连续沉井法建设轨道交通地下车站的关键技术研究

张中杰, 吕培林, 俞 剑, 郭振坤, 张擎宇, 王浩然

(1. 天津大学建筑工程学院, 天津 300072; 2. 上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200125; 3. 同济大学, 上海 200092)

0 引言

随着城镇化进程的加快,我国轨道交通发展迅速,并呈现出地下段占比越来越大的趋势[1]。以上海市为例,目前正在建设的轨道交通工程中地下段占比超过85%。在软土地区,地下车站主要采用明挖基坑建设,通常分为2个阶段: 第1阶段是通过建立安全可靠的支护结构体系形成有效的施工空间,第2阶段是在第1阶段形成的空间内建造车站主体结构。其中,第1阶段的支护结构体系均为临时结构,造成了大量工程材料和建设工期的浪费。

在“碳达峰、碳中和”的国家战略背景下,轨道交通建设方式亟待绿色转型。近30年来,构建永临结合的地下结构体系一直备受广大学者关注,且开展了大量的研究。在“两墙合一”技术方面,王卫东[2]提出了以地下连续墙作为主体结构的设计方法;宋青君等[3]和陈其志等[4]对“两墙合一”技术在基坑工程中的应用进行了扩展和优化,均取得了良好的实施效果;朱旻等[5]在国内地下车站建造现状的基础上,提出了“两墙合一”的装配式地铁地下车站结构形式,该方案沿用了内支撑体系,采用2阶段的施工方式,地下连续墙仍需嵌入底板下一定深度。在“结构逆作”技术方面,刘建航[6]介绍了上海地铁1、2号线中淮海路和南京路站首次应用逆作法的设计方案,其利用混凝土楼板实现一撑两用;罗发扬等[7]基于逆作法与明挖顺作法,提出了采用中板逆筑的框架逆作法,利用楼板框架代替部分钢支撑;苏卜坤等[8]和杨向华等[9]分别对盖挖逆作地铁车站的设计计算和施工工艺进行了探讨和改进,得到了施工阶段和使用阶段较为准确的内力和变形。

综上所述,目前明挖地下车站的设计建造理念仍为明挖基坑,以“两墙合一”和“结构逆作”为代表的新技术只考虑了基坑临时支护结构与车站永久主体结构的部分结合,建造过程中仍存在底板下一定嵌固深度的地下连续墙和大量内支撑等废弃工程。本文根据嘉兴至枫南市域铁路工程曹庄站的实际背景,提出了连续沉井法建造新技术,通过分批下沉间距紧密的沉井群并纵向贯通形成狭长型整体车站结构。

1 总体设计方案

1.1 工程概况

曹庄站为嘉兴至枫南市域铁路工程的中间站,位于嘉兴市郊,为地下2层岛式站台车站,其总平面图和横剖面图分别如图1和图2所示。车站主体总长283.4 m,标准段总宽24.8 m,埋深为20.8 m,顶板覆土3～4 m,总建筑面积19 030 m2。

图1 曹庄站总平面图(单位: m)

图2 曹庄站横剖面图(单位: mm)

拟建场地内的规划道路均未实施,现状为农田或水塘,无影响车站实施的地下管线,地势平坦开阔,施工条件较好。

本工程所在区域为冲湖积沉积平原地貌单元,第四系覆盖层厚度较大,浅部分布冲海积淤泥土,中部及下部为冲湖积黏性土层,下部为冲积砂土、碎石土层。场地土层物理力学性质参数如表1所示。其中,③层、⑤层淤泥质粉质黏土呈流塑状,为软弱土层,工程性质差,具有高压缩性、高灵敏性、高触变性、低承载力的特点;④1层、⑥1-1层、⑥4-1层、⑧1夹a层粉质黏土呈硬可塑状,工程性质较好。场地地质条件适合沉井法施工。

表1 土层物理力学性质参数

场地内粉土、粉砂层分布广泛,承压水层埋深浅、水头高且相互连通,⑥2-1层砂质粉土+⑥3夹层粉砂夹砂质粉土、⑦1层砂质粉土+⑦2层粉砂均存在承压水突涌风险。

1.2 压入式沉井

连续沉井法中每个沉井均采用压入式下沉的方法,该方法是确保采用连续沉井法建设地下车站顺利实施的关键。

沉井是井筒状的结构物,具有整体性强、稳定性好、造价低、临时结构少、空间利用率高等优点,在桥梁、水运及市政工程中得到广泛应用和发展[10]。然而,传统沉井采用井内挖土,下沉时依靠自身重力克服井壁摩阻力,存在沉井姿态纠偏困难、对周边环境影响大、工期较长等问题[11],因此不适用于对环境保护要求高的区域(如周边有管线、建(构)筑物等)或对施工精度要求高的工程(如轨道交通轨行区段)。

压入式沉井又称压沉法,其工艺示意如图3所示。其借助反力装置通过千斤顶提供一个向下的压力,在适当取土的同时,将沉井压入土体,可消除土层差异的不利影响,实现沉井下沉全过程的有效控制。该方法已在上海污水治理白龙港南线东段工程工作井[12]和温州南塘街地下立体停车库工程[13]中成功应用。工程实践表明,压入式沉井具有如下优势: 姿态容易控制且精度高;使得沉井内能保持较高土塞,对周边土体影响小;通过增加沉井的下沉系数可大幅提高下沉速度,缩短工期[11]。因此压入式沉井拓宽了沉井的应用范围,同时也为采用连续沉井法建设地铁车站提供了技术支撑。

图3 压入式沉井工艺示意图

1.3 连续沉井法设计方案

曹庄站是地下2层标准站,结合车站规模及建筑平面布置,基于“长度适中、节段均匀、对称平衡”的原则,将车站主体结构沿纵向分为7个沉井段,其中,2个车站端头井各1段,分别为1#、7#沉井,每个沉井长33.1 m、宽23.4 m、深26.875 m,长宽比为1.41∶1;标准段5节,分别为2#～6#沉井,单节长44.36 m、宽24.8 m、深23.975 m,长宽比为1.79∶1。各相邻沉井纵向净距为2.5 m。曹庄站主体结构分节示意如图4所示。施工时,先同步施工1#、3#、5#、7#沉井(先序沉井),再同步施工2#、4#、6#沉井(后序沉井),最后贯通相邻沉井间的空隙,形成完整的车站主体。

图4 曹庄站主体结构分节示意图(单位: m)

与传统的单体式沉井相比,采用连续沉井法建造轨道交通地下车站,需要严格控制各节沉井最终的水平位置、姿态、深度,以保证车站主体结构顺利贯通。

本站范围内的线路为平坡,综合考虑顶板标高限制、站内净空要求、车站两端区间线路要求、工程造价等因素,本工程连续沉井竖向偏差按±50 mm控制,即各沉井终沉完成后,任一点相对设计标高的偏差不得大于50 mm。为严格控制沉井下沉精度和对周边环境的影响,本设计方案要求沉井施工采用压入式下沉法及水下挖土方式。标准段沉井横剖面如图5所示。沿沉井纵向边界两侧各设有1排压入式下沉法所需的反力桩基,沉井侧壁顶部设有钢牛腿,钢牛腿通过钢绞线与浇筑在反力桩基顶圈梁的地锚装置连接。

图5 标准段沉井横剖面图

在沉井制作方面,由于本工程单个沉井尺寸大,综合考虑该场地的地基承载力、沉井结构质量、施工缝位置、下沉安全性和便利性等因素,沉井结构采用分节制作、分次下沉的方式。其中,沉井自下而上分为4节,每节高度分别为8、4、6、7.58 m,下面2节先后制作完成后进行第1次下沉,待剩余2节制作完成后进行第2次下沉。分节接缝防水按照现浇结构水平施工缝防水构造处理,界面施涂水泥基渗透结晶防水涂料,并设置钢板止水带、全断面注浆管、遇水膨胀止水条各1道。

另外,根据工程地质资料,场地内存在承压水突涌风险,但由于本设计方案采用水下挖土的方式,井内水位须始终高于抗承压水突涌安全水头(考虑水下封底的最不利超挖深度),因此无需对承压水层抽水降压。

1.4 设计方案对比

若本站采用传统明挖基坑方案,围护结构需采用1 000 mm厚地下连续墙,墙长46 m,并需设置三轴水泥土搅拌桩槽壁加固,沿基坑深度方向自上而下设置5道支撑,其中,第1、4道支撑为混凝土支撑,其余为钢支撑,坑底及第4道混凝土支撑底土体需进行地基加固;同时,还需要考虑⑥2-1层砂质粉土+⑥3夹层粉砂夹砂质粉土、⑦1层砂质粉土+⑦2层粉砂承压水突涌的风险,采用悬挂式止水帷幕结合坑内减压降水措施。明挖法基坑支护结构横剖面如图6所示。

t为钢管壁厚。

连续沉井和传统明挖基坑2种方案的对比如表2所示。从表中可以看出,连续沉井方案临时结构少、施工速度快,质量易保证。

表2 连续沉井和传统明挖基坑2种方案对比

2 设计关键技术

2.1 永临结合设计

连续沉井法的基本施工过程是先在地面上修建结构,然后再原位下沉形成地下结构,与基坑工程相比,避免了必须先施作临时基坑支护体系。因此,永临结合是连续沉井法的优势和最显著的特点。结构设计需要按最不利工况进行对应状态的受力计算,同时材料性能及构造措施需满足作为永久结构的耐久性要求。

2.1.1 井壁结构设计

沉井壁结构使用阶段作为车站侧墙,是以顶板、中板、底板为水平约束的单向受力墙;施工阶段兼作开挖所需的围护结构,是以水平框架梁和竖向壁柱为共同约束的双向受力墙。本工程标准段沉井侧壁厚度地下1层段为800 mm,地下2层段为1 000 mm。以地下2层侧壁为例,同条件下本车站采用明挖基坑方案时,根据计算地下连续墙厚度为800 mm,主体结构地下2层侧墙厚度为900 mm,侧壁总厚度为1 700 mm;而沉井方案无需地下连续墙,侧壁总厚度即侧墙厚度为1 000 mm,构件厚度优化幅度约为40%,建材用量显著减少。

沉井壁结构除需承受水平水土荷载外,尚需考虑加压系统不对称加载时的附加作用,且需确保下沉施工阶段井壁结构承载能力、裂缝满足设计要求。

沉井壁底部刃脚结构剖面如图7所示。其外侧设置了100 mm的外凸,便于下沉阶段井壁外侧形成连续的泥浆套,以减小下沉阻力;与底板结合处设置了内凹的榫槽,以加强底板与井壁的结合;井壁与底板通过预留的钢筋接驳器连接,连接节点处采用了界面施涂水泥基渗透结晶防水涂料、设置遇水膨胀止水条及全断面注浆管3道防水措施。

图7 沉井壁底部刃脚结构剖面图(单位: mm)

由于沉井外壁会随施工下沉受到沉井外侧土体的持续摩擦,若采用常规明挖结构外壁采用的自粘聚合物改性沥青防水卷材,则容易产生剥离破坏。本工程沉井的井壁外包防水采用1层2 mm厚的单组分聚脲防水涂料(Ⅱ型)及1层0.3 mm厚的聚脲弹性砂浆防水涂料,检测防水层抗剥离强度为6.0 N/mm,是自粘聚合物改性沥青防水卷材的4倍,可满足下沉阶段防水层的抗剥离要求;且表面摩擦因数为0.6,在使用阶段也能保留井壁与周边土体的摩擦力并参与结构抗浮。

2.1.2 框架结构设计

连续沉井中的纵横向框架在使用阶段即为车站主体的梁柱结构,施工阶段兼作沉井结构的内部支撑。其中,框架梁的竖向位置结合楼板标高设置,水平间距结合柱网和楼板孔洞确定。市域铁路车站的沉井结构跨度大、支撑间距大、框架梁应力水平较高。为保证结构安全,在框架梁平面布置时应尽量使结构体系规则、传力路径直接。因此,本工程设计时对车站建筑布置方案做了如下调整:

1)整个车站均采用单柱双跨,沿车站纵向中轴线的框架柱完全居中对齐,即“一柱到底”;

2)车站纵向框架梁两侧的楼扶梯及设备专业孔洞归并对齐,保证所有横向框架梁无水平错位;

3)车站端头井处盾构吊装孔按非均匀性分设孔洞,兼顾区间盾构施工和框架梁可靠传力。

本工程框架梁平面布置示意如图8所示。由于沿车站纵向有较多机电管线敷设,车站横向框架梁应尽量采用宽扁断面形式,以减少车站层高。本工程顶板纵向框架梁截面尺寸为1 200 mm×2 400 mm,横向框架梁尺寸为1 200 mm×1 000 mm,中板纵向框架梁截面尺寸为1 200 mm×1 300 mm,横向框架梁截面尺寸为1 800 mm×800 mm。纵向框架梁在井壁接头处需预留钢筋接驳器,供连接段施工时通过现浇连接相邻沉井段已先期实施的纵向框架梁。

图8 框架梁平面布置示意图

沉井下沉过程中的姿态倾斜、基底土的不对称开挖等均会造成框架结构的附加应力,当引发的差异变形较大时可能对结构造成不可逆的损伤。沉井下沉过程中采用自动化监测手段实时采集数据,以便开展信息化施工。框架结构设计时,应结合下沉工况,根据结构构件实际承载能力反算复核差异变形容许值,并将其作为施工过程动态监控的上限值。以车站端头井1#沉井为例,假设框架梁交点处与相邻井壁产生10 mm的差异变形,在计算模型中相应设置10 mm的附加强制位移,计算结果显示各框架梁截面、配筋满足强度及裂缝要求,故取10 mm作为该沉井下沉过程中框架结构最大差异变形容许值,并取该值的50%作为监测预警值,从严控制施工过程。

2.1.3 隔墙刃脚设计

连续沉井底板下方隔墙刃脚呈矩形网格布置,使用阶段即为底板梁,施工阶段兼作下沉施工所需的贯入墙,为整个沉井底部提供足够的土塞和支承。因此,连续沉井车站底板按双向板设计,且均无上翻梁,为更有效地利用站台层空间创造了条件。本工程内部隔墙刃脚断面按照倒锥形设置,上部宽1 200 mm,底端宽600 mm,这样不仅便于结构向下贯入土体,也有利于沉井封底混凝土受力。底部隔墙的平面布置如图9所示,其与顶板、中板框架梁对齐,断面形式见图10。

图10 标准段沉井纵向剖面图

2.1.4 耦合桩基设计

连续沉井中的耦合桩基使用阶段用于抗浮和沉降控制,施工阶段用于提供压入式沉井的反力以及沉井姿态控制。桩基布置设计时,应综合考虑地质条件、压沉反力大小、沉井结构规模、素混凝土封底层厚度、沉井姿态纠偏等因素,本工程耦合桩基主要沿车站纵向边界布置,平均纵向桩间距为4.5 m,桩中心距离井壁边1.5 m。桩基最不利工况为沉井在终沉位置处完成封底并抽干井内水体的抗浮设计工况。其中,井内启动抽水需在封底混凝土达到设计强度且井壁与井外桩基通过现浇结构形成可靠连接后方可进行。

经技术经济比选,成桩采用桩径1 000 mm的扩底灌注桩,底部扩大段桩径为1 800 mm,桩长48 m,桩端位于⑦2粉砂层,单桩竖向抗拔承载力特征值为3 260 kN。

2.2 结构连接设计

2.2.1 沉井与沉井连接

本工程各相邻沉井之间设置了宽2.5 m的窄条型连接段,其主体结构为现浇钢筋混凝土单柱双跨箱型结构,在相邻沉井底板达到设计强度后方可实施。其中,连接段基坑的长边方向为已施工沉井端封墙,短边采用横列板支护。为便于后期拆除和回收,连接段沿纵向贯通的区段两侧沉井端封墙采用竖向密排的长条形π形断面预制构件,连接段贯通时只需割除设置于水平框架梁上的限位构件即可逐条无损取出,实现车站整体贯通。端封墙的预制构件为只考虑法向受力的单向受力构件,端封墙处壁柱、框架梁及井壁结构设计时需考虑预制构件拆除引起的内力重分布。预制构件与框架梁连接节点剖面图和平面图分别如图11和图12所示。预制构件立面如图13所示。

图11 沉井端封墙预制构件与框架梁连接节点剖面图(单位: mm)

图12 沉井端封墙预制构件与框架梁连接节点平面图(单位: mm)

图13 沉井端封墙预制构件立面图(单位: mm)

2.2.2 主体结构与附属结构连接

在车站主体结构与附属结构连通位置,井壁结构制作时按连通洞口大小设置暗梁、暗柱,并在洞口内设置π形断面预制构件,与沉井结构同步下沉,待后期附属结构完工后,直接取出该预制构件即可实现主体结构与附属结构连通。预制构件与框架梁连接节点同沉井端封墙处预制构件与框架梁的连接节点。其中,考虑到主体结构与附属结构接口沿车站横向并不对称,为便于沉井的姿态控制,质量更轻的预制构件一侧应增加沙袋或砌块等配重措施。

2.2.3 车站与区间连接

车站与区间连接处,由于连通口为圆形,采用预制构件极为不便,故端头井端墙预留洞口内采用减薄的现浇混凝土并预留绳锯切割条件,同时利用洞口内、外侧壁厚度差预埋盾构进出洞钢环,如图14所示。车站端部区间进出洞地基加固做法同常规设计。本工程相邻盾构隧道区间外径8.6 m,预留洞口按直径9.3 m设计,侧壁厚度为800 mm。

图14 车站与区间连接接口示意图(单位: mm)

2.3 差异沉降控制

连续沉井法车站的差异沉降控制包括施工阶段和使用阶段2个阶段的差异沉降控制。

在施工阶段,由于采用了压入式下沉工艺,可依据自动化监测手段获取的实时数据动态调整对沉井壁向下施加的助沉压力的大小、分布,可准确控制沉井的下沉姿态和终沉位置。

在使用阶段,由于连续沉井法车站沿纵向分布的沉井段、连接段,无论是结构形式、纵向刚度,还是基底土、侧边土的受力状态,均有明显不同,尤其在软土富水地层,容易发生工后纵向差异沉降,可能危及使用阶段市域铁路列车运行的安全性。

本工程对此采取了“横向桩井协调”+“纵向刚性贯通”2项措施。其中,“横向桩井协调”指沿车站横向,将压沉系统的桩基与井壁通过浇筑连为一体,形成桩井共同抗沉整体刚度,沉井外侧的桩基作为沉降控制桩协调沉降差异,如图15所示;“纵向刚性贯通”是指加厚连接段底板并跨施工缝整体现浇,相应节点断面见图16。

图15 差异沉降控制措施平面示意图

图16 相邻沉井接口处底板纵向断面图(单位: mm)

2.4 环境影响控制

由于在国内现行沉井工程相关行业规范中尚未见周边环境影响控制标准的明确描述,本工程地表沉降控制标准参照软土地区环境保护等级为一级的轨道交通地下车站基坑执行,即最大地表沉降不应大于0.10%H(H为刃脚底至地面的总深度),对于曹庄站标准段取25.685 m×0.10%≈25.7 mm。

连续沉井法车站整体尺寸较大,存在各沉井对周边环境的叠加影响效应。为研究软土中连续沉井群贯入对环境的影响,采用ABAQUS有限元软件对沉井的贯入过程进行数值模拟,数值模型如图17所示。经初步分析,连续沉井贯入时地表沉降最大值出现在中间沉井外侧附近,故选取标准段3#、4#、5#沉井进行模拟验证。沉井结构长44.36 m,宽12.4 m,高24 m。对于黏土地基,通过合理设置边界尺寸来模拟半无限空间体,沉井底部与外围距离足够大,确保边界效应的影响得以消除,土体模型长119 m、宽61 m、高48 m,并采用特雷斯卡总应力模型模拟软黏土中连续沉井群不排水沉贯过程。

图17 有限元对称模型(单位: m)

为进一步研究连续沉井贯入过程中产生的最大地表沉降,选取如图18所示的A—A、B—B、C—C3个典型断面以及井壁边和井边0.75H2个关键点位,分析多沉井贯入对周边地表沉降的影响。

图18 A—A、B—B、C—C断面位置

A—A、B—B、C—C断面处地表沉降和最终沉降分别如图19和图20所示。各断面处地表沉降最大值均出现在井壁边,其中,A—A断面处地表沉降最大,为17 mm;B—B断面沉降次之,为15 mm,C—C断面沉降最小,为14 mm,且随着断面逐渐接近4#沉井中线,最大沉降点处由于先序、后序沉井贯入引起的变形比例不断减小。因此,对狭长型车站而言,最大地表沉降发生的位置在两井交接处,且小于25.7 mm,满足基坑环境保护等级为一级的地表沉降控制要求。

(a) A—A断面

图20 地表最终沉降对比

当沉井外侧邻近有重要压力管线或敏感建筑,需要进一步提升环境保护要求时,可采取加密井外桩间距兼作隔离、增设袖阀管注浆、利用井外桩基对管线进行悬吊保护等措施。

3 主要经济效益

对比常规的明挖顺作法,曹庄站主体结构采用连续沉井法施工后,费用减少项包括:地下连续墙9 338万元,槽壁加固396万元,混凝土支撑741万元,钢支撑1 011万元,格构柱及立柱桩468万元,坑内降水207万元,坑内地基加固1 658万元。费用增加项包括: 调整为水下开挖后土方综合费用增加3 683万元,主体结构加强相关费用3 596万元,抗拔桩1 300万元,压沉系统1 072万元,水下封底2 222万元,防水工程329万元。增减相抵,可节省费用1 617万元。

4 结论与展望

连续沉井法包含了压入式下沉、不排水开挖和信息化施工3项主要工艺要求,是一种软土富水地区永临结合修建狭长型地下结构的方法,可应用于轨道交通地下车站、越江隧道岸边段、地下综合管廊等工程中。嘉兴至枫南市域铁路工程曹庄站是国内首个连续沉井法轨道交通地下车站。依托该工程,本文在提出连续沉井法建设轨道交通地下车站总体设计方案的基础上,进一步对关键技术进行研究,主要得到以下结论:

1)连续沉井地下车站是一种新型完全永临结合的地下结构体系,相比于常规明挖基坑方式,连续沉井法避免了大量临时工程,可有效降低工程造价。

2)连续沉井法的施工顺序是“先结构后开挖”,采用不排水开挖方式,可规避承压水突涌风险。

3)连续沉井法采用压入式下沉,沉井内能保持较高土塞,对周边土体影响小,可适用于城区敏感环境下轨道交通地下车站的建设。

4)采用连续沉井法时,通过设置先序、后序2个施工步骤,增加了狭长型车站可同步施工的作业面;另外,采用先地面预制后原位下沉的施工方式,可使结构制作和土方开挖同步进行,相比明挖法工期可有效缩减。以曹庄站车站主体为例,可节约工期约2.5个月。

目前本工程正在沉井结构制作施工过程中,后续将结合下沉阶段现场实测数据,通过反演分析进一步优化设计参数。