既有地下空間暗挖加層關鍵技術及其在城市軌道交通中的應用

張中杰 朱雁飛

（1.上海市城市建設設計研究總院，200125，上海；2.上海隧道工程股份有限公司，200082，上?！蔚谝蛔髡?，高級工程師）

1 研究背景

隨著城市規(guī)劃的調(diào)整和城市地下空間的發(fā)展，優(yōu)化軌道交通車站規(guī)模和換乘方式、歷史建筑增設地下車庫、住宅小區(qū)車位擴容等地下結構加層問題日益突出，逐步成為軌道交通和城市地下空間進一步發(fā)展的重大課題。

受地質(zhì)條件和施工工藝的限制，在國內(nèi)外，城市中心區(qū)域地下結構加層的傳統(tǒng)施工方法，都必須占用路面重新開挖施工。如日本的托換加層工法一般與明挖法結合使用：首先，在地面施工支護結構和托換時承受豎向荷載的樁基；然后開挖基坑，從既有地下結構的側(cè)邊挖壕溝架設托換梁或托換板，并將其固定在托換樁基上；在托換梁（或板）和既有構筑物之間設置調(diào)節(jié)用的千斤頂，待既有結構受力和變形穩(wěn)定后，繼續(xù)開挖基坑并構筑新結構；最后回填與撤去不需要的托換樁基和托換梁。

在整個施工過程中，基坑的支護結構和托換樁基都是在較寬敞的地面進行的。這要涉及中斷地面現(xiàn)有交通、搬遷大量管線、制約區(qū)域性客流集散、影響既有商圈的商業(yè)效益等諸多問題，不僅工程規(guī)模大、工程費用高，對市民生活及社會影響都很大。

由此可見，如何克服傳統(tǒng)方法的缺點，研究一種不占用地面的地下空間暗挖加層工藝顯得十分必要和迫切。

2 關鍵技術的研究

2.1 “共板共墻共柱”理論

一般而言，地下結構的暗挖加層必須解決既有支護的利用和加強、既有結構的托換和改造、周邊環(huán)境的保護和協(xié)調(diào)等問題。

為充分利用既有結構的資源，實現(xiàn)實施期間對地面交通、設施和地下管線零影響，提出“共板共墻共柱”設計理論。即，既有結構頂板與逆作暗挖施工蓋板共用、既有結構外墻與新設支護共用、既有結構立柱與托換加層臨時立柱共用，并據(jù)此研發(fā)了以既有結構作為天然蓋板的地下空間暗挖加層新工藝。其主要施工步驟如圖1所示。

圖1 地下空間暗挖加層的施工步驟

2.2 低凈空條件下新型支護樁技術

既有支護結構的長度和強度往往不能滿足加層開挖的需要。為不占用地面，新增支護結構必須在既有結構內(nèi)進行施工。考慮到一般既有地下空間的層高限制，同時為保證加層地下空間的使用效率，新增支護必須緊貼既有結構外墻作業(yè)，常規(guī)的SMW（勁性水泥土墻）工法、鉆孔樁支護、地下墻等均無法實施。為此，開發(fā)了先插H型鋼后進行旋噴加固的復合支護工藝—IBG工法（見圖2）。即：先分節(jié)壓入H型鋼，然后在型鋼間設置噴漿孔進行旋噴樁施工形成擋土止水合一的支護體。該工法不僅有效避免了由于漿液凝固而不能插入型鋼的問題，而且這種復合支護體型鋼垂直度、平整度優(yōu)良，水泥土強度和均勻性優(yōu)于傳統(tǒng)SMW工法。

圖2 IBG工法

IBG工法的旋噴樁可采用全方位壓力平衡旋噴MJS（Metro Jet System）工法或 RJP（Rodin Jet Pile）工法，其直徑的確定需考慮噴射過程的型鋼遮擋影響（見圖3）。

圖3 IBG工法中H型鋼遮擋影響

IBG工法樁可采用與SMW工法樁類似的方法計算。即：按剛度等代為地下墻后，通過單向受壓鏈桿與既有支護組成復合支護體。其中IBG工法樁的剛度可考慮水泥土的包裹作用對型鋼的貢獻，可按式（1）作簡化計算。

式中：

Es——型鋼的彈性模量；

Is——型鋼的慣性矩；

α——水泥土的剛度貢獻系數(shù)，當采用MJS旋噴樁后可取0.2。

IBG工法復合支護計算簡圖和結果示例如圖4所示。

2.3 復雜環(huán)境下既有結構的托換技術

在既有結構底部暗挖加層施工，必須嚴格控制施工引起的卸載與加載對既有結構及周邊環(huán)境的影響。整個托換加層的過程應保持既有頂板結構體系不變（必要時可采用碳纖維加固等措施），根據(jù)結構頂板的剛度和配筋確定樁基差異沉降的控制要求。在上海市軌道交通徐家匯樞紐換乘大廳工程中，采用ANSYS軟件對既有無梁樓蓋頂板進行模擬計算分析（既有模版的有限元計算模型如圖5所示），在滿足既有結構頂板配筋的條件下可得單柱最大差異沉降不得大于10mm。

對于單建式或上部建筑荷載不大的地下結構可采用被動托換形式，每根既有柱采用2～3根托換樁，并相應設置鋼筋混凝土承臺（見圖6）；托換樁選用分節(jié)施工的靜壓鋼管樁，采取對稱跳樁施工工藝以減少壓樁對周邊環(huán)境的影響。每節(jié)靜壓鋼管樁送樁最大壓力不宜超過樁身承載力的0.9倍，壓樁至設計標高后充灌低標號微膨脹混凝土。鋼管樁的承載力特征值Q需考慮土塞效應的影響，按式（2）進行估算：

圖4 IBG工法復合支護計算簡圖和結果示例

圖5 上海軌道交通徐家匯樞紐換乘大廳既有頂板有限元計算模型

式中：

u——鋼管樁周長；

qsik——單樁第i層土的極限側(cè)阻力標準值；

qpk——單樁極限端阻力標準值；

li——第i層土厚度；

Ap——鋼管樁端面積。

對于高層建筑地下室加層時，則宜采用主動托換形式，托換樁與托換梁間設置千斤頂實現(xiàn)豎向荷載的可靠傳遞。

2.4 軟土條件下加層基坑的微擾動開挖與加固技術

當向下暗挖加層區(qū)域緊鄰運營中地鐵線或其他重要建（構）筑物時，基坑內(nèi)側(cè)需設置較大方量的地基加固以保證基坑施工安全，而相應的加固設備必須同時滿足低凈空施工和對周邊環(huán)境影響小的兩項要求。常規(guī)的旋噴施工過程對周邊環(huán)境影響很大，而MJS工法的設備機架高度僅為3.85m，現(xiàn)場加固試驗中土體最大位移約在5mm之內(nèi)，可滿足此類工程的特殊要求。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，通過有限元反演計算得到MJS施工對土體的擠壓力參數(shù)，以此分析土體加固過程對既有結構的影響。

在上海軌道交通徐家匯樞紐換乘大廳工程中，通過對換乘大廳和1號線車站的整體有限元分析（見圖7），研究不同土方開挖方案對緊鄰的既有結構的影響，采用分塊施工及盆式開挖方案可以最大程度地控制相鄰的既有結構的變形（見圖8）。而在實際基坑開挖施工中，可根據(jù)現(xiàn)場實測結果通過反分析來指導整個加層施工過程，從而實現(xiàn)基坑施工對既有結構影響的最小化。

圖6 托換承臺結構

圖7 上海軌道交通徐家匯換乘大廳和1號線車站的整體有限元計算模型

圖8 上海軌道交通徐家匯樞紐換乘大廳工程分塊開挖方案示意圖

3 工程應用與實施效果

3.1 上海市軌道交通徐家匯樞紐

圖9 徐家匯換乘大廳加層剖面圖

上海市軌道交通網(wǎng)絡規(guī)劃中的1號線、9號線、11號線在徐家匯形成全市唯一的3條市域線大型換乘樞紐。徐家匯樞紐換乘大廳位于華山路與虹橋路交叉口處，為地下二層結構，其中地下一層為既有1號線西側(cè)地鐵商場；地下二層為新建加層結構，長65.95m，寬30.35m，加層面積約2 065m2，暗挖深度約5.0m（新結構底板埋深約12.3m）。上海軌道交通徐家匯地下?lián)Q乘大廳加層剖面圖見圖9。該工程周邊環(huán)境復雜，保護要求極高，基地西北角為港匯廣場、東北角為太平洋百貨徐匯店，南側(cè)與運營中上海軌道交通1號線徐家匯站一墻之隔。為避免工程實施期間對徐家匯地區(qū)交通、管線及商業(yè)的影響，采用本技術進行了工程的設計和實施。

該工程施工期間上海軌道交通1號線運營正常，城市交通主干道虹橋路、華山路地面沉降及管線變形均在允許范圍內(nèi)，徐家匯地區(qū)交通及商業(yè)未受影響，其社會效益和經(jīng)濟效益十分顯著?，F(xiàn)場施工實景見圖10～圖13。

圖10 施工場地位置

圖11 地下一層靜壓H型鋼支護體

圖12 地下一層托換承臺

圖13 地下二層托換鋼管柱與斜拋撐

對施工全過程中的支護結構水平位移、地鐵商場立柱沉降、路面沉降、周邊建筑物（港匯廣場、太平洋百貨）沉降等關鍵數(shù)據(jù)進行的跟蹤監(jiān)測表明，加層結構自身及周圍環(huán)境變化均在正常范圍內(nèi)。相關的主要監(jiān)測數(shù)據(jù)詳見圖14～圖15。

3.2 天津市文化中心地下交通樞紐

圖14 暗挖加層區(qū)支護體水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

天津市文化中心地下交通樞紐工程位于天津市政府旁的友誼路側(cè)。根據(jù)城市軌道交通調(diào)整規(guī)劃，需在既有的地下商業(yè)空間下方新增地鐵5、6號線文化中心站付費區(qū)換乘通道，長約78m，最大寬度約26m，加層面積約2 800m2（見圖16）。利用本技術在不影響地面綠化的前提下，將地下空間以暗挖加層方式新建地下二層（見圖17），地面沉降僅10mm，順地實現(xiàn)了天津地鐵5、6號線車站的換乘功能。

圖15 路面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 結語

實踐證明，本項技術可在限制地面開挖的條件下解決城市中心區(qū)域地下空間加層難題，可有效地避免在城市中心區(qū)域施工中非常棘手的管線搬遷和對地面交通影響等問題，同時兼具施工方便和安全性高的特點，是一種地下空間二次開發(fā)的新工藝。

圖16 天津市文化中心地下交通樞紐地鐵5、6號線換乘通道平面圖

圖17 天津市文化中心地下交通樞紐工程暗挖加層實施換乘通道實景圖

本文的研究得到上海市建設和交通委員會重大科研項目（重科2007－005）的資助，《利用既有地下室頂板作為天然蓋板的暗挖加層施工方法》取得了國家發(fā)明專利（專利號：ZL 200510026522X）。

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