地铁车站基坑穿河道设计与应用

王 林

(中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)

0 引言

苏州地区水系发达,坐拥超21 000条河流,约40%的地表被水域覆盖,轨道交通建设难以避免下穿河道,部分车站需下穿河道设置。对于河道宽度小,河水流量少的河道,经防洪评价,河道断流不影响周边地区汛期防洪排涝,则在地铁车站施工期间,可采取临时断流,对河道进行回填,待车站施工完毕后另行恢复;对于河道宽度较大,河水流量较多的河道,经防洪评价,河道断流影响周边地区汛期防洪排涝,则在地铁车站施工期间,对河道进行回填的同时需采取措施对水系进行补偿,待车站施工完毕后另行恢复;车站通常避免设置在河道宽度大、河水流量大的区域。

河道临时断流,回填河道以施工地铁车站常采用的水系补偿方案是在河道回填区上游设置临时泵站,将上游来水引至下游,此方案日用电量较大,且排洪量有限并有停电停运的潜在风险,适用于流量较小的河道或施工周期较短的工程;另一种可采用的方案是对河道进行临时改移,将河道外绕至建设项目范围以外,此方案对周边环境要求低,适用于较开阔地段。

当工程项目建设周期长,所在河道为主要泄洪通道,且周边环境紧张,发生内涝的社会影响较大时,上述两种方案均难以满足地铁车站施工期间河道临时断流的水系补偿要求,需要研究新的水系补偿方案。示范工程地铁木渎南站(现称灵岩山站)主体基坑穿河道设计与应用为苏州地区首次采用临时渡槽作为水系补偿方案,可为后期相似工程提供新的设计思路和借鉴参考。

1 工程简介

1.1 车站概况

苏州轨道交通5号线木渎南站位于孙武路与苏福路交叉口西南侧,孙武路路中,方家桥桥下,车站标准段横穿木光运河。孙武路及苏福路均为连通木渎镇和胥口镇的交通主干道。车站北侧为灵岩山景区,南侧为东欣新村,西侧为方家村(已拆),东侧为木渎古镇和御景花园小区(见图1)。

车站总长为163 m,标准段结构总宽为20.1 m,标准段底板埋深约为22.02 m,主体结构为地下3层结构(方家桥下为地下2层),采用明挖法施工(临时渡槽下采用盖挖顺作法施工)。车站主体基坑围护采用1 000 mm厚地下连续墙,竖向设置6道支撑+1道换撑,其中第1道支撑和第4道支撑均为钢筋混凝土支撑,其余均为钢支撑。车站总平面图见图2。

根据防洪评价报告水系补偿要求,施工时需将方家桥拆除重建,对木光运河进行导流。

1.2 运河概况

木光运河为二级河道,自西向东横穿光福镇、藏书镇、胥口镇、木渎镇,运河西起浒光运河和下淹湖,向东南延伸进入胥江运河,全长18.3 km,流域面积约25.67 km2。地铁车站所穿运河河宽约20.5 m,河深约4.5 m。

木光运河处于两侧丘陵区的山谷区,整条河道坡度平缓,西北通过下淹湖连接太湖,东南通过胥江运河连接京杭运河,是连接太湖和京杭运河的一条重要排涝河道,沟通胥江北片内部各乡镇的水系,主要功能为防洪、排涝和引水。

箭泾河为三级河道,主要功能为防洪、排涝,河宽约15 m,河深约4.0 m。

1.3 地质条件

车站主体基坑开挖范围土层由上到下依次为①1杂填土、①3素填土、③1黏土、③2粉质黏土、③3粉土、④1粉质黏土、④2粉砂夹粉土、⑤1粉质黏土、⑦1粉质黏土,其中地墙墙趾位于⑦1粉质黏土层(见图3)。

工程场地范围地下水主要为孔隙潜水、微承压水及承压水三类。孔隙潜水主要赋存于浅部填土和黏性土层中,微承压水赋存于第一隔水层下的粉(砂)土层中,承压水主要赋存于深部的粉(砂)土层中,围护地墙已将承压水隔断。

2 设计目标

2.1 施工要求

木渎南站下穿木光运河区域,施工期间将运河封堵回填,填没长度约147 m,填河影响时间跨越汛期,约36个月。

2.2 水系补偿

根据《苏州市轨道交通5号线工程涉木光运河防洪评价报告》(以下简称《报告》),木光运河的防洪标准为50年一遇,排涝标准为20年一遇。本项目施工期间,临时填河工程的防洪标准按50年一遇,排涝标准按10年一遇。

据《报告》,工程场地位于胥江北片区,该片区的防洪主要由木光运河和箭泾河分担,具体来说:汛期时平原区和山丘区来水经木光运河、箭泾河排入胥江。木光运河两岸压顶标高为5.00 m～5.20 m(吴淞高程,下同),箭泾河两岸压顶标高为4.10 m～5.50 m。

未施工车站前两河汇水处50年一遇洪水水位4.695 m,10年一遇洪水水位4.320 m;车站施工,木光运河阻断时,洪水仅能经箭泾河引排,两河汇水处50年一遇洪水水位4.871 m,10年一遇洪水水位4.477 m。因箭泾河南段两岸压顶标高较低,汛期易发生内涝灾害。

地铁车站施工期间,为保证区域内汛期防洪安全,《报告》要求木光运河采取水系补偿措施后,两河汇水处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,非汛期河道净宽应不小于5.0 m。

2.3 设计目标

综合地铁车站施工和河道水系补偿要求,地铁车站基坑穿河道处需进行针对性设计,保证地铁车站施工期间,木光运河和箭泾河的防洪、排涝安全。

3 设计方案

3.1 方案比选

3.1.1 截流-临时泵站引水方案

本方案为在车站施工期间,于工程场地范围外,运河上游设置临时泵站,DN1 600的河道疏通管接泵站并于施工场地范围外绕至运河下游,河水经泵站过河道疏通管引至河道下游(见图4)。

泵站换水流量为3.0 m3/s,设4套潜水混流泵,其中三用一备,备用泵放在管理用房内,每台泵Q=3 600 m3/h,H=7.0 m,N=110 kW。此方案日用电量较大(运营时间36个月,总电费预估300万元),且排洪量有限并有停电停运的潜在风险。

3.1.2 截流-临时河道引水方案

本方案需将车站分为两期施工,具体分期如下:

一期施工:在方家桥北侧施工场地范围外开辟临时河道,车站施工期间,木光运河经临时河道维持其防洪、排涝及引水功能。本期施工河道南侧车站主体结构及方家桥,受河道影响的1号出入口南段亦需在本期施工完成。

二期施工:待河道南侧车站主体结构、方家桥过水涵洞、1号出入口南段均施工完毕,将木光运河回迁至新建方家桥过水涵洞(见图5)。本期施工余下车站附属。

此方案临时占地面积大,因南侧为东欣新村,仅能将临时河道设置于方家桥北侧。方家桥北侧为孙武路与苏福路交叉路路口,且为木渎古镇停车场的进出口,交通繁忙,河道北改对交通影响较大。

因临时河道位于车站北端头井范围,原北端头井为盾构始发,故会制约整个工程的工筹。若变更盾构工筹,则因邻站周边建筑密集,交通繁忙,场地受限,增加建设成本及风险。

3.1.3 保流-临时渡槽过水方案

本方案为在车站施工前设置临时渡槽,整个车站施工期间,木光运河经临时渡槽保证其防洪、排涝和引水功能(见图6)。

该方案占用场地小、对周边环境影响少。通过在渡槽东、西侧设置轨道梁满足龙门吊行轨要求,保证了场地完整性。本方案既满足了木光运河的防洪、排涝及引水功能,又保证了整个工程的建设进度,且造价低。

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3.1.4 方案对比

地铁车站基坑因穿河道的各水系补偿方案对比见表1。经综合比选,“保流-临时渡槽过水方案”为本工程的推荐和实施方案。

表1 运河水系补偿方案对比表

3.2 方案设计

3.2.1 设计思路

本次设计充分借鉴了“管线悬吊保护”和“水利高架渠输水”的传统工程,具体来说:

“管线悬吊保护”:将木光运河视为一大型河水管道,通过对其进行临时迁改,将临时渡槽修建好后,再将河道临时恢复至临时渡槽内。整个车站施工期间,木光运河经由临时渡槽过水,即地铁车站基坑开挖、回筑期间对木光运河通过刚度较大、稳定性较强的临时渡槽将其进行悬吊保护。

“水利高架渠输水”:高架渠又称渡槽,是一组由桥梁、隧道或沟渠构成的输水系统。渡槽一般跨越山沟河谷、道路农田等障碍物,将水远距离输送至水量不足的城镇、乡村以供饮用或灌溉。车站施工期间,为保证木光运河不断流,将车站基坑视为运河需跨越的障碍物,采用渡槽的形式将运河横跨于车站基坑上方(见图7)。

3.2.2 设计方案

设计方案是“管线悬吊保护”设计思路的体现:木光运河结合地铁车站施工筹划进行分期导改,同时,地铁车站施工与木光运河导改需根据水系补偿要求,满足汛期和非汛期的运河防洪、排涝及引水功能[1]。

根据木光运河导改的路径,将本站按四期设计施工,具体分期设计如下:

第一期:临时河道过水。本期在非汛期,通过设置临时河道将运河北改。临时河道南岸为既有运河驳岸及原方家桥桥基,河道底部宽5.5 m,河道北岸采用1∶2放坡成堤,堤坝设置土钉网喷护坡。

木光运河临时改移至运河北侧临时河道后,施工车站主体围护地下连续墙,在原河道上跨车站基坑范围施工11.4 m净宽临时渡槽,渡槽为与车站主体基坑围护地墙、临时格构柱及桩基相结合的竖向结构受力体系。

本期施工主要包括临时河道施工、原方家桥拆除、车站主体围护地墙施工、主体基坑范围内临时格构柱及立柱桩施工、11.4 m净宽U型临时渡槽施工(见图8)。施工周期为5个月,在非汛期进行。

第二期:临时渡槽过水。本期为车站主施工期,该期通过临时渡槽,在车站施工期间,使木光运河上跨车站主体基坑,以保证汛期和非汛期运河的防洪、排涝及引水功能。第二期结合地铁车站及新建方家桥施工筹划需分两阶段进行。

第二期第一阶段:车站施工。运河由临时河道回迁至11.4 m净宽临时渡槽,施工渡槽下车站主体及运河范围外的车站附属(1号风亭及3号出入口、2号风亭、3号风亭)。

本阶段施工主要包括回填北侧临时河道、附属围护施工、基坑降水、混凝土支撑浇筑、钢支撑架设、基坑开挖及内部结构回筑施工。先施工车站主体,后施工运河影响范围外的车站附属,车站采用明挖法施工,其中临时渡槽影响范围内采用盖挖顺作法施工(见图9)。施工周期为20个月,跨越汛期和非汛期。

第二期第二阶段:运河北侧附属施工。该阶段施工方家桥北孔及1号出入口北段,在车站主体结构封顶后实施。

本阶段施工主要包括渡槽北侧相邻围堰调整(钢板桩围堰施工、放坡结合土袋围堰施工)、土方放坡开挖、方家桥北孔施工。1号出入口北段进行围护施工、基坑降水、混凝土支撑浇筑、钢支撑架设、基坑开挖及内部结构回筑施工(见图10)。施工周期为3个月,汛期或非汛期均可施工。

第三期:北孔桥涵过水。本期在非汛期,结合已施工好的方家桥北孔桥涵和临时放坡开挖河道将木光运河临时北改。临时河道底部宽6.0 m,河道两岸采用1∶2放坡成堤,堤坝设置土钉网喷护坡。

木光运河临时改移至方家桥北孔桥涵后,施工方家桥南侧余下两孔及1号出入口南段,其中南侧方家桥需待1号出入口南段施工完毕后施工。

本期施工主要包括临时渡槽拆除、1号出入口南段围护施工、基坑降水、混凝土支撑浇筑、钢支撑架设、基坑开挖及内部结构回筑施工。南侧方家桥施工主要包括临时围护桩墙破除、土方放坡开挖、方家桥南侧两孔施工(见图11)。施工周期为5个月,在非汛期进行。

第四期:运河恢复。方家桥南侧两孔施工完毕后,木光运河即可恢复至方家桥中孔桥涵,并恢复河道两侧河道驳岸。

本期施工车站北侧过街2号出入口,施工主要包括围护施工、基坑降水、混凝土支撑浇筑、钢支撑架设、基坑开挖及内部结构回筑施工(见图12)。施工周期为3个月,汛期或非汛期均可施工。

3.2.3 渡槽设计

渡槽设计是“水利高架渠输水”设计思路的体现:在运河跨越车站主体基坑范围内,结合围护地下连续墙、临时立柱及桩,在基坑上方架设“U”型钢筋混凝土渡槽[2],渡槽两端地下连续墙与既有运河驳岸相连并辅以土袋堆实,实现木光运河对车站主体基坑的跨越。

渡槽范围内,车站采用盖挖顺作法施工,施工过程中注意加强对渡槽的监测和保护,施工机械不得触碰渡槽及其下临时竖向支撑立柱,必要时对临时立柱桩进行跟踪注浆避免沉降过大。

1)渡槽结构体系。临时渡槽为主体地下连续墙、临时立柱及桩、“U”型钢筋混凝土箱涵构成的竖向结构受力体系,该结构兼做水平向基坑围护受力和竖向运河受力(见图13)。

2)渡槽设计亮点。在车站主体基坑施工期间,木光运河通过临时渡槽实现跨越车站主体基坑的同时,也将施工场地南北隔断,为便于现场施工,保证龙门吊南北通行,在渡槽两端、主体地墙上方设置临时立柱及龙门吊轨道梁,使临时渡槽同时满足龙门吊跨运河要求[3],保证施工流畅、减少工程成本(见图14)。

3)渡槽结构设计。

a.计算荷载。

水荷载:深3.8 m;

龙门吊:吊车自重130 t,起吊重量40 t,动力系数1.05;

结构自重。

b.计算内容。

竖向支承计算:渡槽下地下连续墙、渡槽下临时立柱及桩;

构件计算:“U”型渡槽(含梁)受力计算、龙门吊轨道梁受力计算、框柱验算。

c.拟定尺寸。

主体地下连续墙:1 000 mm(基坑深22.32 m);

临时钢立柱:600 mm×600 mm;

临时立柱桩兼做抗拔桩:φ1 000 mm;

渡槽板、墙:400 mm;

渡槽纵向梁:600 mm×1 200 mm;

渡槽顶部连梁:600 mm×600 mm;

地墙与渡槽连接暗梁:1 200 mm×400 mm;

龙门吊轨道梁:1 200 mm×1 200 mm;

轨道梁下框柱:600 mm×600 mm。

d.工程材料。

地下连续墙:水下C35混凝土;

临时立柱桩兼做抗拔桩:水下C35混凝土;

渡槽板、墙、梁、柱:C30混凝土;

钢筋:采用HPB300级(A)、HRB400级(C);

临时钢立柱:L200×20等边角钢,缀板等材料均为Q235B钢。

e.钢筋净保护层。

地下连续墙:70 mm(内、外侧);

立柱桩兼做抗拔桩:70 mm;

临时渡槽(板、墙、梁、柱):30 mm。

f.渡槽底板结构平面布置图。

为减少运河对主体基坑外侧的冲刷,将渡槽底板向两端外延约2.0 m,渡槽两端通过1 200 mm×400 mm暗梁支承于主体地下连续墙上,跨车站主体基坑区域,沿运河方向每隔约7 m设置临时立柱及立柱桩,立柱上设置600 mm×1 200 mm纵向受力梁,具体结构布置见图15。

g.渡槽顶部结构平面布置图。

临时渡槽在主体地墙区域,在渡槽跨中位置设置600 mm×600 mm临时框柱,框柱上设置1 200 mm×1 200 mm轨道梁以满足龙门吊通行;基坑内,在渡槽侧壁上方每隔约6 m设置600 mm×600 mm顶部横向连梁以改善临时渡槽侧壁受力,具体结构布置见图16。

h.渡槽结构剖面图。

临时渡槽跨车站主体基坑,由上到下依次为:顶部连梁(含轨道梁)→渡槽侧壁→运河→渡槽底板(含纵梁)→临时立柱(600 mm×600 mm钢格构柱)→临时立柱桩(φ1 000 mm)。

临时立柱间设置剪刀撑予以增强稳定性;临时渡槽下依据围护结构计算设置有4道钢支撑+1道混凝土支撑,其中,根据回筑工况,设置有换撑,具体结构布置见图17。

4 现场应用

4.1 工艺流程

车站主体基坑穿运河处主要施工工艺见图18。

4.2 操作要点

1)渡槽范围地连墙、钻孔桩钢筋笼吊装。渡槽范围地连墙钢筋笼、钻孔桩钢筋笼顶面设计标高距离现场施工地面标高达7 m且场地狭小,钢筋笼吊装需采用超长吊筋。钢筋笼吊装前需对吊点设置、吊车站位及吊车行走路线等做专项设计并经专家方案评审,现场施工时需有专人管理。

2)渡槽范围地连墙、钻孔桩混凝土浇筑。渡槽范围地连墙、钻孔桩顶面设计标高距离现场施工地面标高达7 m,混凝土浇筑过程中,停灰面控制为操作重点。在浇筑混凝土前需对孔内进行不小于3次清孔,孔内泥浆需置换为新泥浆,稠度需满足设计要求。

混凝土浇筑过程中,采用超长测量杆+测绳多方位进行量测,同时每间隔15 min对孔内泥浆稠度进行量测,防止出现夹泥现象,确保混凝土质量达到设计要求。

3)临时河道导改。在渡槽施工前,需对河道进行临时导改,临时河道采取1∶2放坡成堤,堤坝设置土钉挂网支护。河道开挖严格按1∶2坡比进行,不得超挖,防止对坡面破坏,发生滑坡;放坡完成及时对坡面进行挂网支护。

4)渡槽钢筋笼吊装。因渡槽底部设计标高与施工地面标高相差7 m,且施工场地狭小,为保证施工质量及减少工期,渡槽钢筋笼采用场地外制作后吊装拼接。

渡槽结构梁、柱长度较大,为确保预先绑扎成型的结构梁、柱能顺利与侧墙、底板进行拼接,对钢筋的绑扎间距、绑扎点位、吊点焊接、吊车站位、吊车行走路线等均需做好专项设计和施工管理。

5)渡槽侧墙支模及浇筑。为保证渡槽浇筑质量,避免渡槽过水后出现渗漏水,要求渡槽侧壁整体浇筑并做好养护。渡槽侧壁最高7.4 m,宽0.4 m,支架严格按照渡槽施工专项方案0.6 m(横距)×0.6 m(纵距)×0.9 m(步距)进行安装,模板采用间距0.3 m×0.3 m止水拉杆进行加固,拼缝密实。

4.3 应用效果

临时渡槽的成功应用,既满足了地铁车站的施工要求,又满足了木光运河防洪、排涝和引水的功能,产生了良好的社会效益、环境效益和经济效益(见图19)。

1)社会效益。地铁车站基坑穿河道设计的应用,缩短了工期、降低了成本,工程建设期间,减少了对周边居民生产、生活的影响,取得了良好的效果,有效解决了地铁车站基坑穿运河的难题。本项目车站的顺利建成,得到了业主、水利等单位的一致认可。

2)环境效益。地铁车站基坑穿河道设计保证了木光运河的防洪、排涝和引水功能,避免后期车站施工过程中运河倒灌基坑的风险,有效地保护了城市生态建设,保持了河流的自然地貌特征,控制了城市河水污染。木光运河西接太湖,穿经木渎古镇,南抵胥江,为一景观河,运河的畅流保护了其沿线的旅游娱乐、交通运输、人文教育等生态功能,对城市生态建设有着重要意义。

3)经济效益。较“截流-临时泵站引水方案”,采用“保流-临时渡槽过水方案”,充分利用车站主体基坑既有临时立柱桩作为竖向支承体系,节省了临时泵站、箱变和管理用房的建设费用并节省了约300万元的电费;较“截流-临时河道引水方案”,采用“保流-临时渡槽过水方案”,保证了盾构工筹,节省了因此产生的工筹调整费用,也保证了施工工期,同时减少了因临时河道开通对周边交通的影响。

5 结语

地铁木渎南站主体基坑穿木光运河设计的成功应用,有效解决了以下问题:

1)通过设置临时渡槽,地铁穿河道施工期间河道不断流,保持了场地外沿河的自然景观。2)通过设置临时渡槽,减少了因河道临改对周边交通、环境的影响。3)通过设置临时渡槽,保证了车站施工期间河道的防洪、排涝和引水功能。4)通过设置临时渡槽,将河道规引于渡槽的可控范围内,减少了河道对车站施工的影响。5)通过对渡槽结构的优化,在渡槽两侧设置龙门吊轨道梁,避免了因河道过车站造成的场地割裂。

地铁木渎南站主体基坑穿木光运河设计的成功应用,为车站基坑穿河道设计提供了一种新的思路,为同类工程积累了一定的经验,对于河道较多、轨交建设需求大的地区,有重要的借鉴意义。