既有地下空间暗挖加层关键技术及其在城市轨道交通中的应用

2013-09-25张中杰朱雁飞

城市轨道交通研究 2013年9期

张中杰朱雁飞

（1.上海市城市建设设计研究总院，200125，上海；2.上海隧道工程股份有限公司，200082，上海∥第一作者，高级工程师）

1 研究背景

随着城市规划的调整和城市地下空间的发展，优化轨道交通车站规模和换乘方式、历史建筑增设地下车库、住宅小区车位扩容等地下结构加层问题日益突出，逐步成为轨道交通和城市地下空间进一步发展的重大课题。

受地质条件和施工工艺的限制，在国内外，城市中心区域地下结构加层的传统施工方法，都必须占用路面重新开挖施工。如日本的托换加层工法一般与明挖法结合使用：首先，在地面施工支护结构和托换时承受竖向荷载的桩基；然后开挖基坑，从既有地下结构的侧边挖壕沟架设托换梁或托换板，并将其固定在托换桩基上；在托换梁（或板）和既有构筑物之间设置调节用的千斤顶，待既有结构受力和变形稳定后，继续开挖基坑并构筑新结构；最后回填与撤去不需要的托换桩基和托换梁。

在整个施工过程中，基坑的支护结构和托换桩基都是在较宽敞的地面进行的。这要涉及中断地面现有交通、搬迁大量管线、制约区域性客流集散、影响既有商圈的商业效益等诸多问题，不仅工程规模大、工程费用高，对市民生活及社会影响都很大。

由此可见，如何克服传统方法的缺点，研究一种不占用地面的地下空间暗挖加层工艺显得十分必要和迫切。

2 关键技术的研究

2.1 “共板共墙共柱”理论

一般而言，地下结构的暗挖加层必须解决既有支护的利用和加强、既有结构的托换和改造、周边环境的保护和协调等问题。

为充分利用既有结构的资源，实现实施期间对地面交通、设施和地下管线零影响，提出“共板共墙共柱”设计理论。即，既有结构顶板与逆作暗挖施工盖板共用、既有结构外墙与新设支护共用、既有结构立柱与托换加层临时立柱共用，并据此研发了以既有结构作为天然盖板的地下空间暗挖加层新工艺。其主要施工步骤如图1所示。

图1 地下空间暗挖加层的施工步骤

2.2 低净空条件下新型支护桩技术

既有支护结构的长度和强度往往不能满足加层开挖的需要。为不占用地面，新增支护结构必须在既有结构内进行施工。考虑到一般既有地下空间的层高限制，同时为保证加层地下空间的使用效率，新增支护必须紧贴既有结构外墙作业，常规的SMW（劲性水泥土墙）工法、钻孔桩支护、地下墙等均无法实施。为此，开发了先插H型钢后进行旋喷加固的复合支护工艺—IBG工法（见图2）。即：先分节压入H型钢，然后在型钢间设置喷浆孔进行旋喷桩施工形成挡土止水合一的支护体。该工法不仅有效避免了由于浆液凝固而不能插入型钢的问题，而且这种复合支护体型钢垂直度、平整度优良，水泥土强度和均匀性优于传统SMW工法。

图2 IBG工法

IBG工法的旋喷桩可采用全方位压力平衡旋喷MJS（Metro Jet System）工法或 RJP（Rodin Jet Pile）工法，其直径的确定需考虑喷射过程的型钢遮挡影响（见图3）。

图3 IBG工法中H型钢遮挡影响

IBG工法桩可采用与SMW工法桩类似的方法计算。即：按刚度等代为地下墙后，通过单向受压链杆与既有支护组成复合支护体。其中IBG工法桩的刚度可考虑水泥土的包裹作用对型钢的贡献，可按式（1）作简化计算。

式中：

Es——型钢的弹性模量；

Is——型钢的惯性矩；

α——水泥土的刚度贡献系数，当采用MJS旋喷桩后可取0.2。

IBG工法复合支护计算简图和结果示例如图4所示。

2.3 复杂环境下既有结构的托换技术

在既有结构底部暗挖加层施工，必须严格控制施工引起的卸载与加载对既有结构及周边环境的影响。整个托换加层的过程应保持既有顶板结构体系不变（必要时可采用碳纤维加固等措施），根据结构顶板的刚度和配筋确定桩基差异沉降的控制要求。在上海市轨道交通徐家汇枢纽换乘大厅工程中，采用ANSYS软件对既有无梁楼盖顶板进行模拟计算分析（既有模版的有限元计算模型如图5所示），在满足既有结构顶板配筋的条件下可得单柱最大差异沉降不得大于10mm。

对于单建式或上部建筑荷载不大的地下结构可采用被动托换形式，每根既有柱采用2～3根托换桩，并相应设置钢筋混凝土承台（见图6）；托换桩选用分节施工的静压钢管桩，采取对称跳桩施工工艺以减少压桩对周边环境的影响。每节静压钢管桩送桩最大压力不宜超过桩身承载力的0.9倍，压桩至设计标高后充灌低标号微膨胀混凝土。钢管桩的承载力特征值Q需考虑土塞效应的影响，按式（2）进行估算：

图4 IBG工法复合支护计算简图和结果示例

图5 上海轨道交通徐家汇枢纽换乘大厅既有顶板有限元计算模型

式中：

u——钢管桩周长；

qsik——单桩第i层土的极限侧阻力标准值；

qpk——单桩极限端阻力标准值；

li——第i层土厚度；

Ap——钢管桩端面积。

对于高层建筑地下室加层时，则宜采用主动托换形式，托换桩与托换梁间设置千斤顶实现竖向荷载的可靠传递。

2.4 软土条件下加层基坑的微扰动开挖与加固技术

当向下暗挖加层区域紧邻运营中地铁线或其他重要建（构）筑物时，基坑内侧需设置较大方量的地基加固以保证基坑施工安全，而相应的加固设备必须同时满足低净空施工和对周边环境影响小的两项要求。常规的旋喷施工过程对周边环境影响很大，而MJS工法的设备机架高度仅为3.85m，现场加固试验中土体最大位移约在5mm之内，可满足此类工程的特殊要求。根据试验数据，通过有限元反演计算得到MJS施工对土体的挤压力参数，以此分析土体加固过程对既有结构的影响。

在上海轨道交通徐家汇枢纽换乘大厅工程中，通过对换乘大厅和1号线车站的整体有限元分析（见图7），研究不同土方开挖方案对紧邻的既有结构的影响，采用分块施工及盆式开挖方案可以最大程度地控制相邻的既有结构的变形（见图8）。而在实际基坑开挖施工中，可根据现场实测结果通过反分析来指导整个加层施工过程，从而实现基坑施工对既有结构影响的最小化。

图6 托换承台结构

图7 上海轨道交通徐家汇换乘大厅和1号线车站的整体有限元计算模型

图8 上海轨道交通徐家汇枢纽换乘大厅工程分块开挖方案示意图

3 工程应用与实施效果

3.1 上海市轨道交通徐家汇枢纽

图9 徐家汇换乘大厅加层剖面图

上海市轨道交通网络规划中的1号线、9号线、11号线在徐家汇形成全市唯一的3条市域线大型换乘枢纽。徐家汇枢纽换乘大厅位于华山路与虹桥路交叉口处，为地下二层结构，其中地下一层为既有1号线西侧地铁商场；地下二层为新建加层结构，长65.95m，宽30.35m，加层面积约2 065m2，暗挖深度约5.0m（新结构底板埋深约12.3m）。上海轨道交通徐家汇地下换乘大厅加层剖面图见图9。该工程周边环境复杂，保护要求极高，基地西北角为港汇广场、东北角为太平洋百货徐汇店，南侧与运营中上海轨道交通1号线徐家汇站一墙之隔。为避免工程实施期间对徐家汇地区交通、管线及商业的影响，采用本技术进行了工程的设计和实施。

该工程施工期间上海轨道交通1号线运营正常，城市交通主干道虹桥路、华山路地面沉降及管线变形均在允许范围内，徐家汇地区交通及商业未受影响，其社会效益和经济效益十分显著。现场施工实景见图10～图13。

图10 施工场地位置

图11 地下一层静压H型钢支护体

图12 地下一层托换承台

图13 地下二层托换钢管柱与斜抛撑

对施工全过程中的支护结构水平位移、地铁商场立柱沉降、路面沉降、周边建筑物（港汇广场、太平洋百货）沉降等关键数据进行的跟踪监测表明，加层结构自身及周围环境变化均在正常范围内。相关的主要监测数据详见图14～图15。

3.2 天津市文化中心地下交通枢纽

图14 暗挖加层区支护体水平位移监测数据

天津市文化中心地下交通枢纽工程位于天津市政府旁的友谊路侧。根据城市轨道交通调整规划，需在既有的地下商业空间下方新增地铁5、6号线文化中心站付费区换乘通道，长约78m，最大宽度约26m，加层面积约2 800m2（见图16）。利用本技术在不影响地面绿化的前提下，将地下空间以暗挖加层方式新建地下二层（见图17），地面沉降仅10mm，顺地实现了天津地铁5、6号线车站的换乘功能。