的侧墙外围护桩下1 m范围内有两榀格栅钢架。为确保首榀拱部钢架自稳,格栅钢架通过辅助钢筋与破除后的围护桩钢筋焊接固定。破桩进洞后,拱顶部分段落仰挖施工,自桩下第3榀钢架施作一环超前小导管,小导管打设范围为拱部120°、长度为4 m、外插角为25°、单排环距300 mm,施工至平坡段后,因已采取全断面注浆加固,不再打设超前小导管。过渡段与标准段格栅钢架钢筋主筋一样,其余辅助钢筋参考标准段构造钢筋,结合后期换拱综合考虑钢架分节及预留节点板位置情况。进洞段6 m范围内格栅钢架及临时支撑的连接筋加密[6],环向间距由1 m调整为0.5 m,下导洞上台阶施工时,应在临时仰拱下方设置一道Ⅰ20a临时横撑(见图6)。

待正洞封闭成环长度施工不小于10 m,且洞口初期支护监测稳定后,根据开挖过程中土体加固效果,确定对过渡段拱部180°范围内地层再次进行补注浆,注浆压力控制在0.5 MPa～1 MPa,注浆过程中,根据实际情况进行动态调整,做好对初期支护的监测及巡视。正洞封闭成环长度施工不小于15 m后,开始返回由内而外对过渡段起拱线以上9榀初期支护及水平临时支撑逐榀换拱,破除拱架时应由上而下,左右导洞逐榀分步施工,严格按照“破一榀、换一榀、喷一榀”的原则进行施工[7](如图7所示)。破除开始前,准备一定数量的型钢钢架及其他应急物资,过程中做好监控量测工作,确保信息化安全施工。

4 现场施工及监控量测

连通车站与一体化下沉广场的出入口、风道及一体化暗挖通道采用CRD法开挖,1号、2号疏散安全口采用台阶法开挖。破除洞门桩前,按照重点工序条件核查要求对队伍资质、作业人员、土体加固效果、施工材料设备、应急物资等进行现场验收,满足要求后方可进行洞门桩破除[8]。洞门桩分导洞依次进行破除,每个导洞破桩时自两端向中间、先上后下的顺序进行。破桩前要仔细检查桩顶与冠梁等构件连接的牢固性。洞门桩破除完毕后立即在其下连立三榀格栅,格栅与围护桩钢筋通过辅助筋连接牢固,由于进洞至设计断面范围为仰挖施工,为确保拱顶土体稳定性及人员的安全性,开挖前施打超前小导管并注水泥浆作为超前支护。由于一体化明挖结构进度较慢,暗挖通道开挖至一体化端头分三种情况进行处理:第一情况为一体化结构施作完成,直接挖至端头破桩,施作二衬一步到位;第二情况为一体化基坑土方开挖完成未施作结构,挖至端头不进行围护桩破除;第三种情况为一体化围护结构未施作,为确保围护桩安全施工,挖至距端头3 m处暂停,封闭掌子面,待围护桩、结构施作完成后再破桩连接。针对洞口处的钢支撑支撑位置提前优化,确保支撑位置不处于暗挖通道断面范围。

施工前,根据风道、D出入口、2号安全口及一体化暗挖通道与DN800上水管位置关系,地面及管线布置3个沉降监测断面(如图8所示),断面与断面间距离为6.5 m(掘进方向)、断面上监测点距离为3 m～4.5 m,洞内拱顶及净空收敛监测点与地面设置对应[9]。施工过程中,按照各暗挖通道施工顺序对监测点进行监测(见图9),同时对洞内外做好巡视工作,确保施工安全。按照规范及产权单位要求,地表沉降控制值为30 mm、平均(最大)沉降速率为2 mm/d(3 mm/d);上水管沉降控制值为20 mm、沉降速率为2 mm/d;初支拱顶沉降为30 mm、平均(最大)速率为2 mm/d(3 mm/d);初支净空收敛为20 mm、平均(最大)速率为1 mm/d(3 mm/d)。

施工过程中,选取风道、D出入口、一体化通道渐变进洞、正常开挖段及DN800上水管线处监测点数值变化进行整理、分析,绘制沉降变化曲线(见图10—图13)。

通过图11可以看出,排风道渐变进洞段沉降主要受1号、3号导洞开挖和渐变段换撑两阶段影响,累计产生沉降量约占总沉降量的75%,而相距1.1 m的新风道渐变段沉降变化受相邻排风道进洞影响较大,沉降累计增加值约为2.5 mm,渐变段地表累计最大沉降值为18.14 mm,小于规范值30 mm。通过图13可以看出,近距离已完二衬排风道净空收敛变化受导洞开挖、渐变进洞换拱及贯通过程影响,收敛值变化最大值为5.32 mm,位于通道长度方向中间位置,满足规范要求。

D出口暗挖通道位于通道群中部,此范围地层受到排风道、新风道、1号安全口开挖期间多次扰动[10],1号导洞未进行开挖时,其上方DN800上水管线附近监测点累计沉降值已达到7.25 mm,3号导洞开挖引起沉降的增长速率相对较大,二衬贯通后累计沉降量为18.76 mm,小于规范规定20 mm。1号一体化通道未进行开挖时,1号导洞上方监测点累计沉降值已达到8.37 mm,1号导洞开挖6.5 m左右时,1号导洞上监测点累计沉降值为10.21 mm,后续各施工阶段产生沉降值为5.67 mm。

5 结论

通过本站南侧附属结构一体化设计施工工程实例,并结合施工过程中遇到实际问题优化设计施工方案,对设计施工过程总结如下:

1)一体化下沉广场与地铁车站附属结构实现很好融合,且通过下沉广场为周边地块后期开发预留实现贯通条件。

2)为实现保护地下水资源目的,根据地下水类型及地下水埋深与暗挖隧道断面位置关系确定加固范围,采用跟管后退式注浆加固土体实现堵水效果,为暗挖隧道安全开挖创造条件。

3)因受前期工作制约,一体化主体结构进度滞后,从确保后续关键工期节点,通过调整暗挖进洞方向、方式和增加临时施工竖井,车站与一体化下沉广场连通通道从车站内渐变进洞和从竖井内开挖施工,实现提早安全施工。

4)暗挖通道集群中施工时,相互叠加影响明显。通道间总体开挖顺序为“竖向先下后上、水平先左后右、断面先大后小、近距一个二衬完成后再开挖另一个”的原则,以及渐变进洞换拱严格按照“破一榀、换一榀、喷一榀”的原则进行施工。按照以上原则及采取各项加固措施,地表及DN800上水管沉降最大值为18.76 mm,满足规范和产权单位限制要求,以及实践验证浅覆土条件下大管棚控制沉降效果显著。

5)暗挖施工严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、再注浆、勤量测”的原则,做好信息化监控量测及应急管理措施,确保暗挖隧道开挖安全。