地铁既有车站上盖增层明挖法施工的关键技术*

2022-12-13王志康

城市轨道交通研究 2022年10期

王志康

(中铁十四局集团有限公司， 250014，济南∥工程师)

随着我国大城市的地铁线路运营成网，地铁换乘车站数量日益增多，车站多维拓建已成为新的建设趋势[1]。地铁车站多维拓建主要包括以小扩大、密贴下穿、上盖增层等。其中，上盖增层可采用明挖法施工，其施工简便、受力直接，可作为地铁换乘车站拓建的一种新选择。

目前，针对既有车站结构的增层施工已有部分研究成果，但主要集中在向下增层改造方面[2]。车站向下增层的关键是施工过程中保证上部结构的正常使用。文献[3]运用地基、基础和建筑物的相互作用关系，探讨了锚杆静压桩在建筑物向下增层过程中的应用。文献[4]考虑桩-土-结构的相互作用，分析施工引起的车站上部结构的拉应力、拉应变规律，发现锚杆静压桩可以有效控制车站上部结构变形。车站向下增层必然影响原有桩基承载刚度的改变，文献[5]通过数值分析、理论研究及模型试验方法研究了桩基承载及变形性状，认为基坑开挖导致桩侧阻力和桩端阻力非同步发挥现象明显。文献[6]结合软土地基下方拓建车库工程的案例，探讨了既有工程中桩支承结合拓建基坑中水平支撑实施的可行性，并提出差异变形控制技术。综上，国内外针对车站增层的研究多集中于其下部暗挖增层，目前采用明挖法施工车站上盖增层的研究却鲜见。

基于此，以北京地铁苹果园换乘站为依托，对车站上盖增层拓建的关键技术进行了研究，为我国地铁车站建设提供了新的思路与建设方法。

1 苹果园站工程背景

1.1 工程概况

北京地铁6号线(以下简称“6号线”)苹果园站位于苹果园南路与阜石路交汇口东侧、苹果园南路下方，沿苹果园南路北侧东西向设置。该车站与北京地铁1号线(以下简称“1号线”)苹果园站夹角约为70°(见图1)。苹果园站新建结构需在既有结构的基础上进行上盖增层拓建。

上盖增层拓建基坑分为东、西两个独立的基坑，两个基坑分别位于1号线车站的东、西两侧(见图1)。两个基坑平面尺寸相同，长37.4 m，宽26.9 m，深约12.0 m。地下水位在车站底板下方约10.4 m。基坑围护结构采用人工挖孔桩+内支撑体系。

1.2 车站上盖增层基坑支护设计

车站断面宽23.1 m，高22.5 m，采用C30钢筋混凝土浇筑而成。车站覆土厚约4.3～4.8 m，最浅埋深约3.8 m，底板埋深约27.5 m，见图2。车站负二、三层采用洞桩法施工，施工完成后负一层采用明挖法施工。上盖增层基坑的围护桩采用φ1 000 mm人工挖孔桩，桩间距为1.6 m，桩间采用厚100 mm的钢筋网喷射混凝土。基坑内支撑布置及土层分布如图2所示。

2 车站上盖增层的施工技术

2.1 上盖增层的施工方法

车站上盖增层结构采用明挖法施工，围护桩采用人工挖孔桩。开挖到既有车站小导洞拱顶后，将桩体与既有车站连接，施作桩顶冠梁和第1道混凝土支撑。开挖基坑并架设3道钢支撑。第3道支撑架设后，开挖除反压土之外的土体，凿除影响施工的既有车站初支结构和回填的素混凝土，并施作防水层及侧墙结构。待侧墙达到强度后，开挖剩余反压土。凿除剩余初支结构和回填的素混凝土，并施作剩余防水层和侧墙结构。待第3道支撑下部主体侧墙结构达到强度后，拆除第3、2道钢支撑，施作防水层和换乘厅剩余上部主体结构。对车站结构与围护结构间的肥槽采用同步回填。待顶板达到设计强度后，敷设顶板防水层，拆除第1道内支撑，破除地表下方3 m范围内的挡墙、冠梁及桩身结构，回填基坑。

2.2 上盖增层的安全控制措施

基坑东、西两侧围护桩直接落在既有车站结构上方，无法嵌入土体，为“吊脚桩”形式，影响基坑稳定性。因此，提出桩底与初支结构连接、桩后土体深孔注浆加固及预留反压土等3种安全控制措施以保证基坑安全。

1) 桩底与既有初支结构连接技术。施作无嵌固桩时，开挖至既有车站小导洞拱顶后，采用风镐破除其小导洞拱部初支结构(厚200 mm)。对人工挖孔桩钢筋进行绑扎时，将桩的主筋和导洞的格栅主筋焊接成整体。

2) 桩后土体深孔注浆加固技术。为保证无嵌固桩一侧的桩体稳定性，施作无嵌固桩后，对桩后土体进行深孔注浆加固。注浆宽度为3 m，注浆深度为地表下方3.7 m至基底。浆液与土体反应后可提升土体的力学参数，使原本松散、多孔的土体形成压缩性小、密实度高、稳定性好、抗渗强且具有一定抗压能力的胶结体[8]。

3) 预留反压土。为进一步保证基坑安全施工，开挖到第3道支撑下方时，保留车站平面4个角部的原状土反压基底。反压土沿基坑纵向长8 m，横向宽6 m，高2 m，如图3所示。在反压土范围外侧墙结构施工完成后，再进行反压土开挖。

2.3 上盖增层围护桩的变形规律

选取He(基坑开挖深度)为4.0 m、8.7 m、12.2 m和拆除第3道支撑等4个典型工况，对基坑A1、B1桩的水平位移进行了分析。

图4、图5分别为A1和B1桩在不同工况下的水平位移监测曲线。由图4可见，A1桩桩底水平位移接近于0，说明桩底与初支连接的措施可以有效限制桩底变形。由图5可见，桩体最大位移出现在嵌固桩拆除第3道支撑后，其值约为4.50 mm，为基坑开挖深度的0.037%。这表明人工挖孔桩、桩底与初支连接、桩后土体注浆加固及预留反压土等措施能有效地抑制桩体变形。

3 车站上盖增层结构接头施工技术

在既有车站结构的基础上进行上盖增层拓建时，新、旧结构接头位置存在薄弱点，会影响车站结构的整体性。故新、旧结构接头是控制结构整体性、安全性的关键，有必要对车站结构接头施工进行研究。

3.1 车站接头搭接施工及结构防水设计

为保证车站结构连接的强度，在既有结构侧墙及钢管柱预留钢筋甩头及接驳器，并对顶纵梁与导洞间隙进行注浆填充。上部结构开挖完成后，凿除临时顶板上方导洞结构及内部回填的混凝土，剥离预埋钢筋及接驳器，绑扎上部结构侧墙及顶板钢筋，浇筑混凝土，从而使车站结构形成整体。

车站结构防水体系分期实施，下部结构有完整的外包防水(塑料防水板)，同时在临时顶板外挑位置内附1层SBS(改性沥青防水卷材)，与上盖增层结构侧墙外包SBS进行搭接，并对车站交接处的防水甩茬采取保护措施，见图6。

3.2 车站结构整体性分析

为了分析车站结构整体的安全性，研究超厚回填体抑制车站结构的应力集中作用，采用数值模拟分析其变形受力特征。考虑场区的水文地质条件和主体结构高度，计算模型的平面尺寸定为72 m×36 m×36 m。该模型的上表面为自由面，侧面限制水平位移，底面限制水平和竖直位移。本基坑涉及大体积卸载，对变形参数更为敏感，因此本模型粉质黏土和卵石层采用Hardening-Soil本构模型。其中，卵石取3Eoed,ref(主压密加载试验的切线刚度)=3E50,ref(三轴试验割线刚度)=Eur,ref(卸载弹性模量)，粉质黏土取2Eoed,ref=2E50,ref=Eur,ref，并根据位移反分析确定E50,ref=3ES(E0)(ES、E0分别为压缩模量和弹性模量)。此外砂岩采用Mohr-Coulomb模型。根据受力特点，车站结构和各层土体均采用实体单元模拟。车站岩土层物理力学参数见表1。

表1 苹果园站岩土层物理力学参数

为了分析车站结构接头处防水层的性能，在结构受力分析计算模型的基础上，进一步分析新、旧结构交界处防水层的力学特性。交界处防水层厚度分别为3 mm、4 mm，防水层细部模型见图7。模拟中将防水层简化为弹性材料，弹性模量取200 MPa。

图8—图9为车站结构的位移及应力。由图8—图9可见，车站结构的变形和受力较小；最大竖向位移为0.2 mm，最大水平位移为0.02 mm；最大拉应力为0.8 MPa，仅为其抗拉强度设计值的55.9%；最大压应力为7.16 MPa，仅为其抗压强度设计值的23.9%。由此可见，车站结构的拉、压应力远小于混凝土的容许应力，结构安全性能较高。

侧墙为接驳的重点部位，单独提取侧墙的应力进行分析，如图10所示。由图10可见，侧墙最大拉应力位于超厚回填体位置，其值为0.30 MPa，远小于混凝土的抗拉强度。此外，侧墙底部接驳部位整体受压，未出现拉应力，其最大值为0.86 MPa。由此可见，超厚回填混凝土会使侧墙的最大拉应力位置上移，以提高车站结构的安全性能。

回填结构可使车站侧墙底部接驳部位整体受压，这对接驳部位的安全性具有积极意义，因此可对回填结构不同高度时侧墙的受力特征进一步研究。图11为回填结构厚度对侧墙受力的影响规律。由图11可见，回填结构厚度对侧墙的最大压应力基本无影响，而对侧墙的最大拉应力具有一定影响；回填结构越厚，侧墙受到的拉应力越小。由此可见，回填结构可以有效抑制侧墙的应力集中，对缓解接驳处受力具有积极意义。回填结构厚度超过2 m后，随着其厚度增加，侧墙拉应力基本不再变化。因此，工程中回填结构厚度设置为2.48 m是比较合理的。

图12为防水层的应力图。由图12可见，车站结构接头处防水层整体处于受压状态，这对防水层的搭接具有积极意义。接头处防水层受压时可有效避免因防水层搭接而造成的层间开裂，也进一步降低了防水层失效的可能性。由此可见，接头处防水层受压对防水层的防水性能是有利的。