邻近历史建筑的复杂地下空间改扩建施工技术*

汤永净，于 品

(1.同济大学浙江学院，浙江 嘉兴 314051； 2.同济大学土木工程学院，上海 200092)

1 工程概况

伦敦市地铁银禧线在威斯敏斯特区域与现有的已运营线路District and Circle Line(D&CL)形成交汇换乘，而现有的D&CL车站无法满足换乘站的使用条件，需重新规划车站的售票厅及换乘通道等设施，对车站进行改扩建工作。同时，车站位于伦敦的政治中心，该地段规划建设议会大厦二期。建设者提出将车站改扩建与拟建的议会大楼二期工程相结合，将新车站规划在议会大楼二期的正下方，并作为议会大厦二期的基础。

为保证车站的开放性与安全性，扩建后的新车站地下部分由浅埋地下室和深箱结构组合。深箱基础长74m、宽28m。银禧线2个方向的站台隧道(7m内径)则竖向堆叠于车站深箱结构南侧，深度为布里奇街水平面下方30m和21m[1]，如图1所示。扩建的深箱结构南侧与大本钟最近距离仅34m。

图1 车站改扩建布局

车站改扩建过程中主要使用明挖法施作深箱结构，需凿除扩建范围内D&CL下方的基础。由于D&CL是伦敦市轨道交通的大动脉，客流量巨大，车站改扩建过程中不能影响线路的正常运营，需在施工前重新支承现有线路的基础。这给车站改扩建工作带来极大挑战。此外，施工区域邻近大本钟及重要的管线设施，需严格控制深箱结构及隧道施工所引起的地面位移。施工期间，建设方采用基础托换的方式确保在深箱结构施工过程中D&CL线路的正常运营；选用补偿注浆技术，在完成车站改扩建工程的同时，有效保护了邻近的历史建筑大本钟。

2 D&CL线路的基础托换

近年来，随着国内对地下空间的大力开发，紧邻建筑物及构筑物的地下工程项目愈发多见，给设计和施工带来诸多挑战。基础托换技术通过对既有建筑物的基础进行加固和替换，有效提高建筑物基础的强度，增强建筑物抵抗不均匀沉降的能力，从而将周边地下工程施工对建筑物造成的沉降和倾斜等影响降至允许范围内[2-5]。

D&CL车站已建造100余年，基础建立在倒砖拱砌体上的重力式砌体挡土墙上，车站采用明挖法施工。由于车站改扩建施工不得影响D&CL线路正常运营，在开挖前通过托换技术临时支撑D&CL线路，以便其在深箱结构开挖区域的上方能正常运营。

项目中通过采用1 390mm厚的支撑板及其两侧搭接在南北侧地下连续墙上的边梁组成的结构体系来托换D&CL线路的原有基础(见图2)。边梁在跨中部位由直径3m桩支承，从而有效地为原D&CL车站提供支撑。施作支撑板时，D&CL线路下方的地下连续墙尚未施工，故在支撑板下方布设长6m的φ300mm连续小型桩，在箱体开挖的初始阶段作为对支撑板的支撑。

图2 现有车站基础托换平面

基础托换的具体施工方法如下[6]：①在线路非运营时段，移除现有的轨道和道砟，在倒砖拱层安装纵梁，恢复轨道；架设脚手架作为临时站台。轨道和临时站台通过螺栓与纵梁连接，此时站台和轨道的荷载经由纵梁传递至下方砖拱层；②沿D&CL方向分段设置托换施工区(见图3)，在托换区内的轨道和临时站台下方挖施工槽，并施作部分支撑板；③在支撑板处设置横梁对新安放的纵梁进行支撑，此时对纵梁的支承从原有的倒砖拱基础转移至支撑板；④开挖托换施工区之间的剩余区域，并施作支撑板的剩余部分，从而将深箱结构上部的D&CL轨道及临时站台的基础托换到支撑板上；⑤施作支撑板的边梁。

图3 现有车站基础托换剖面示意

完成基础托换后，即可凿除原有的倒砖拱基础并进行下方深箱结构的开挖。深箱结构施工时，建立变形监测系统，在不中断地铁运行的条件下监测轨道开挖过程中的沉降，在停运时段可及时调整轨道位置，确保D&CL线路的安全运营。

3 大本钟保护措施

3.1 底部横撑

深箱结构采用地下连续墙和内支撑围护方案。为确保大本钟的安全，在深箱结构开挖前，创造性地在深箱结构地下连续墙底部设置横撑(见图4)，使得整个深箱结构开挖过程中有效减小和控制地下连续墙的侧向位移，因而降低对大本钟的不利影响，预计可减少大本钟处的地面位移达33%。

图4 深箱结构底部横撑

利用深箱结构的工程桩作为竖井，在设定位置用顶管法施作水平向的施工管道，进而在施工管道中施作横撑。在深箱结构开挖前，将φ3m桩视作竖井，穿过竖井到达横撑所在水平面，向东西方向施作2条施工管道，到达3根底部横撑的位置后依次施作3条南北方向的施工管道，在管道内通过预制混凝土与现浇的方法制作φ1 770mm 支撑以及 1 800mm 厚的锤形腰梁，组成底部横撑，如图4所示。每个支撑内部安装5对液压水平千斤顶，总顶力为7 640kN。地面控制室通过液压软管连接底部横撑的千斤顶，并根据地下连续墙位移监测情况调整底部横撑的顶力，从而更好地控制地下连续墙位移。

3.2 深箱结构逆作法施作

项目建设初期，对顺作法及逆作法进行了对比分析。如采用顺作法施工方案，深箱结构开挖过程中需架设58个临时支撑，待底板浇筑完成后由下往上安装永久的水平支撑，工序较为繁琐，且临时支撑的存在会影响下部区域开挖及水平支撑的安装。而采用逆作法施工，可同时建造横向腰梁和竖向扶壁并安装水平支撑，此时箱形结构的内部支撑主要由两端的永久板和中间的永久水平支撑组成。更为重要的是，逆作法施工有利于基坑工程的变形控制和周边环境保护[7-9]，相对于顺作法，采用逆作法由于水平楼板和永久水平支撑的刚度高于临时水平支撑，且免去临时水平支撑的拆除步骤，从而可减少地下连续墙的水平位移。故最终采用逆作法施作车站的深箱结构，同时在永久水平支撑和地下连续墙之间设置由钢筋混凝土腰梁和扶壁组成的网格状结构，与地下连续墙共同作用，形成复合墙，更好地承受深箱结构周围的水土压力。D&CL基础托换、地下连续墙底部设置的横撑及逆作法施工的完整工序如图5所示。

图5 车站深箱结构施工工序

1)阶段1 施作场地周边支护，包括单侧地下连续墙、桩基础及钢柱。

2)阶段2a 施作D&CL车站的支撑板。

3)阶段2b 施作底部横撑及锤形腰梁，D&CL车站下侧开挖至90m水平面，施作车站下侧地下连续墙。

4)阶段3 车站下侧地下连续墙延伸至支撑板处，开挖箱形结构至第1层永久支撑的水平面，安装第1层永久支撑，浇筑腰梁、扶壁及板。

5)阶段4 依次开挖箱形结构至各层永久支撑水平面，安装横跨支撑，浇筑腰梁、扶壁及板。

6)阶段5，6 重复阶段4，直至所有永久支撑、腰梁、扶壁及板安装完毕，开挖至底板处，浇筑底板及基础梁。

D&CL车站的支撑板施工完成后，在支撑板下方施作超低净空地下连续墙，形成完整的箱形结构。随后将整个深箱结构开挖至第1层永久水平支撑的深度，现场浇筑腰梁及扶壁网格结构以组成复合墙，共同抵抗水土压力(见图6)。腰梁、扶壁和永久水平支撑通过φ50mm钢筋连接到地下连续墙中预埋的连接器，与地下连续墙连接。逐层施作永久水平支撑、腰梁、扶壁及两侧板，直至最后一层永久水平支撑所在深度。在深箱结构底部，设置400mm厚排水垫层，在排水垫层上浇筑2m厚混凝土底板和3.5m高、2.2m宽基础梁。底板分为4段进行浇筑，每次浇筑1 000～1 600m3混凝土。基础梁布置在φ3m排桩的顶部。深箱结构内部墙体、扶梯以及劲性混凝土柱则由下而上施作完成。容纳自动扶梯的大型钢制外壳竖立在深箱结构的中央部分，支承于永久水平支撑上。

图6 车站深箱结构支撑

3.3 补偿注浆

箱形结构及银禧线隧道施工会导致上方街道、市政管道及邻近大本钟等建(构)筑物产生不均匀沉降，引起建筑物的附加倾斜、开裂等，需采取相应措施以尽量弱化车站改扩建对周边建筑及构筑物的影响。补偿注浆是有效措施之一，它是通过改善土体的受力特性，对地层进行水力压裂以引起隆起，从而补偿地下工程施工所引起的应力释放和体积损失，常用于地下工程施工时对紧邻建筑物的注浆加固及倾斜沉降控制[10-11]。

通过在车站周边及银禧线隧道上方布设注浆管，根据监测数据，适时补偿注浆，有效控制车站改扩建及隧道施工对大本钟及其他周边建筑物的不利影响。银禧线隧道上方的注浆系统位于隧道顶部与泰晤士砾石层界面之间，采用呈拱形结构分布的5条φ1.0m管道布局(见图1b)。通过综合考虑，沿银禧线布置注浆井筒，并通过水平钻孔安装TAM注浆管，如图7所示。每根TAM注浆管设系列间隔为0.3m的小孔，通过橡胶套和充气式封隔器装置选择特定位置的注浆孔，以便控制注浆位置和注浆量[12]。

图7 施工区域周边注浆管布置

大本钟东北侧的4号注浆井筒和注浆管用于确保大本钟的安全，注浆区域从大本钟延伸到布里奇街，根据间距为3m的阵列确定注浆孔位置。施工过程中根据大本钟的倾斜度决定是否施加补偿注浆，大本钟最大允许倾斜值为1∶2 000，开始补偿注浆的临界倾斜值为1∶2 500。根据大本钟自身高度55m确定补偿注浆的临界值及最大允许倾斜值所对应的倾斜位移分别为22mm和27.5mm。结合项目的工程特点，补偿注浆的施工控制范围调整为：补偿注浆临界值对应的倾斜位移下限15mm，最大允许倾斜值对应的倾斜位移上限为25mm。

第1条西行隧道施工期间，大本钟发生了明显位移，倾斜位移为4mm。随后在固结沉降和车站深箱结构第1层板开挖产生位移的共同作用下，大本钟以1.1mm /月的速率继续倾斜。9个月后站台隧道扩建、车站深箱结构开挖主要阶段还未开始，大本钟倾斜位移已达14mm，需通过补偿注浆控制大本钟的倾斜。随后进行初步注浆，对监测和控制系统进行调试。深箱结构底层开挖结束期间，共进行24次单独注浆作业。根据对大本钟的实时倾斜监测，调整每次注浆量及注浆平面位置。注浆位置及注浆量如图8所示。

图8 大本钟区域注浆位置及注浆量(单位：L)

监测结果表明，补偿注浆对大本钟的倾斜控制具有显著效果。其中，从初步注浆至深箱结构底层开挖结束，大本钟的倾斜位移增长控制在11mm之内，其对应的倾斜度为1∶5 000。在整座车站改扩建施工期间，补偿注浆可将大本钟的倾斜位移控制在25mm内。由此可见，基于大本钟的倾斜位移发展状况而施加的定点定量的补偿注浆，可有效将车站改扩建施工导致邻近大本钟产生的倾斜位移控制在历史建筑保护的允许范围内。

威斯敏斯特车站改扩建施工过程中，通过在地下连续墙基部设置底部横撑、深箱结构逆作法开挖及补偿注浆施工技术，在车站改扩建工程及银禧线隧道施作期间，将大本钟的倾斜和沉降控制在允许范围内，成功在密集的建筑空间内完成车站的改扩建及银禧线隧道的建设。

4 结语

威斯敏斯特车站改扩建工程毗邻知名历史建筑大本钟和公共建筑，且需保证现有的D&CL线路正常运行，施工面临极大挑战。该车站工程设计、施工的成功经验对我国当前越来越密集的建筑布局条件下的地下空间开发设计、施工、监测具有参考价值。

1)为满足车站使用要求，在现有车站下方施作深箱结构，实现车站的通达功能。

2)构造临时站台及轨道，通过纵梁和支撑来实现对现有D&CL车站的基础托换，并通过建立变形监测系统，检测轨道在开挖期间的垂直位移并及时纠正，保证车站改扩建过程中D&CL线路的正常运营。

3)深箱结构采用逆作法施工，开挖施工前创造性地在地下连续墙基部施作底部横撑，以控制未开挖区域的地下连续墙变形；并通过逆作法施工过程中建造腰梁和扶壁与地下连续墙共同组成复合墙，安装永久的水平支撑，和深箱结构两端的板共同支承复合地下连续墙。逆作法简化了施工步骤，并有效控制了大本钟在开挖期间的附加倾斜沉降。

4)在大本钟区域设置补偿注浆系统，根据车站改扩建施工过程中实时监测到的大本钟的沉降和倾斜，确定区域内的注浆位置及注浆量并进行补偿注浆。监测表明，在车站改扩建施工过程中进行补偿注浆，成功地将大本钟的倾斜位移控制在25mm内，符合大本钟的保护要求。