保证既有线路安全运营的地铁换乘站深基坑施工

2015-12-19赵广民杨建峰马俊雨

中国港湾建设 2015年9期

赵广民，杨建峰，马俊雨

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

1 工程概况

天津地铁6号线北站位于河北区中山路西侧，横跨于三马路与调纬路相交的十字路口，与已建成的3号线车站形成59°斜十字型换乘。本基坑开挖面积约3 000 m2，以换乘节点及主体围护结构地连墙将该基坑分为2个独立基坑：其中小里程基坑1 601 m2，大里程1 409 m2，开挖深度较大，普遍挖深25.63 m，局部端头井挖深27.33 m，换乘节点被3号线地连墙隔断，已完成主体结构，但未与6号线连接，后期需要破除地连墙进行3、6号线结构的连接，除基坑自身的施工风险和基坑施工对周边建（构）筑物的影响外，已经运行换乘节点处的3号线车站安全是本工程管理的重中之重，务必做到万无一失，以确保既有线路安全运营。

整个工程围绕保证既有3号线的正常运营为中心，从围护结构施工、内支撑体系、基坑内降水、土方开挖、换乘节点后浇带施工和全过程的监控，进行了全面的策划。

2 围护结构设计优化

2.1 将原45 m地连墙加深至49 m

地连墙作为隔水帷幕需考虑其隔水作用，以是否隔断承压水层确定其入土深度。本车站标准段地下连续墙设计深度为45 m，盾构井段设计深度为47 m，可满足基坑各项稳定性要求，但地连墙墙底坐落在⑨1，⑨2，⑨4粉土粉砂层上，未能完全阻断外承压水，只需将地连墙加长至49 m，即可深入至⑨8黏土层内，降低坑外承压水沿地连墙墙底绕流至基坑内的可能，提高基坑抗突涌安全系数，进而降低基坑施工对周边环境产生的影响。目前工程已成功完成混凝土底板施工，地连墙下部素混凝土段有效地隔断了第3层承压水。

2.2 地连墙无接头接缝处理

3号线车站施工围护结构时，未考虑远期6号线的结构，地连墙未留有接头，在施工6号线围护结构时，留下了4条无接头的接缝，换乘节点部分未设计抗拔桩。此接缝的渗漏水是基坑施工的主要风险点，在这4条接缝处设计4幅素混凝土地连墙及433根双高压旋喷桩，并将旋喷桩桩长增至49 m，降低此处在基坑开挖过程中涌水涌砂的可能性，增加了基坑施工的安全性。

3 内支撑体系的优化

由于本基坑处在地下水丰富的软土地基环境下，开挖深度超过25 m，周边分布市政管线及建筑物，安全等级为一级。考虑基坑支护结构体系安全，将原车站主体基坑钢支撑加混凝土支撑支护体系，变更为全混凝土支撑支护体系，增设混凝土腰梁，增强围护结构整体性和刚度，有效地协调支撑与围护结构间的受力与变形，大大提高了基坑的安全系数。基坑支护体系安全控制指标验算结果见表1。

表1基坑支护体系验算Table 1 Calculating thefoundation pit supporting system

4 深化降水

结合3号线基坑降水经验对基坑降水进行了深化设计，使降水方案更加科学，将63 m深度范围内的地层简化为9层，运用flac3d软件建立三维可视化模型，并模拟抽水对基坑周边环境的影响（见表2），预测方案的可行性。

表2 周边环境沉降值预测Table 2 Thesurroundingssubsidenceprediction

在基坑内布置17口33 m深疏干井，疏干坑内土体，提高土体的抗剪强度，保证坑底干燥，给基坑开挖及支撑梁、主体结构底板施工提供良好的作业环境。

在基坑外侧设置8口23 m浅层水位观测井、4口42 m（37~41 m为滤水管）第2层微承压水观测井、3口55 m（50~54 m为滤水管）第3层微承压水观测井，分层观测坑外水位变化情况。其中55 m深观测井观测未被围护结构隔断的微承压水水位变化，同时还兼做基坑防突涌减压备用井。坑外观测井要进行防护，防止挖土设备、场内机动车碰撞，同时避免雨水、废水流入井内，影响监测数据真实性。

5 科学管理土方开挖，减少基坑围护结构变形

1）科学制定土方开挖顺序

根据本工程支撑布置情况，土方开挖严格遵循“时空效应”理论，按照“分层、分段、对称、平衡、限时”和“先撑后挖”的原则进行[1]，每层土方开挖以3号线为中线由远及近对称开挖，保证3号线两侧土体压力卸载对称均衡。

每层土方开挖时，先在盾构井处采用盆式开挖，留土护坡减少围护结构墙暴露时间，利用被动土压力控制围护墙变形，开挖到支撑底标高时再从端头井向换乘段退台开挖，充分利用时空效应，降低对周边环境的影响。

2）土方开挖时间控制

支撑混凝土浇筑时，留置5组同条件试块，分别在3、7、10、14、28 d进行抗压试验，通过试块强度报告数据及时掌握混凝土支撑强度发展情况，达到100%后，在支撑梁上予以标识，将试验数据及时通知施工员，确认后，签发开挖令后进行土方开挖。

3）采用新设备、新技术保证土方开挖安全

土方开挖前先对4条无接头接缝处进行洛阳铲探缝，接缝处土体含水量正常，再进行土方开挖，正常的地连墙施工接缝开挖至承压水隔水层上2 m后执行探挖制度。

基坑开挖至14 m深后，长臂挖机小臂上安装高清摄像头，将基坑开挖面实时画面传至驾驶室内，提高开挖作业的准确性和安全性，同时在上一道支撑梁上刷黄黑相间的警示标志，可提高挖机司机注意力，防止碰撞支撑。

6 优化换乘节点后浇带施工，控制结构上浮

6.1 控制既有线结构上浮

地连墙的破除使换乘节点处既有线车站结构脱离原地连墙的约束，可能导致结构上浮，影响运营的安全。

具体预防措施主要从几个方面考虑：

1）施工前增加既有线的抗浮储备，在6号线出入口位置处设置抗浮压梁，增加6号线车站主体的抗浮储备。同时在施工现场储备堆载物资，监测上浮趋势过大时，可以在既有3号线的地下3层底板和1层顶板上堆载，抑制上浮。

2）破除地连墙从上向下进行，换乘节点后浇带结构逆做[2]。破除采用分层破除，每到结构板后先进行板的连接，顶板及中板混凝土强度达到设计强度，监测数据稳定后再继续进行地连墙的破除。为了减小上浮的趋势，在顶板达到强度后，可进行土方回填。

3）加强监测，换乘节点顶板上设置监测点，监测工作可以不受运营的影响，可以根据工况要求加大监测频率，做到1次/d的频率，发现问题可及时处理。

4）提前与运营方沟通，此站虽在施工且客流量少，但是列车不能直接过站，要利用列车进站出站的减速慢行，来保证列车运行的安全，同时根据监测数值，当结构上浮达到报警值时，调节轨道钉的松紧度，控制轨道以免被结构剪断。

6.2 无接头接缝的渗漏及粉尘控制

1）在破除内支撑混凝土时，为减小对无接头接缝的振动且不影响主体结构的施工，采用绳锯切割混凝土支撑梁，此工艺低噪音、低粉尘、低振动，对结构及既有线的影响最小。同时还可以利用绳锯精确切割的优点，利用已有的腰梁结构作为车站抗浮压梁，多余部分使用绳锯切除。

2）换乘节点后浇带地连墙破除，采用人工+机械破除，先凿除地连墙保护层，剥离地连墙钢筋，再使用小型机械边凿除边洒水，最后进行清理；同时在墙两侧提前破除一条应力释放带，能减少震动导致地连墙冷接缝渗水的可能。

3）换乘节点无接头接缝处地连墙凿除后两侧无接头接缝可能透水，同时换乘节点地连墙和防水卷材之间可能出现渗水，在施作围护结构时提前与设计沟通进行了优化考虑，在新老地连墙交接处外侧采用1 m厚素地连墙+旋喷桩止水。若无接头接缝处出现大的渗漏水，根据土方开挖过程中分析出的水源走向，留有注浆孔及时注浆堵漏。

4）破除至地下一层顶板前，对影响既有3号线车站的扬尘和噪音进行控制，破除第1层内衬墙时，需要在节点内设置临时隔墙，吊顶以上部分（有1.0~1.2 m高）应予以封闭，防止车站内扬尘。破除地下3层墙时，首先与地铁3号线运营方面进行沟通，提前利用彩条布密封住，3、6号线换乘站预留的上下楼梯口，然后在铺设装饰绿草，减少破除过程中扬尘进入站台层，影响乘客乘车环境。

6.3 受承压水影响，破除至基底可能出现涌水

1）在破除地连墙到地下3层底板以前，通过斜向注浆对既有线底板下的土体进行固结，减少承压水涌出的可能，注浆孔为每2延米1个，同步监测既有线的沉降情况，若无变化则继续进行双液浆的灌注（见图1），若结构出现上浮，则在注浆孔处进行聚氨酯封堵既有线底板与地连墙交接处，同样能起到止水的目的，同时利用聚氨酯浆液对结构产生附加压力比较小，不会导致结构继续上浮。

图1换乘节点基底注浆示意图Fig.1 Schematic diagram of transfer nodesbasal grouting

2）破除地连墙至基底时留0.5 m墙（从底板垫层开始计算）用来压住底板承压水，防止涌砂（见图2）。同时在3.7 m后浇带底板处留有集水坑进行排水，然后快速施工底板，减少后浇带的暴露时间，使结构形成整体。

图2 破除至基底示意图Fig.2 Schematic diagram of breaking to basal

7 严密监测基坑施工，及时发现安全隐患

1）基坑内外布置了地连墙测斜、墙顶水平、竖向位移、立柱桩沉降、地面沉降、坑外水位观测井、支撑钢筋应力计、建筑物沉降及倾斜、裂缝、既有线沉降位移等监测点，基坑支护结构及周边建筑物管线（2倍基坑深度）全面覆盖，施工过程中注意监测点的保护，保证各项目监测点正常发挥作用[3]。基坑施工前对监测点进行初始值采集，通过监测实时掌握基坑结构受力变形及周边环境的细微变化，对数据进行分析，数据突变或累计接近报警值时及时分析原因，对可能危及结构、施工、环境安全的隐患尽早做出应对措施，降低深基坑施工风险。

2）针对既有线监测

确定监测频率见表3。

表3 既有线监测频率Table3 Existing metro line monitoring frequency

确定监控标准及报警值见表4。各项监测的数值达到一定范围（即：即将产生不可接受的负面影响时）要进行报警，各监测项目控制标准最大值的80%设定为报警值，日报警值为各监测项目每日控制标准的最大值，当日变化量大于或等于日控制标准的最大值时也应及时报警。

表4 既有线控制标准及报警值Table 4 Existing metro line control standardsand alarm value

3）分阶段的既有线监测情况

2013年6月份车站主体基坑开挖，监测同步进行，既有线两侧各设置11个点，共22个点位，12月份完成基坑的开挖，期间既有线的沉降变化较为明显，其他监测项目无明显的变化（见图3）。

2014年1月开始进行主体结构施工，2014年5月完成主体结构，既有线沉降监测较为平缓；同年7月开始换乘节点后浇带地连墙的破除，在此期间既有线的结构存在上浮趋势，为减小上浮的趋势，后浇带结构采用逆做进行，至11月完成结构的逆做及破除作业，既有线的沉降监测具体如图4。

综上两图沉降监测数据显示，换乘车站在基坑土方开挖阶段的上浮尤为明显，最大点数值达11.5 mm，主体结构施工阶段和换乘节点后浇带破除阶段既有线上浮情况较为平缓，后浇带未进行结构逆做时，既有线在破除过程中达到最大点为11.8 mm，结构进行逆做及地连墙破除到底后的最大数值为9.11 mm。说明后浇带采用逆做结构的方式施工，增强了既有线的抗浮储备，而且9-11月天津地区承压水水位在降低，更有利地减小了对既有线结构的上浮。