高层建筑接长电梯井道与地铁车站连通的设计与施工

毕经东，吴昊

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300133）

1 引言

受城市规划、物业开发等诸多因素影响，经常出现高层建筑和地铁车站设计阶段未考虑连通但施工阶段再进行连接通道设计和施工的情况。由于连接通道未与高层建筑和地铁车站统筹规划，通常会遇到高层建筑结构后开洞和新建连接通道与在建高层建筑施工安全相互影响的问题，给设计和施工带来了不小的难度。

为降低后开洞对高层建筑的安全风险，为新建连接通道提供足够的施工作业空间，连通接口通常设置于民用建筑结构侧墙部位，较少有在高层建筑基础底板后开洞设置连通接口和新建连接通道下穿在建高层建筑的情况。本文依托青岛银海科技大厦与地铁2号线高雄路站连通工程，研究如何在既有高层建筑核心筒电梯井道狭小空间内破除钢筋混凝土基础底板，以及如何在破除后的基础底板下方接长电梯井道并设置横向连接通道的设计及施工技术。

2 工程概况

2.1 银海科技大厦和地铁车站简介

银海科技大厦位于青岛香港中路与高雄路路口南侧地块内，地处青岛沿海经济圈，周边较为繁华。大厦占地面积4 370.6 m2，总建筑面积 37 729 m2，其中地上 29 989 m2；地下3层为停车场，地上28层为商住两用房，地下建筑总高度16.5 m，地上建筑总高度103.9 m。

大厦地上采用框架剪力墙结构型式，地下采用整体框架型式，地上地下不同结构型式通过受力转换层衔接。大厦底板坐落于微风化花岗岩层，除中部核心筒采用筏板基础外，其余采用柱下独立基础。核心筒内设置电梯和消防楼梯供人员上下行和疏散。

高雄路站位于银海科技大厦北侧香港中路道路下方，为青岛地铁2号线一期工程第9座车站。车站总长231.15 m，总宽18.6 m，采用11 m岛式站台，总建筑面积13 431 m2。

车站拱顶埋深10.5～20.3 m，设置于微风化花岗岩层，围岩类别Ⅱ～Ⅲ级，拱盖法施工，钻爆法开挖；主体采用单拱大跨薄壁墙的结构型式，防排水方式采用半包限量排放。车站主体结构标准断面如图1所示。

图1 高雄路站车站主体结构标准断面

2.2 银海科技大厦与高雄路站连通情况

银海科技大厦与地铁车站连接通道施工前，银海科技大厦已施工至地上19层，完成全部土建工程的71%；高雄路地铁车站已完成站厅层开挖，正施工拱部二衬。

银海科技大厦电梯井道与高雄路站站厅层进行连通，大厦客流出电梯后，通过水平人行通道进入地铁。由于大厦底层电梯与高雄路站站厅层存在8.65 m高差，因此，需对电梯井道接长处理，同时由于大厦基础已施工，需切割破除电梯井道处筏板基础。

电梯井道为2组，井道净空均为2.4 m×2.2 m，2组井道之间为200 mm厚剪力墙。新建的接长电梯井道与原井道净空尺寸相同。

图2 连接通道平面图

水平连接通道采用拱形断面，复合式衬砌，台阶法施工。通道结构净宽2.6 m，净高3.35 m；装修完成后净宽2.4 m，净高2.6 m。连接通道平面图如图2所示。

3 电梯井道筏板基础切割破除

根据使用功能不同，大厦地上、地下主体结构采用了不同的结构型式，地上为商住两用房小空间布局，采用了框架剪力墙的结构型式，地下为停车场大空间布局，采用了框架梁柱的结构型式，同时结合基础持力层为硬岩的特点，大厦整体基础型式采用了柱下独立基础，但电梯间需贯通地下至地上全部楼层，因此，为与地上、地下不同的主体结构型式进行较好地结合和衔接，电梯间和其余需上下层贯通功能单元采用了核心筒的结构型式，贯通功能单元地上层墙体构件通过核心筒延伸至地下层。根据大厦核心筒结构型式的特点，区别于大厦其他部分的独立基础，大厦核心筒底部基础采用筏板基础，其占大厦全部基础面积的6.8%。

大厦核心筒内除电梯井道外，还有消防疏散楼梯间、电梯等候间、通风井、强电井、弱电井、水暖管道井等其他功能单元。

筏板基础破除总面积与需接长的2组电梯井道净空尺寸相同，为2.4 m×2.2 m，占全部筏板基础面积的6%。

3.1 设计方面

大厦钢筋混凝土结构构件实际尺寸和配筋均按荷载规范要求，为在内力标准值的基础上考虑了35%的安全储备后通过计算确定。可以利用这35%的安全储备作为大厦筏基承载力损失的上限值，由于切割破除总面积仅占全部筏基面积的6%，即破除施工造成的筏基承载力损失为6%，小于35%的上限值，加之破除施工为短期临时行为，且大厦还剩地上9层结构尚未施工，筏基承载力未达到使用阶段计算值，因此从设计计算方面来看，可以认为切割破除施工是安全的。

3.2 施工方面

由于2组电梯井道间存在200 mm厚墙体，因此需对每组井道底部筏基单独分别进行破除。

电梯井道筏板基础厚1.4 m，切割这样的大体积钢筋混凝土构件，切割工具的选择十分重要。常见的碟式切割机受碟片半径影响主要用于切割薄壁混凝土，本工程的厚壁结构并不适用，因此，需采用一次性切割厚度大、钻头强度高的切割工具，加之井道内施工作业空间狭窄，因此，经研究决定采用金刚薄壁钻（即水钻）辅以金刚石绳锯联合破除[1，2]。

井道内施工作业空间狭小，仅够人员和施工机具操作空间，无切割后的混凝土渣块堆放场地，因此，要求渣块切割后立即运输到井道外；狭小空间内渣块只能靠小型电葫芦倒链运输出井道外，电葫芦倒链一次运输重量有限，因此单块混凝土切割体积受到限制。基于以上考虑，对每个井道分为4个区域进行筏基混凝土切割作业。

切割时，先使用金刚薄壁钻切割每个区域的中心部位，然后使用金刚石绳锯对边缘部分进行修边处理，尽量保证最终切割毛面平整，局部侵入井道净空的混凝土凸点使用风镐凿除，最终毛面使用水泥砂浆抹平。井道筏板基础切割分区和各区切割顺序如图3所示。

图3 井道筏板基础切割分区、顺序图

金刚石薄壁钻切割施工顺序：施工准备→定位、放线→钻工艺孔和起吊孔→预吊→切割→混凝土块吊装、外运。

金刚石绳锯切割施工顺序：确定切割位置→钻穿绳孔→安装固定导向轮→固定绳锯机→安装金刚石绳索→连接相关操作系统→设置安全防护栏→切割→混凝土块吊装、外运。

鉴于本工程切割混凝土的特殊性，施工安全尤为重要。因此，应特别注意如下安全施工注意事项：（1）金刚石薄壁钻和金刚石绳锯等电动工具施工前应检查工具的安全性并进行空钻试用；（2）切割前，预先准确计算每块切割体体积，不得超出起吊允许范围，切割混凝土块上植筋埋设吊环并对切割体进行预吊挂，以确保整体平稳吊装和施工安全，吊环可采用C16钢筋，钢筋锚入切割体长度400 mm；（3）金刚石绳锯切割过程中做好安全防护措施，避免金刚石绳索突然断开后金刚石串珠弹出伤人；（4）切割渣块通过电葫芦倒链运输出井外后，如运输不便可采用劈裂机破碎后装袋运走。

4 新建井道和水平通道开挖支护、岩体破碎方法

4.1 开挖支护方法

1）新建井道

新建井道采用全断面开挖，为了井道上部墙壁荷载更加安全有效地传递至岩石地基，采用边开挖边架设竖向型钢支撑的支护方法。

2）水平通道

水平通道采用台阶法开挖，网喷混凝土联合钢筋格栅钢架进行支护，其中格栅钢架采用密排的方式进行布置。

4.2 岩体破碎方法

新建接长电梯井道和水平通道均位于微风化花岗岩层，岩体单轴饱和极限抗压强度为45 MPa，岩质较为坚硬，岩体破碎方法有爆破和非爆破2种。爆破即为利用炸药燃烧短时间内产生的热量和高压气体破坏岩体；非爆破为利用岩体抗拉强度低的特点，采用无声破碎剂通过水化反应胀裂岩体，使完整的块状岩体产生裂缝[3]，再通过机械对岩体进行破碎。

新建井道紧邻大厦底部基础，水平通道与大厦底部基础净距仅为3.25 m，且大厦正进行20～28层土建施工。在如此近距条件下，如采用常规爆破施工则对大厦楼体的爆破震动影响较难控制；本工程岩体抗拉强度为5 MPa，因此，决定利用岩体抗拉强度低的特点，采用非爆破方式对岩体进行破碎。

4.3 静态破碎方案设计和施工控制

无声破碎剂是一种以氧化钙为主要成分的非爆破性破碎用粉状材料，其与水反应生成氢氧化钙，在放出热量的同时体积增大[4]。

1）孔位布置原则。参照隧道光面爆破原理，将掌子面分为掏槽区、开挖区和预留光爆层3个区域，各区分别设置掏槽孔、辅助孔和周边孔。前一阶段破碎孔为后继破碎孔创造临空面。

2）钻孔孔距与排距。孔距、排距大小与岩体硬度有直接关系，硬度越大，孔距与排距越小，反之则大。同时，孔距、排距大小也与岩石破碎效果和施工成本有关，孔距与排距越大，破碎效果越差，成本越低，孔距与排距越小，破碎效果越好，但是成本越高。因此，应通过现场原位试验确定适宜的孔距和排距。试验前，根据表1经验值初步确定孔距和排距。

表1 钻孔孔距、排距经验值

试验后，接长电梯井道确定的孔距与排距如下：掏槽区孔距和排距均为25 cm，开挖区辅助孔孔距30 cm，周边孔孔距20 cm。如图4所示。

图4 井道破碎孔孔位布置图

试验后，水平通道确定的孔距与排距如下：掏槽区中线密集孔竖向排距20 cm，掏槽区孔距和排距均为40 cm，开挖区辅助孔孔距45 cm，周边孔孔距35 cm。

3）钻孔孔径。钻孔直径与破碎效果有直接关系，钻孔过小不利于药剂充分发挥；钻孔太大易冲孔。我国目前静态破碎成熟的经验，钻孔孔径选为42 mm。

4）设计破碎深度、钻孔深度、装药深度、药剂用量。钻孔深度和岩石硬度系数有一定关系，同时根据开挖初期支护型式的不同，井道一次性破碎深度为1.0 m，水平通道一次性破碎深度为格栅钢架间距0.5 m，二者钻孔深度均为一次性破碎深度的105%。全孔装药。药剂用量：井道为15 kg/m，水平通道为10 kg/m。

5）确定最大膨胀力控制时间。温度是控制无声破碎剂膨胀力达到峰值反应时间长短的重要因素。温度越高，反应速度越快；反之则慢。通过市场调研及产品性能分析，选用某品牌的静态纸袋药卷破碎剂，最大膨胀力可达到122 MPa，通过控制拌和水温度以及抑制剂掺入量的多少，反应时间可控制在10～600 min。综合考虑药剂调配、人工装药时间和施工进度要求等因素，实际施工时，药剂反应时间控制在30～60 min。

6）水灰比。水灰比应适中，控制在28%～35%为宜，如破碎剂反应过快，则可在拌和水中加入抑制剂，以防冲孔伤人。

7）质量控制。（1）配置好的浆体在10 min内用完，以免影响药剂流动性和破碎效果；（2）刚钻完的破碎孔，孔壁温度较高，应确定温度正常并清洗干净后才能装药；（3）每班组单个工人在每次操作循环过程中负责装孔的孔数不宜过多，每次拌药量不能超过实际能够完成的工作量，工人取药、加水、拌和、装填过程中应基本保持同步，以尽量使每个孔眼的最大膨胀压保持同期出现；（4）装药过程中，已经开挖发生化学反应的药剂（表现为开始冒气和温度快速上升）不允许装入孔内。

5 新建井道、水平通道二次衬砌

1）新建井道。井道开挖到底后，利用架设的竖向型钢支撑，新建井道迎土面二衬钢构骨架采用型钢-普通钢筋组合的型式[5]，在型钢内外侧各设置1层φ8 mm@150 mm×150 mm钢筋网片。井道中间分隔墙厚度较薄，且位于内部环境，构件耐久性较好，因此仅设置型钢，不设置普通钢筋。井道全部二衬混凝土从底向上逐段现浇。新建井道二衬断面如图5所示。

2）水平通道。水平通道采用现浇普通钢筋混凝土的结构型式，待通道整体贯通后一次性施作二衬。二衬采用C45、P10混凝土，300 mm厚，主筋φ18 mm@150 mm。

图5 新建井道二衬断面图

6 监控量测和数值计算验证分析

6.1 监控量测数据结果分析

根据本工程施工风险专项设计专家评审意见，大厦沉降控制指标按位移最大速率控制值1.5 mm/d、差异沉降0.002L（L为相邻柱基中心距离，mm）标准执行，水平通道变形控制指标可按表2执行。

表2 新建水平通道沉降及变形控制指标

井道及水平通道修建过程中，水平通道拱顶最大沉降值为1.3 mm，位移速率最大值为0.2 mm/d，发生在隧道井道与水平通道接口附近，水平通道净空收敛值很小，最大值≤1.0 mm。

大厦各点差异沉降最大值均在控制值内。

现井道和通道二衬均已施工完毕，各监测点数值均已收敛。

6.2 水平通道数值分析验证

新建水平通道位于大厦基础正下方，距大厦基础底板3.25 m，距离较近，大厦楼体自重有成为水平通道上部附加荷载的条件，楼体自重较大，因此，水平通道的拱顶沉降数值至关重要，通过采用地层—结构模型对大厦和新建水平通道进行整体模拟计算分析，新建水平通道拱顶上方最大沉降值为1.12 mm，与监测结果较为接近，说明所采用的技术方案和工程措施是安全可靠的。

7 结语

已建银海科技大厦于微风化岩层在核心筒内接长电梯井道后再在大厦基础下方新建水平暗挖隧道与地铁车站连通是一项难度大、技术复杂、施工风险高的工程，其核心问题是工程实施过程中控制大厦楼体和新建水平暗挖通道的沉降变形，保证大厦后续在建工程顺利实施和大厦楼体竣工后能够正常使用。

实际开挖过程中，水平通道拱顶最大沉降值为1.3 mm，位移速率最大值为0.2 mm/d，净空收敛和大厦各点差异沉降均在控制值内，工程结束后，各监测点数据均已收敛，说明工程采用的金刚薄壁钻辅以金刚石绳锯切割筏板基础、静态破碎开挖、型钢组合体支撑、密排格栅钢架支护和型钢+普通钢筋混凝土二衬的综合技术方案是可行的。

本工程的综合工程措施和实施方案可为今后类似工程提供参考，也可为后续研究者系统归纳、总结高层建筑与地铁车站连通提供工程案例。