新建結(jié)構(gòu)與運(yùn)營(yíng)地鐵車站接駁關(guān)鍵技術(shù)

陳進(jìn)山，李海龍

(中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東深圳 518052)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)外城市軌道交通的發(fā)展和地下空間的應(yīng)用，線路間將會(huì)形成越來(lái)越多的換乘節(jié)點(diǎn)。在地鐵建設(shè)過(guò)程中，由于2條線路經(jīng)常不是同期建設(shè)，將形成新建地下結(jié)構(gòu)與運(yùn)營(yíng)中的地鐵車站接駁問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于臨近或緊貼運(yùn)營(yíng)地鐵車站施作新建結(jié)構(gòu)及施工對(duì)周邊環(huán)境影響的相關(guān)報(bào)道很多:文獻(xiàn)［1］研究了設(shè)計(jì)預(yù)留接口條件與設(shè)計(jì)未預(yù)留接口條件2種典型情況的工程處理原則和措施;文獻(xiàn)［2－5］以工程實(shí)例為背景，運(yùn)用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值分析模型模擬臨近或緊貼既有運(yùn)營(yíng)車站開(kāi)挖并施作新建結(jié)構(gòu)，對(duì)既有車站的受力變形情況進(jìn)行了計(jì)算，并提出了不同的防護(hù)措施;文獻(xiàn)［6］介紹了緊貼地鐵和淺基礎(chǔ)老建筑群旁的深基坑施工中采用的確保周邊建筑群正常使用的技術(shù)措施;文獻(xiàn)［7］采用FLAC3D和SAP2000模擬，分析既有地鐵區(qū)間變形和內(nèi)力發(fā)展規(guī)律;文獻(xiàn)［8］結(jié)合上海某鄰近基坑開(kāi)挖的運(yùn)營(yíng)地鐵車站，運(yùn)用疊加原理，采用有限元荷載結(jié)構(gòu)法和強(qiáng)制位移法，分別按照裂縫控制和強(qiáng)度控制來(lái)對(duì)車站標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其允許變形進(jìn)行分析和反算;文獻(xiàn)［9］對(duì)基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的鄰近建筑物的附加變形進(jìn)行計(jì)算分析，并與實(shí)際工程實(shí)施的監(jiān)測(cè)結(jié)果相比較，驗(yàn)證了計(jì)算分析的必要性和可靠性;文獻(xiàn)［10］通過(guò)有限差分法數(shù)值模擬，得到了鄰近大剛度地鐵車站的基坑開(kāi)挖位移場(chǎng)的位移傳遞規(guī)律。文獻(xiàn)［1－10］主要借鑒了對(duì)運(yùn)營(yíng)車站的防護(hù)及周邊環(huán)境影響控制措施，本文著重剖析介紹新建結(jié)構(gòu)與既有運(yùn)營(yíng)車站結(jié)構(gòu)接駁過(guò)程中對(duì)運(yùn)營(yíng)車站臨時(shí)加固防護(hù)、分部切割既有結(jié)構(gòu)、新舊結(jié)構(gòu)接駁等關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

深圳地鐵1號(hào)線老街站于2005年建成并通車運(yùn)營(yíng)。為實(shí)現(xiàn)與新建地鐵3號(hào)線老街站同站臺(tái)平面換乘，在兩車站之間修建了換乘綜合體。該換乘綜合體與新建地鐵3號(hào)線老街車站于2007年開(kāi)始修建，修建完成后需對(duì)運(yùn)營(yíng)車站進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)與新建結(jié)構(gòu)接駁。新舊結(jié)構(gòu)平面位置關(guān)系如圖1所示，接駁前后示意圖如圖2所示。

圖1 新舊結(jié)構(gòu)平面位置關(guān)系示意圖Fig.1 Plan layout showing relationship between new structure and existing structure

1號(hào)線老街車站側(cè)墻為“地下連續(xù)墻+內(nèi)襯墻”的疊合式結(jié)構(gòu)，考慮到其將來(lái)與地鐵3號(hào)線老街站平行換乘的問(wèn)題，在車站的北側(cè)與換乘綜合體接駁范圍的內(nèi)襯墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中均鏤空地預(yù)留了實(shí)現(xiàn)兩結(jié)構(gòu)體剛性疊合接駁的框梁框柱(見(jiàn)圖3)。換乘綜合體修建之前，該部位抵抗地層水土壓力及起防水功能的結(jié)構(gòu)主要為車站主體結(jié)構(gòu)外側(cè)的地下連續(xù)墻。在換乘綜合體修建基本完成后，與1號(hào)線老街車站接駁時(shí)，需分部破除老街車站部分地下連續(xù)墻，并對(duì)應(yīng)地施作框梁框柱與車站預(yù)留的框梁框柱剛性疊合，從而逐步完成兩結(jié)構(gòu)體的接駁。

1.1 工程特點(diǎn)

與運(yùn)營(yíng)車站的接駁工程一般具有施工組織復(fù)雜、技術(shù)要求高、風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)。深圳地鐵3號(hào)線老街站換乘綜合體新建結(jié)構(gòu)既運(yùn)營(yíng)地鐵車站接駁工程具有改造工程量大(上下重疊站臺(tái)層長(zhǎng)294.722 m，站廳層長(zhǎng)74.477m，破除高度最高達(dá)22m，總方量2 400m3)、與列車行駛界限距離近(0.75m)等特點(diǎn)(見(jiàn)圖4和圖5)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

接駁過(guò)程中一方面需保證地鐵正常運(yùn)營(yíng)，另一方面，整個(gè)結(jié)構(gòu)改造過(guò)程需控制既有運(yùn)營(yíng)地鐵車站的沉降變形。本文論述的與既有運(yùn)營(yíng)地鐵車站接駁關(guān)鍵技術(shù)主要有3點(diǎn):1)運(yùn)用被動(dòng)托換機(jī)制分部切割既有結(jié)構(gòu)，對(duì)受力薄弱部位利用型鋼進(jìn)行前期加固;2)運(yùn)用金剛石繩鋸與金剛石水鉆相結(jié)合的靜力切割工藝將既有結(jié)構(gòu)切割為規(guī)則成型，提高了破除、轉(zhuǎn)運(yùn)的績(jī)效，降低了噪音，減少了粉塵;3)控制新舊結(jié)構(gòu)鋼筋的有效連接，調(diào)整后期施作混凝土性能指標(biāo)，降低因新舊混凝土彈性模量不一、新混凝土收縮及徐變等對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，保證了與既有結(jié)構(gòu)的良好接駁。

2 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

2.1 施工工藝流程

見(jiàn)圖6。

2.2 運(yùn)營(yíng)車站臨時(shí)加固防護(hù)

在新建車站與既有車站接駁工程施工中，首先需對(duì)既有車站進(jìn)行改造，主要包括車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)襯墻及結(jié)構(gòu)樓板，對(duì)其主要受力薄弱部位進(jìn)行加固。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)襯墻主要承受豎向荷載，在對(duì)該部分切割之前可在相應(yīng)部位施作型鋼豎向支撐。對(duì)深圳地鐵新建3號(hào)線老街站換乘綜合體與1號(hào)線運(yùn)營(yíng)老街車站接駁實(shí)施前，首先對(duì)運(yùn)營(yíng)車站采用臨時(shí)型鋼及鋼圍蔽進(jìn)行加固(見(jiàn)圖7)。

臨時(shí)支撐主要由截面為300 mm×300 mm的H型鋼為主龍骨，M14化學(xué)錨栓固定在既有結(jié)構(gòu)上，龍骨外用10 mm厚鋼板封閉。鋼圍蔽在圍護(hù)結(jié)構(gòu)切割后，可以分擔(dān)該節(jié)點(diǎn)豎向荷載，避免既有結(jié)構(gòu)變形;防止在切割改造施工及新舊結(jié)構(gòu)接駁施工過(guò)程中，有施工污水、混凝土渣塊、粉塵、噪音等對(duì)運(yùn)營(yíng)車站造成環(huán)境污染;能抵抗運(yùn)營(yíng)列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的活塞風(fēng)影響。

圖7 臨時(shí)支撐及鋼圍蔽安裝圖Fig.7 Temporary support and steel enclosing

2.3 分部切割既有結(jié)構(gòu)

2.3.1 既有墻體結(jié)構(gòu)切割

既有墻體結(jié)構(gòu)的切割主要運(yùn)用金剛石繩鋸與金剛石水鉆相結(jié)合的方式，整體步序運(yùn)用被動(dòng)托換機(jī)制，分部分塊切割完成新舊結(jié)構(gòu)體接駁。

以表1所示墻體為例，墻體為一運(yùn)營(yíng)車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻，在運(yùn)營(yíng)車站側(cè)防護(hù)到位后，車站3層連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的破除需分部進(jìn)行，先自下而上抽條破除車站疊合柱范圍連續(xù)墻，并原位相應(yīng)構(gòu)筑新建結(jié)構(gòu)側(cè)框柱框梁與之剛性連接;再自上而下破除疊合柱間的連續(xù)墻，同步構(gòu)筑新建結(jié)構(gòu)側(cè)剩余部分疊合框梁將框柱連接成整體，逐步完成兩結(jié)構(gòu)體的全部連接。既有運(yùn)營(yíng)車站地下連續(xù)墻破除及疊合梁柱構(gòu)筑施工步序如表1所示。

2.3.2 既有樓板結(jié)構(gòu)切割

運(yùn)營(yíng)地鐵車站樓板結(jié)構(gòu)主要承受人流、設(shè)備、列車的承重荷載。如果該車站為地下車站，樓板結(jié)構(gòu)還將傳遞車站的側(cè)向水土壓力。樓板的切割將改變車站局部承重荷載受力分布，樓板在邊墻位置均是固結(jié)支承條件，但在部分樓板切割后將變?yōu)榻咏诤?jiǎn)支的支承條件，其所傳遞的負(fù)彎矩將減小，并向相鄰跨中和支座轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致樓板鄰近墻體的跨中正彎矩和中柱位置的支座負(fù)彎矩將明顯加大。樓板結(jié)構(gòu)采取分段分塊切割，在施工過(guò)程中盡量減小每次切割寬度以減小每次施工造成的影響，并應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)。

2.3.3 切割工藝比選

既有結(jié)構(gòu)的靜力切割一般可選用的方法有3種:1)利用混凝土碟片切割機(jī)進(jìn)行切割。碟片切割機(jī)沿導(dǎo)軌行走，碟片切割混凝土。碟片切割機(jī)具有切割面光滑、切割面不需要進(jìn)行再處理，無(wú)振動(dòng)、對(duì)原結(jié)構(gòu)無(wú)損傷，施工時(shí)噪聲較小等優(yōu)點(diǎn);但碟片的尺寸有限，目前市場(chǎng)最大切割深度為300 mm。2)利用金剛石水鉆排孔切割。金剛石水鉆在混凝土結(jié)構(gòu)中鉆孔，形成排孔切割混凝土。金剛石水鉆排孔切割具有無(wú)振動(dòng)、可多臺(tái)設(shè)備同時(shí)施工等優(yōu)點(diǎn);但切割面是月芽形的齒形面，需要后期修補(bǔ)。3)利用金剛石繩鋸與金剛石水鉆相結(jié)合的方式進(jìn)行切割。

金剛石繩鋸切割是金剛石繩索在液壓馬達(dá)帶動(dòng)下繞切割面高速運(yùn)動(dòng)研磨切割體，由于使用金剛石顆粒做研磨材料，故完成鋼筋混凝土體的切割是沒(méi)有問(wèn)題的。切割是在液壓馬達(dá)帶動(dòng)下進(jìn)行的，液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并且通過(guò)高壓油管遠(yuǎn)距離控制液壓馬達(dá)，切割過(guò)程中的振動(dòng)和噪音很小，切割體能在平穩(wěn)的情況下被分離。切割過(guò)程中高速運(yùn)動(dòng)的金剛石繩索采用水冷卻，并將研磨碎屑帶走，所以現(xiàn)場(chǎng)需加強(qiáng)對(duì)污水的搜集處理。金剛石繩鋸靜力切割工藝可以從根本上解決擾動(dòng)大的難題，并且具有工作效率高、切割尺寸精確、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)保養(yǎng)方便的優(yōu)點(diǎn)。金剛石繩鋸機(jī)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

2.4 施作新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)接駁

2.4.1 新舊結(jié)構(gòu)鋼筋連接技術(shù)

分部切割墻體后，對(duì)應(yīng)地施作框梁框柱與車站既有結(jié)構(gòu)剛性接駁，從而逐步完成兩結(jié)構(gòu)體的接駁。

圖8 金剛石繩鋸機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure of diamond wire saw machine

被切割墻體切割完成后，可先鑿除既有結(jié)構(gòu)需接駁部位保護(hù)層，扳出既有結(jié)構(gòu)箍筋焊接，保證新施作框柱梁鋼筋骨架與既有結(jié)構(gòu)柱梁形成整體結(jié)構(gòu)。對(duì)于需要加強(qiáng)連接部位采用錨筋施工，主要施工步驟為:1)對(duì)既有結(jié)構(gòu)框柱梁進(jìn)行放樣，劃出錨筋孔位置;2)采用混凝土取芯機(jī)鉆φ30 mm的孔，錨筋成孔向上傾斜3°;3)鉆孔深度不小于200mm;4)錨筋前將孔內(nèi)灰塵用風(fēng)吹干凈，然后用環(huán)氧水清洗孔壁;5)錨筋材料必須符合行業(yè)規(guī)范要求。

2.4.2 新舊混凝土接駁施工技術(shù)

將既有混凝土結(jié)構(gòu)表面鑿毛，對(duì)表面打成溝槽，溝槽深度為10mm，間距不大于200mm，并將既有混凝土結(jié)構(gòu)的棱角打掉，同時(shí)除去浮渣、塵土。為了使結(jié)合面混凝土的黏結(jié)抗剪強(qiáng)度和黏結(jié)抗拉強(qiáng)度接近或高于既有混凝土結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度，避免結(jié)合面過(guò)早開(kāi)裂破壞，在澆筑新混凝土前，淋灑一層30%白乳膠水泥漿界面結(jié)合劑。

在新建結(jié)構(gòu)框柱梁澆筑混凝土前，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位實(shí)驗(yàn)分析，嚴(yán)格控制混凝土水灰比，在1 m3混凝土摻加40 kg膨脹劑以盡量減小新混凝土的收縮及徐變?；炷琉B(yǎng)護(hù)采用外覆薄膜包裹嚴(yán)密，以避免水分散失造成混凝土水化不充分及混凝土內(nèi)外溫差引起附加應(yīng)力?；炷翝仓┕みx擇在夜間列車停運(yùn)期間，并保證在列車運(yùn)營(yíng)前混凝土達(dá)到初凝。

針對(duì)新舊混凝土彈性模量不一及新施作框柱梁混凝土收縮、徐變對(duì)既有框柱梁產(chǎn)生一定的影響，在混凝土澆筑前對(duì)混凝土通過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得彈性模量及應(yīng)力－應(yīng)變曲線。新框柱混凝土澆筑完畢后，在新舊混凝土面按圖9所示兩側(cè)每側(cè)布置8個(gè)外貼鋼弦測(cè)點(diǎn)。在2年內(nèi)監(jiān)測(cè)分析新混凝土環(huán)框柱的內(nèi)力和變形。在變形達(dá)到警戒值時(shí)，可采用加大截面加固、外包鋼加固、粘鋼加固等措施。

圖9 框柱鋼弦布置圖(單位:mm)Fig.9 Arrangement of steel string of frame column(mm)

2.5 監(jiān)控量測(cè)

運(yùn)營(yíng)地鐵車站接駁施工中主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括既有結(jié)構(gòu)框柱和結(jié)構(gòu)樓板的變形。

從深圳地鐵3號(hào)線老街站換乘綜合體工程中對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出:站臺(tái)樓板在施工過(guò)程中變形不明顯，既有結(jié)構(gòu)框柱沉降變形較小，整體趨勢(shì)比較穩(wěn)定。圖10為框柱累計(jì)沉降變化最大點(diǎn)(2－DC1#)時(shí)程曲線圖。

圖10 2－DC1#框柱沉降變化時(shí)程曲線圖Fig.10 Time-dependent curve of settlement of 2-DC1#frame column

3 實(shí)施效果

深圳地鐵新建3號(hào)線老街站及換乘體與既運(yùn)營(yíng)車站接駁工程自2008年10月開(kāi)始，至2009年5月結(jié)束。在整個(gè)施工過(guò)程中，利用在運(yùn)營(yíng)側(cè)安裝鋼圍蔽全封閉隔離，保證地鐵運(yùn)營(yíng)不受干擾。在施工工藝中很好地將金剛石繩鋸、液壓金剛水鉆相結(jié)合，有效地降低了施工噪音、減少了粉塵。另外，將施工區(qū)域與其他作業(yè)區(qū)域完全隔離，安排專人把守，做到必須有證才能進(jìn)入施工區(qū)域。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)現(xiàn):結(jié)構(gòu)縫開(kāi)合度、軌道間距及走行軌橫向差異沉降在整個(gè)施工過(guò)程中無(wú)明顯變化，道床沒(méi)有新增任何裂縫。整個(gè)施工工藝和防護(hù)措施均取得了成功。

在進(jìn)度、效益方面，整體接駁工程有效地縮短了工期、節(jié)約了成本。

4 結(jié)論與討論

本文以深圳地鐵新建3號(hào)線老街站換乘綜合體與運(yùn)營(yíng)地鐵車站接駁工程為實(shí)例，對(duì)接駁過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下:

1)新建結(jié)構(gòu)與運(yùn)營(yíng)地鐵車站接駁工程施工關(guān)鍵在于保證地鐵運(yùn)營(yíng)的安全。運(yùn)用金剛石繩鋸靜力切割替代傳統(tǒng)切割破除施工工藝，工作效率高、切割尺寸精確、操作簡(jiǎn)單，特別是被切割體成品規(guī)格明顯，減少了破除、轉(zhuǎn)運(yùn)的附加投入。

2)在既有運(yùn)營(yíng)車站側(cè)施作新建結(jié)構(gòu)并與其剛性連接，主要意義在于對(duì)破除連續(xù)墻后的運(yùn)營(yíng)車站結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，減小運(yùn)營(yíng)車站結(jié)構(gòu)變形。

3)深圳地鐵3號(hào)線老街站換乘綜合體工程在與既有結(jié)構(gòu)“零距離接觸”、與列車行駛界限僅有0.75 m的高風(fēng)險(xiǎn)條件下，通過(guò)合理科學(xué)組織、靈活運(yùn)用金剛石繩鋸靜力切割等技術(shù)，有效地降低了施工噪音、減少了粉塵。整個(gè)施工工藝和防護(hù)措施取得了成功。

在本文的研究中對(duì)運(yùn)營(yíng)車站加固防護(hù)方面存在一定的片面性，對(duì)運(yùn)營(yíng)車站的監(jiān)測(cè)也有一定的局限性，這些施工技術(shù)在以后類似工程中需要進(jìn)一步探索完善，使其更具有推廣價(jià)值。

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