既有地下空间暗挖加层关键技术在轨道交通中的应用

武天宇，严若明

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

1 引言

地下结构加层问题作为地下空间规划的主要内容，已成为当前轨道交通工程进一步发展的重要课题。根据国外研究情况来看，因为地质条件、施工工艺等因素的限制，有关地下结构加层施工都需要占用路面，重新开挖进行施工。基于此，为了解决传统地下结构加层时占用地面空间的问题，研究如何在现有基础上探究一种新型的地下空间加层技术至关重要。本文主要探讨了轨道交通工程中既有地下空间暗挖加层关键技术。

2 既有地下空间暗挖加层技术的相关概述

既有地下空间暗挖加层施工直接在地下土体内部开挖，不涉及地面开挖工作。本项目所在区域水文地质条件影响较大，并且存在工作环境不佳、施工面较窄[1]，但该工程同样具有不影响周边市民活动、交通工程以及城市运行的特点，目前在轨道交通工程中应用较多。有关施工单位需要注意的是，在应用该技术前需要对项目地下施工区域的周围介质进行监测，结合工程实况合理引进施工手段，也可以在传统施工技术的基础上进行创新，促使地下空间暗挖加层工作顺利开展。

3 工程项目

某轨道交通工程为换乘枢纽，位于该城市重要的商业中心，对于城市发展具有十分重要的现实意义。为满足轨道交通工程的发展，现需在地下1层（商场）、地下2层（地铁设备用房）的基础上向下加层，形成新的地下3层，包含换乘大厅、南区地下空间层。结合项目需求，向下加层深度为6.8 m，新结构底板埋深为12.5 m。该轨道交通地下结构图如图1所示。

图1 轨道交通地下结构图

4 工程地质

该轨道交通项目所在区域为典型的软土地基，土层从上到下分别为杂填土、粉质黏土、淤泥质黏土、砂质粉土、粉砂。地基土物理力学指标见表1。

表1 轨道交通工程地基土物理力学指标

5 既有地下空间暗挖加层关键技术

5.1 共板共墙共柱理论

通常情况下，开展地下空间暗挖加层施工需要解决既有结构的托换、改造以及周边环境保护、协调问题。想要充分利用既有结构资源，需要在施工规划阶段合理应用共板共墙共柱理论，充分应用既有结构顶板与结构立柱、结构外墙等，与暗挖施工盖板、托换加层临时支柱与新设支护共用[2]。

5.2 低净空下的支护桩技术

在本工程案例中，由于支护结构长度不能满足加层开挖工作的实际需求，为了不占用地表面积，新增支护结构需要在既有地下空间内进行施工，由于既有空间层高的限制，施工单位要保障施工效率，需要选择合适的支护桩技术。根据以往的支护施工情况，常见的钻孔桩支护、SMW工法等都无法满足施工需求。基于此，施工单位结合项目施工实况，通过插入H型钢旋喷加固的复合支护工艺进行处理，这一工法即IBG工法。施工单位首先需要分节压入H型钢，随后在各型钢间设置喷浆孔，开展旋喷加固工作，形成挡土止水的支护体。这一工法的有效应用能够有效解决因浆液凝固导致无法插入型钢的问题，此外，该支护桩技术还具有平整度良好、垂直度优良、水泥土均匀性良好的特点[3]。

需要注意的是，应用该支护桩技术时，需要充分考虑旋喷桩直径，明确喷射过程中型钢遮挡带来的影响。IBG工法中的支护桩的刚度EI可以通过式（1）计算：

式中，E为支护桩的弹性模量，MPa；I为支护桩的惯性矩，m；Es为支护桩型钢弹性模量，MPa；Is为支护桩型钢，m；α为水泥土刚度，通常取0.2。

5.3 既有结构托换技术

在既有结构底部暗挖加层施工过程中，施工单位需要重视施工过程中的卸载、加载过程对既有结构以及周边环境带来的影响。在托换加层过程中，施工人员要始终保障既有结构顶板体系不变，条件允许的情况下可以采用碳纤维进行加固，结合既有结构配筋以及顶板刚度对相关桩基沉降控制要求进行明确。在本工程项目中，桩基沉降单柱不得大于10 mm。

若既有结构顶部载荷不大，或为单建式地下结构，施工单位可以选择被动托换技术，对既有支柱进行处理，每根既有支柱应用2～3根托换桩，并在周边设置钢筋混凝土承台。在托换既有支柱时可以采用静压钢管桩，分节施工完成托换工作。在此过程中可以应用对称跳桩施工工艺，以减少桩体对周边环境带来的影响。此外，还需严格把控静压钢管桩的送桩压力，确保压力低于钢管桩桩身承载力的0.9倍。此外，钢管桩承载力的特征值还需要考虑土塞效应，钢管桩承载力估算公式为：

式中，Q为钢管桩承载力，kPa；u为钢管桩周长，m；qsik为单桩第i层土的极限侧阻力标准值，N；qpk为单桩极限端阻力标准值，N；li为第i层土厚度，m；Ap为钢管桩端面积，m2。

既有结构托换技术应用施工主要程序为：施工区域清理，地下结构局部处理→制作围护→托换桩施工→在既有结构底部开洞→对土地逐片旋喷加固→向下放坡开挖制作底板→制作抛撑以及侧墙→原位恢复柱网与楼板，完成加层工作[4]。

5.4 软土条件下加层基坑的微扰动开挖加固技术

根据该轨道交通工程项目所处区域地质情况来看，软土地基处理是既有结构地下空间暗挖加层需要重视的问题之一。若下挖区域与建筑物或运营线路距离过近，基坑中则需要存在大方量地基，以此保障基坑施工安全。此外，加固设备也要满足净空施工，对周边环境不能造成影响。根据以往软土条件下地下结构加层施工情况来看，若采用传统旋喷施工技术将会对周边环境带来较大影响，基于此，要采用微扰动开挖与加固技术，该工法对设备机架高度要求不高，仅为3.85 m。结合项目第3层结构需求与实际土方开挖工程来看，采用盆式开外或分块施工的手段能够在很大程度上控制施工周边既有结构的变形现象，

6 应用效果

本工程项目位于轨道交通工程换乘枢纽，既有地下结构分2层，一层为地铁商场，一层为其他线路换乘大厅。由于施工现场周边环境较为复杂，涉及城市商业中心等多个建筑，因此，施工单位需结合项目实况合理规划地下空间结构加层施工。根据地下空间暗挖加层关键技术的实际应用情况来看，在施工期间，该项目所在区域的所有轨道线路正常运行，并且路面沉降情况属于正常范围，项目既有地下1层与2层结构均未受到影响，无论社会效益还是经济效益都取得了预期效果。

7 注意事项

7.1 安全问题

由于地下空间暗挖加层技术在应用过程中会对地表造成一定影响，导致地表出现沉降现象，进而埋下安全隐患。基于此，施工单位需要在施工过程中做好以下4点：（1）始终遵守我国有关部门出台的法律法规，以“预防为主”为施工原则，在施工活动中要严格遵守安全生产、文明施工的规定，为施工人员营造安全的施工环境。（2）需要结合项目实况构建完善的安全生产责任制度，促使安全管理工作有据可依[5]。（3）一旦发生安全事故，有关人员一定要严肃彻查，以儆效尤的同时，将施工活动中的安全隐患扼杀在源头。（4）加强安全教育与培训工作，无论是对施工人员还是工程监理人员都需要定期开展监理工作，通过以往施工安全事故案例明白安全施工的重要性，提高工作警惕性，培养安全施工意识，使其能够规范自身施工行为，保障工程项目施工活动开展。

7.2 环境问题

由于地下空间暗挖加层技术在轨道交通工程中应用时会对周边环境造成影响，施工单位针对这一现象要树立绿色施工意识。首先，在施工活动中尽量采用新施工技术，比如，应用IBG工法代替传统钻孔桩技术，以减少对周边环境的损害。使用新型材料代替旧材料，降低施工活动对环境的污染。其次，虽然该项目为地下空间施工，但是为了减少地表沉降，为施工人员营造良好的施工环境，需要对噪声污染进行控制，尽量避免采用噪声大的设备施工，在夜间禁止噪声大的设备运行。最后，合理布置地下空间施工现场，有关施工材料、设备等都需要严格按照项目平面规划要求摆放，确保施工现场整洁有序。

8 结语

综上所述，要将既有地下空间暗挖加层关键技术有效应用于轨道交通工程中，施工单位需要结合项目需求提前做好规划工作，科学引进并运用共板共墙共柱理论、重视低净空下支护桩技术、既有结构托换技术的应用条件，严格把控各施工环节，对安全问题、环境问题引起重视并采取科学合理的对策进行防治，确保地下空间结构加层施工活动能够顺利开展，为轨道交通工程后期运行奠定基础。