地铁车站上跨大断面高铁盾构隧道施工技术研究

2019-02-27金先京袁传旭吴俊芳

广东土木与建筑 2019年2期

金先京，袁传旭，薛朗，吴俊芳

（1、深圳市地铁集团有限公司深圳518038；2、深圳市市政工程总公司深圳518034）

1 工程概况

位于深圳市福田保税区的地铁3号线（南延）福保站于YCK0+230～YCK0+260上跨广深港高铁区间隧道，车站与广深港客运专线高铁区间隧道共有2处（左、右线隧道）立体交叉，车站底板与广深港高铁区间顶（结构顶标高-34 m）净距为21.7 m。车站主体结构在YCK0+230处与广深港客运专线高铁区间隧道右线斜交93°，福保站上跨广深港高铁隧道纵断面示意图如图1所示。

图1 车站与广深港隧道横剖面图Fig.1 Cross Section Map of Station and Guangzhou-Shenzhen-Hong Kong Tunnel

广深港客运专线高铁区间隧道采用盾构法施工，采用单层钢筋混凝土衬砌管片结构。盾构隧道段结构内径9.8 m，外径10.8 m，管片内径8.7 m，外径9.6 m。采用“8+1”分块方式的钢筋混凝土单层管片衬砌。在运营阶段，广深港高铁深港隧道盾构段轨道变形控制标准为隆起4 mm，沉降15 mm。3号线（福保站）施工期间，广深港高铁隧道已经贯通，进行无砟道床及铺轨施工，后期进入联调联试和试运营阶段。

1 上跨段加固设计与施工影响评估

1.1 跨高铁隧道段基坑加固设计方案

为了减小基坑开挖福保站施工对深港隧道的影响，福保站与广深港客专深港隧道交叉位置处的车站底部淤泥地层采用搅拌桩加固[1-2]。加固方案为：φ850水泥搅拌桩加固，加固水平范围为隧道两侧各5 m范围，竖向范围为加固至淤泥地层底部，采用格栅状布置。搅拌桩加固平面布置图如图2所示。

图2 搅拌桩加固平面布置图Fig.2 Plane Layout of Mixing Pile Reinforcement

加固标准：换填及搅拌桩加固后地基承载力强度达到180 kPa以上；搅拌桩水泥土强度标准取值试块90 d龄期的无侧限抗压强度为1.2 MPa。加固范围内水泥搅拌桩水泥含量不得低于15%，加固范围以上至地面处为空桩。

1.2 上跨广深港隧道施工影响评估

根据福保站与深港高铁隧道的相对位置，建立三维模型（见图3），分析了在福保站施工阶段和运营阶段两工况下盾构隧道管片位移和内力分布特征，评估了福保站施工阶段及运营阶段对高铁隧道结构的影响。

图3 福保站与深港高铁隧道三维模型Fig.3 Three-dimensional Model of Fubao Station and Shenzhen-HongKong High-speed Railway Tunnel

得出如下结论：

⑴在搅拌桩加固设计方案下，车站基坑施工阶段，隧道拱顶围岩的最大上拱位移为6.11 mm，拱底围岩的最大上拱位移为3.62 mm，总体位移云图如图4所示。

图4 隧道结构总体位移云图Fig.4 Total Displacement Nephogram of Tunnel Structure（mm）

盾构管片最大负弯矩为112.24 kN·m，对应的轴力为-2857.59 kN，对应抗压安全系数为9.14，抗弯安全系数为5.31；最大正弯矩为127.13 kN·m，对应的轴力为-1287.39 kN，对应抗压安全系数为4.19，抗弯安全系数为3.35[3-4]。计算结果表明，现阶段高铁隧道衬砌结构最小抗压安全系数为4.19，最小抗弯安全系数为3.35，大于规范要求值，管片结构安全。（弯矩图、轴力图略）。

⑵在搅拌桩加固设计方案下，车站运营阶段，隧道拱顶围岩下沉位移在-1.76 mm左右，拱底最大变形为-1.44 mm；结合施工期管片拱顶已经有向上的6.11 mm的位移，拱底已经有3.62 mm的位移值，实际上此时管片相对于车站施工前的综合效果仍然是发生了向上的位移，向上位移量为施工期上拱的位移量与运营期下沉量的差值，即拱顶上拱4.35 mm，拱底上拱2.18 mm，运营阶段总体位移云图如图5所示。

图5 车站运营阶段隧道衬砌结构总体位移云图Fig.5 Overall Displacement Nephogram of Tunnel Lining Structure in Station Operation Stage（mm）

车站运营荷载使得下方隧道结构内力发生一定程度的变化，盾构管片最大负弯矩为134.79 kN·m，对应的轴力为-3084.5 kN，对应抗压安全系数为4.19，抗弯安全系数为3.05；最大正弯矩137.75 kN·m，对应的轴力为-1585.59 kN，对应抗压安全系数为9.14，抗弯安全系数为3.05。计算结果表明，现阶段高铁隧道衬砌结构最小抗压安全系数为4.19，抗弯安全系数为3.05，大于规范要求值，管片结构安全（弯矩图、轴力图略）。

⑶在广深港隧道联调联试之前完成其两侧各15m范围内车站基坑及主体结构底板的施工组织方案比较合理，基坑底部采用搅拌桩加固（格栅状布置）方案能够保证深港隧道的安全。

2 车站深基坑上跨高铁隧道段施工技术

2.1 基坑围护结构

⑴福保站地质条件差，地层中存在淤泥质粘土，地连墙成槽槽壁质量难以控制，关系如图6所示。

图6 深港高铁隧道在福保站段纵断面示意图Fig.6 Dawing of Longitudinal Section of Shenzhen-HongKong High-speed Railway Tunnel at Fubao Station

软弱地层中连续墙成槽较困难，施工期间为避免槽壁塌孔，槽内泥浆面必须高于地下水位1 m以上，控制好泥浆比重与粘度，增加泥浆储备量。

采用φ600@450搅拌桩进行槽壁加固，槽壁加固深度为整个淤泥地层，加固示意图如图7所示。

图7 连续墙成槽保护搅拌桩示意图Fig.7 Diagram of Continuous Wall Grooving Protection Mixing Pile

⑵福保站围护结构采用800厚地下连续墙，与车站侧墙形成复合墙结构；支护结构与主体结构之间外包柔性防水层形成二道防水防线。地连墙嵌入坑底深度约7～9 m；地连墙与混凝土腰梁连接采用植筋连接、与抗浮压顶梁采用植筋连接；施工时必须凿除保护层以便加强与墙的连接。

2.2 基底加固

施工前应探明高铁盾构隧道的准确位置，确定基坑工程与盾构隧道的准确相对位置关系，确保高铁盾构隧道的相关位置数据为最新测量资料数据。

在基坑开挖前需对地质条件进行进一步了解，有必要时进行补勘。采用φ850水泥搅拌桩加固，加固水平范围为隧道两侧各5 m范围，竖向范围为加固至淤泥地层底部[5]，采用格栅状布置。搅拌桩水泥土强度标准取值试块90 d龄期的无侧限抗压强度为1.2 MPa。

加固范围内水泥搅拌桩水泥含量不得低于15%，加固范围以上至地面处为空桩。

搅拌桩加固前应进行试桩试验，结合当地施工经验及加固后土体的开挖难易程度，确定一个合理的土体加固强度指标，以便根据加固土体的强度确定基坑的开挖时间，保证开挖前加固土体达到强度标准，加固流程如图8所示。

搅拌桩采用“二喷二搅”施工工艺，第1次喷浆量控制在60%，第2次喷浆量控制在40%；严格控制每桶搅拌桶的水泥用量及液面高度，用水量采取总量控制，严禁桩顶漏喷现象发生，确保桩顶水泥土的强度；控制下沉速度V≤1.0 m/min，提升速度V≤0.5 m/min，重复搅拌提升速度V≤0.8～1.0 m/min，注浆压力：1.5～2.5 MPa，水灰比0.8～1.5，搅拌速度V＞30～50 r/min。

钻头到桩底后搅拌喷浆1～2 min、间歇后提钻，确保底部有足够的灰量，提钻速度V≤0.5 m/min，确保搅拌均匀。喷浆量应由电子显示器和提升速度进行控制，水泥浆用量的误差不得大于±5%。施工时应严格控制喷浆时间、停浆时间和水泥浆喷乳量，确保水泥搅拌桩质量。发现喷浆量不足时，应整桩复打，因客观原因喷浆中断时，复打重叠段不应小于1.0 m。

图8 搅拌桩加固施工工艺流程图Fig.8 Flow Chart of Construction Technology for Mixing Pile Reinforcement

2.3 基坑支护

车站主体为地下两层框架结构，采用明挖法施工，围护结构采用800厚地下连续墙，与车站侧墙形成复合墙结构；在基坑开挖阶段采用混凝土支撑+钢管支撑的方式支护。

基坑横向设置4道支撑，标准段第1道支撑采用钢筋混凝土支撑，第1道支撑与冠梁直接连接，水平间距9 m，均设八字撑；第2道支撑采用钢支撑φ609，t=16 mm；第3、4道支撑均采用钢支撑φ800，t=20 mm。地连墙槽段宽度为6.0 m处不设钢腰梁，但需保证6 m宽墙幅上有2根对称布置的钢支撑。其它幅宽槽段和异形槽段设置钢腰梁。钢支撑水平间距一般为3 m左右。盾构井处横向均采用混凝土支撑，第1道支撑与冠梁直接连接，并满足钢筋锚固长度，其余支撑处设混凝土腰梁。

2.4 基坑开挖

充分利用基坑开挖过程中的时空效应原理，遵循“纵向分幅、竖向分层、边支边挖”的原则，采用台阶法分层开挖和最后部分垂直运输相结合的方式。基坑开挖方案如下[6-7]：

2.4.1 初期开挖

为加快土方开挖速度和解决临时屯土场地安排，前期开挖时采取纵向顺次开挖，每层开挖至钢管支撑下0.5 m深度，施作钢管支撑施工完毕并预加应力后，下面土层开挖和支护交替进行，最后一层包括人工清底开挖至基底[8]。

2.4.2 最后部分开挖运输

主体基坑最末端无法满足台阶法开挖所需空间后，采用逐步减少挖掘机数量，基坑上部用液压抓斗机垂直出土，部分土方用挖掘机倒运，土方出基坑后用自卸汽车运至临时屯土场，集中后运至指定地点；全部基坑开挖完毕用汽车式起重机将挖掘机吊出基坑。

2.5 主体结构施工

具体施工时应选择一个节段作为试验段，如试验段施工时高铁隧道变形量超过变形控制值，应及时进行方案修改，调整基坑施工方案；如试验段施工时高铁隧道变形量控制的较好，方可进行其他节段施工。

2.6 基坑降水

本车站基坑降水以管井降水为主，排水沟明排水为辅。在基坑内共设置44口降水井，按南北两排分布进行基坑内降水，井点间距约25 m。

施工中需边开挖，边降水。开挖至基底时，必须保证地下水位降至基坑底面以下1 m。降水过程应伴随主体结构施工过程的始终，待顶板覆土后封闭降水井点管，灌注微膨胀混凝土，并加焊钢板封闭。

管井井孔直径为0.7 m，深至基坑底以下5 m，井管直径为0.4 m，滤水层厚度为0.15 m，降水井大样图如图9所示。

图9 降水井大样图Fig.9 Sample Drawings of Precipitation Wells

管井采用冲击反循环钻机成孔，下管前注入清水置换全井孔内泥浆，砂石泵抽出沉碴并测定孔深。井管分段制作，汽车吊吊放，各段孔口连接。井管滤料采用粒径3～15 mm的碎石，沿井管外四周均匀填入。滤料回填完成后采用深井泵抽水洗井，直至抽出的井水清洁无污浊。采用潜水泵抽水，开槽前的超前抽水时间不宜少于1个月。

2.7 监控量测

本工程针对广深港客运专线高铁区间隧道进行专项的洞内监测及车站围护结构基坑监测设计方案。

2.7.1 监测项目1：广深港客运专线高铁区间隧道洞内监测

⑴监测点布置

需监测福保站及站外各长50 m的高铁隧道，即监测长度为沿广深港线路方向长120 m的双线隧道[9]。

监测断面间距：沿隧道纵向按10 m间距布设一个监测断面。

⑵监测周期及频率如表1所示。

表1 监测周期及频率表Tab.1 Monitoring Period and Frequency Table

⑶监测变形控制值与警戒值如表2所示。

表2 监测变形控制值与警戒值表Tab.2 Monitoring Deformation Control Value and Warning Value Table

2.7.2 监测项目2：车站主体围护结构基坑监测

本车站基坑规模、开挖深度较大，开挖深度内基坑外侧管线较多，且上跨广深港客运专线高铁区间隧道，施工过程中的监控量测尤显重要，通过现场测量掌握围护结构工作状态，以确保施工及广深港客运专线高铁区间隧道安全。

⑴监测布点

支护结构的水平位移、沉降及测斜孔：纵向每15 m布置一个测点。

⑵监测报警

基坑周边沉降、位移主要来自于基坑开挖、支护施工对天然地质条件的人为改变。本基坑工程报警值（与广深港隧道相关监测）如表3所示。

表3 支护结构监测报警值Tab.3 Monitoring Alarm Value of Support Structure

3 应用效果分析

3.1 车站支护结构监测数据分析

通过对福保站监测数据分析（㉞～㊷轴），基坑侧向变形监测变化量14.05 mm，未超出预警值24 mm；冠梁沉降-0.7 mm，未超出警戒值20 mm；墙顶水平位移累计变化量0.6 mm，未超出警戒值20 mm；支撑轴力累计变化量6 063.7 kN，未超出报警值9 000 kN，监测数据如表4所示。