連續(xù)沉井法建設(shè)軌道交通地下車站的關(guān)鍵技術(shù)研究

張中杰, 呂培林, 俞 劍, 郭振坤, 張擎宇, 王浩然

(1. 天津大學建筑工程學院, 天津 300072; 2. 上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(集團)有限公司, 上海 200125; 3. 同濟大學, 上海 200092)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快,我國軌道交通發(fā)展迅速,并呈現(xiàn)出地下段占比越來越大的趨勢[1]。以上海市為例,目前正在建設(shè)的軌道交通工程中地下段占比超過85%。在軟土地區(qū),地下車站主要采用明挖基坑建設(shè),通常分為2個階段: 第1階段是通過建立安全可靠的支護結(jié)構(gòu)體系形成有效的施工空間,第2階段是在第1階段形成的空間內(nèi)建造車站主體結(jié)構(gòu)。其中,第1階段的支護結(jié)構(gòu)體系均為臨時結(jié)構(gòu),造成了大量工程材料和建設(shè)工期的浪費。

在“碳達峰、碳中和”的國家戰(zhàn)略背景下,軌道交通建設(shè)方式亟待綠色轉(zhuǎn)型。近30年來,構(gòu)建永臨結(jié)合的地下結(jié)構(gòu)體系一直備受廣大學者關(guān)注,且開展了大量的研究。在“兩墻合一”技術(shù)方面,王衛(wèi)東[2]提出了以地下連續(xù)墻作為主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法;宋青君等[3]和陳其志等[4]對“兩墻合一”技術(shù)在基坑工程中的應用進行了擴展和優(yōu)化,均取得了良好的實施效果;朱旻等[5]在國內(nèi)地下車站建造現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,提出了“兩墻合一”的裝配式地鐵地下車站結(jié)構(gòu)形式,該方案沿用了內(nèi)支撐體系,采用2階段的施工方式,地下連續(xù)墻仍需嵌入底板下一定深度。在“結(jié)構(gòu)逆作”技術(shù)方面,劉建航[6]介紹了上海地鐵1、2號線中淮海路和南京路站首次應用逆作法的設(shè)計方案,其利用混凝土樓板實現(xiàn)一撐兩用;羅發(fā)揚等[7]基于逆作法與明挖順作法,提出了采用中板逆筑的框架逆作法,利用樓板框架代替部分鋼支撐;蘇卜坤等[8]和楊向華等[9]分別對蓋挖逆作地鐵車站的設(shè)計計算和施工工藝進行了探討和改進,得到了施工階段和使用階段較為準確的內(nèi)力和變形。

綜上所述,目前明挖地下車站的設(shè)計建造理念仍為明挖基坑,以“兩墻合一”和“結(jié)構(gòu)逆作”為代表的新技術(shù)只考慮了基坑臨時支護結(jié)構(gòu)與車站永久主體結(jié)構(gòu)的部分結(jié)合,建造過程中仍存在底板下一定嵌固深度的地下連續(xù)墻和大量內(nèi)支撐等廢棄工程。本文根據(jù)嘉興至楓南市域鐵路工程曹莊站的實際背景,提出了連續(xù)沉井法建造新技術(shù),通過分批下沉間距緊密的沉井群并縱向貫通形成狹長型整體車站結(jié)構(gòu)。

1 總體設(shè)計方案

1.1 工程概況

曹莊站為嘉興至楓南市域鐵路工程的中間站,位于嘉興市郊,為地下2層島式站臺車站,其總平面圖和橫剖面圖分別如圖1和圖2所示。車站主體總長283.4 m,標準段總寬24.8 m,埋深為20.8 m,頂板覆土3～4 m,總建筑面積19 030 m2。

圖1 曹莊站總平面圖(單位: m)

圖2 曹莊站橫剖面圖(單位: mm)

擬建場地內(nèi)的規(guī)劃道路均未實施,現(xiàn)狀為農(nóng)田或水塘,無影響車站實施的地下管線,地勢平坦開闊,施工條件較好。

本工程所在區(qū)域為沖湖積沉積平原地貌單元,第四系覆蓋層厚度較大,淺部分布沖海積淤泥土,中部及下部為沖湖積黏性土層,下部為沖積砂土、碎石土層。場地土層物理力學性質(zhì)參數(shù)如表1所示。其中,③層、⑤層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈流塑狀,為軟弱土層,工程性質(zhì)差,具有高壓縮性、高靈敏性、高觸變性、低承載力的特點;④1層、⑥1-1層、⑥4-1層、⑧1夾a層粉質(zhì)黏土呈硬可塑狀,工程性質(zhì)較好。場地地質(zhì)條件適合沉井法施工。

表1 土層物理力學性質(zhì)參數(shù)

場地內(nèi)粉土、粉砂層分布廣泛,承壓水層埋深淺、水頭高且相互連通,⑥2-1層砂質(zhì)粉土+⑥3夾層粉砂夾砂質(zhì)粉土、⑦1層砂質(zhì)粉土+⑦2層粉砂均存在承壓水突涌風險。

1.2 壓入式沉井

連續(xù)沉井法中每個沉井均采用壓入式下沉的方法,該方法是確保采用連續(xù)沉井法建設(shè)地下車站順利實施的關(guān)鍵。

沉井是井筒狀的結(jié)構(gòu)物,具有整體性強、穩(wěn)定性好、造價低、臨時結(jié)構(gòu)少、空間利用率高等優(yōu)點,在橋梁、水運及市政工程中得到廣泛應用和發(fā)展[10]。然而,傳統(tǒng)沉井采用井內(nèi)挖土,下沉時依靠自身重力克服井壁摩阻力,存在沉井姿態(tài)糾偏困難、對周邊環(huán)境影響大、工期較長等問題[11],因此不適用于對環(huán)境保護要求高的區(qū)域(如周邊有管線、建(構(gòu))筑物等)或?qū)κ┕ぞ纫蟾叩墓こ?如軌道交通軌行區(qū)段)。

壓入式沉井又稱壓沉法,其工藝示意如圖3所示。其借助反力裝置通過千斤頂提供一個向下的壓力,在適當取土的同時,將沉井壓入土體,可消除土層差異的不利影響,實現(xiàn)沉井下沉全過程的有效控制。該方法已在上海污水治理白龍港南線東段工程工作井[12]和溫州南塘街地下立體停車庫工程[13]中成功應用。工程實踐表明,壓入式沉井具有如下優(yōu)勢: 姿態(tài)容易控制且精度高;使得沉井內(nèi)能保持較高土塞,對周邊土體影響小;通過增加沉井的下沉系數(shù)可大幅提高下沉速度,縮短工期[11]。因此壓入式沉井拓寬了沉井的應用范圍,同時也為采用連續(xù)沉井法建設(shè)地鐵車站提供了技術(shù)支撐。

圖3 壓入式沉井工藝示意圖

1.3 連續(xù)沉井法設(shè)計方案

曹莊站是地下2層標準站,結(jié)合車站規(guī)模及建筑平面布置,基于“長度適中、節(jié)段均勻、對稱平衡”的原則,將車站主體結(jié)構(gòu)沿縱向分為7個沉井段,其中,2個車站端頭井各1段,分別為1#、7#沉井,每個沉井長33.1 m、寬23.4 m、深26.875 m,長寬比為1.41∶1;標準段5節(jié),分別為2#～6#沉井,單節(jié)長44.36 m、寬24.8 m、深23.975 m,長寬比為1.79∶1。各相鄰沉井縱向凈距為2.5 m。曹莊站主體結(jié)構(gòu)分節(jié)示意如圖4所示。施工時,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),最后貫通相鄰沉井間的空隙,形成完整的車站主體。

圖4 曹莊站主體結(jié)構(gòu)分節(jié)示意圖(單位: m)

與傳統(tǒng)的單體式沉井相比,采用連續(xù)沉井法建造軌道交通地下車站,需要嚴格控制各節(jié)沉井最終的水平位置、姿態(tài)、深度,以保證車站主體結(jié)構(gòu)順利貫通。

本站范圍內(nèi)的線路為平坡,綜合考慮頂板標高限制、站內(nèi)凈空要求、車站兩端區(qū)間線路要求、工程造價等因素,本工程連續(xù)沉井豎向偏差按±50 mm控制,即各沉井終沉完成后,任一點相對設(shè)計標高的偏差不得大于50 mm。為嚴格控制沉井下沉精度和對周邊環(huán)境的影響,本設(shè)計方案要求沉井施工采用壓入式下沉法及水下挖土方式。標準段沉井橫剖面如圖5所示。沿沉井縱向邊界兩側(cè)各設(shè)有1排壓入式下沉法所需的反力樁基,沉井側(cè)壁頂部設(shè)有鋼牛腿,鋼牛腿通過鋼絞線與澆筑在反力樁基頂圈梁的地錨裝置連接。

圖5 標準段沉井橫剖面圖

在沉井制作方面,由于本工程單個沉井尺寸大,綜合考慮該場地的地基承載力、沉井結(jié)構(gòu)質(zhì)量、施工縫位置、下沉安全性和便利性等因素,沉井結(jié)構(gòu)采用分節(jié)制作、分次下沉的方式。其中,沉井自下而上分為4節(jié),每節(jié)高度分別為8、4、6、7.58 m,下面2節(jié)先后制作完成后進行第1次下沉,待剩余2節(jié)制作完成后進行第2次下沉。分節(jié)接縫防水按照現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)水平施工縫防水構(gòu)造處理,界面施涂水泥基滲透結(jié)晶防水涂料,并設(shè)置鋼板止水帶、全斷面注漿管、遇水膨脹止水條各1道。

另外,根據(jù)工程地質(zhì)資料,場地內(nèi)存在承壓水突涌風險,但由于本設(shè)計方案采用水下挖土的方式,井內(nèi)水位須始終高于抗承壓水突涌安全水頭(考慮水下封底的最不利超挖深度),因此無需對承壓水層抽水降壓。

1.4 設(shè)計方案對比

若本站采用傳統(tǒng)明挖基坑方案,圍護結(jié)構(gòu)需采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻,墻長46 m,并需設(shè)置三軸水泥土攪拌樁槽壁加固,沿基坑深度方向自上而下設(shè)置5道支撐,其中,第1、4道支撐為混凝土支撐,其余為鋼支撐,坑底及第4道混凝土支撐底土體需進行地基加固;同時,還需要考慮⑥2-1層砂質(zhì)粉土+⑥3夾層粉砂夾砂質(zhì)粉土、⑦1層砂質(zhì)粉土+⑦2層粉砂承壓水突涌的風險,采用懸掛式止水帷幕結(jié)合坑內(nèi)減壓降水措施。明挖法基坑支護結(jié)構(gòu)橫剖面如圖6所示。

t為鋼管壁厚。

連續(xù)沉井和傳統(tǒng)明挖基坑2種方案的對比如表2所示。從表中可以看出,連續(xù)沉井方案臨時結(jié)構(gòu)少、施工速度快,質(zhì)量易保證。

表2 連續(xù)沉井和傳統(tǒng)明挖基坑2種方案對比

2 設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 永臨結(jié)合設(shè)計

連續(xù)沉井法的基本施工過程是先在地面上修建結(jié)構(gòu),然后再原位下沉形成地下結(jié)構(gòu),與基坑工程相比,避免了必須先施作臨時基坑支護體系。因此,永臨結(jié)合是連續(xù)沉井法的優(yōu)勢和最顯著的特點。結(jié)構(gòu)設(shè)計需要按最不利工況進行對應狀態(tài)的受力計算,同時材料性能及構(gòu)造措施需滿足作為永久結(jié)構(gòu)的耐久性要求。

2.1.1 井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計

沉井壁結(jié)構(gòu)使用階段作為車站側(cè)墻,是以頂板、中板、底板為水平約束的單向受力墻;施工階段兼作開挖所需的圍護結(jié)構(gòu),是以水平框架梁和豎向壁柱為共同約束的雙向受力墻。本工程標準段沉井側(cè)壁厚度地下1層段為800 mm,地下2層段為1 000 mm。以地下2層側(cè)壁為例,同條件下本車站采用明挖基坑方案時,根據(jù)計算地下連續(xù)墻厚度為800 mm,主體結(jié)構(gòu)地下2層側(cè)墻厚度為900 mm,側(cè)壁總厚度為1 700 mm;而沉井方案無需地下連續(xù)墻,側(cè)壁總厚度即側(cè)墻厚度為1 000 mm,構(gòu)件厚度優(yōu)化幅度約為40%,建材用量顯著減少。

沉井壁結(jié)構(gòu)除需承受水平水土荷載外,尚需考慮加壓系統(tǒng)不對稱加載時的附加作用,且需確保下沉施工階段井壁結(jié)構(gòu)承載能力、裂縫滿足設(shè)計要求。

沉井壁底部刃腳結(jié)構(gòu)剖面如圖7所示。其外側(cè)設(shè)置了100 mm的外凸,便于下沉階段井壁外側(cè)形成連續(xù)的泥漿套,以減小下沉阻力;與底板結(jié)合處設(shè)置了內(nèi)凹的榫槽,以加強底板與井壁的結(jié)合;井壁與底板通過預留的鋼筋接駁器連接,連接節(jié)點處采用了界面施涂水泥基滲透結(jié)晶防水涂料、設(shè)置遇水膨脹止水條及全斷面注漿管3道防水措施。

圖7 沉井壁底部刃腳結(jié)構(gòu)剖面圖(單位: mm)

由于沉井外壁會隨施工下沉受到沉井外側(cè)土體的持續(xù)摩擦,若采用常規(guī)明挖結(jié)構(gòu)外壁采用的自粘聚合物改性瀝青防水卷材,則容易產(chǎn)生剝離破壞。本工程沉井的井壁外包防水采用1層2 mm厚的單組分聚脲防水涂料(Ⅱ型)及1層0.3 mm厚的聚脲彈性砂漿防水涂料,檢測防水層抗剝離強度為6.0 N/mm,是自粘聚合物改性瀝青防水卷材的4倍,可滿足下沉階段防水層的抗剝離要求;且表面摩擦因數(shù)為0.6,在使用階段也能保留井壁與周邊土體的摩擦力并參與結(jié)構(gòu)抗浮。

2.1.2 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

連續(xù)沉井中的縱橫向框架在使用階段即為車站主體的梁柱結(jié)構(gòu),施工階段兼作沉井結(jié)構(gòu)的內(nèi)部支撐。其中,框架梁的豎向位置結(jié)合樓板標高設(shè)置,水平間距結(jié)合柱網(wǎng)和樓板孔洞確定。市域鐵路車站的沉井結(jié)構(gòu)跨度大、支撐間距大、框架梁應力水平較高。為保證結(jié)構(gòu)安全,在框架梁平面布置時應盡量使結(jié)構(gòu)體系規(guī)則、傳力路徑直接。因此,本工程設(shè)計時對車站建筑布置方案做了如下調(diào)整:

1)整個車站均采用單柱雙跨,沿車站縱向中軸線的框架柱完全居中對齊,即“一柱到底”;

2)車站縱向框架梁兩側(cè)的樓扶梯及設(shè)備專業(yè)孔洞歸并對齊,保證所有橫向框架梁無水平錯位;

3)車站端頭井處盾構(gòu)吊裝孔按非均勻性分設(shè)孔洞,兼顧區(qū)間盾構(gòu)施工和框架梁可靠傳力。

本工程框架梁平面布置示意如圖8所示。由于沿車站縱向有較多機電管線敷設(shè),車站橫向框架梁應盡量采用寬扁斷面形式,以減少車站層高。本工程頂板縱向框架梁截面尺寸為1 200 mm×2 400 mm,橫向框架梁尺寸為1 200 mm×1 000 mm,中板縱向框架梁截面尺寸為1 200 mm×1 300 mm,橫向框架梁截面尺寸為1 800 mm×800 mm?？v向框架梁在井壁接頭處需預留鋼筋接駁器,供連接段施工時通過現(xiàn)澆連接相鄰沉井段已先期實施的縱向框架梁。

圖8 框架梁平面布置示意圖

沉井下沉過程中的姿態(tài)傾斜、基底土的不對稱開挖等均會造成框架結(jié)構(gòu)的附加應力,當引發(fā)的差異變形較大時可能對結(jié)構(gòu)造成不可逆的損傷。沉井下沉過程中采用自動化監(jiān)測手段實時采集數(shù)據(jù),以便開展信息化施工?？蚣芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計時,應結(jié)合下沉工況,根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件實際承載能力反算復核差異變形容許值,并將其作為施工過程動態(tài)監(jiān)控的上限值。以車站端頭井1#沉井為例,假設(shè)框架梁交點處與相鄰井壁產(chǎn)生10 mm的差異變形,在計算模型中相應設(shè)置10 mm的附加強制位移,計算結(jié)果顯示各框架梁截面、配筋滿足強度及裂縫要求,故取10 mm作為該沉井下沉過程中框架結(jié)構(gòu)最大差異變形容許值,并取該值的50%作為監(jiān)測預警值,從嚴控制施工過程。

2.1.3 隔墻刃腳設(shè)計

連續(xù)沉井底板下方隔墻刃腳呈矩形網(wǎng)格布置,使用階段即為底板梁,施工階段兼作下沉施工所需的貫入墻,為整個沉井底部提供足夠的土塞和支承。因此,連續(xù)沉井車站底板按雙向板設(shè)計,且均無上翻梁,為更有效地利用站臺層空間創(chuàng)造了條件。本工程內(nèi)部隔墻刃腳斷面按照倒錐形設(shè)置,上部寬1 200 mm,底端寬600 mm,這樣不僅便于結(jié)構(gòu)向下貫入土體,也有利于沉井封底混凝土受力。底部隔墻的平面布置如圖9所示,其與頂板、中板框架梁對齊,斷面形式見圖10。

圖10 標準段沉井縱向剖面圖

2.1.4 耦合樁基設(shè)計

連續(xù)沉井中的耦合樁基使用階段用于抗浮和沉降控制,施工階段用于提供壓入式沉井的反力以及沉井姿態(tài)控制。樁基布置設(shè)計時,應綜合考慮地質(zhì)條件、壓沉反力大小、沉井結(jié)構(gòu)規(guī)模、素混凝土封底層厚度、沉井姿態(tài)糾偏等因素,本工程耦合樁基主要沿車站縱向邊界布置,平均縱向樁間距為4.5 m,樁中心距離井壁邊1.5 m。樁基最不利工況為沉井在終沉位置處完成封底并抽干井內(nèi)水體的抗浮設(shè)計工況。其中,井內(nèi)啟動抽水需在封底混凝土達到設(shè)計強度且井壁與井外樁基通過現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)形成可靠連接后方可進行。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比選,成樁采用樁徑1 000 mm的擴底灌注樁,底部擴大段樁徑為1 800 mm,樁長48 m,樁端位于⑦2粉砂層,單樁豎向抗拔承載力特征值為3 260 kN。

2.2 結(jié)構(gòu)連接設(shè)計

2.2.1 沉井與沉井連接

本工程各相鄰沉井之間設(shè)置了寬2.5 m的窄條型連接段,其主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土單柱雙跨箱型結(jié)構(gòu),在相鄰沉井底板達到設(shè)計強度后方可實施。其中,連接段基坑的長邊方向為已施工沉井端封墻,短邊采用橫列板支護。為便于后期拆除和回收,連接段沿縱向貫通的區(qū)段兩側(cè)沉井端封墻采用豎向密排的長條形π形斷面預制構(gòu)件,連接段貫通時只需割除設(shè)置于水平框架梁上的限位構(gòu)件即可逐條無損取出,實現(xiàn)車站整體貫通。端封墻的預制構(gòu)件為只考慮法向受力的單向受力構(gòu)件,端封墻處壁柱、框架梁及井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮預制構(gòu)件拆除引起的內(nèi)力重分布。預制構(gòu)件與框架梁連接節(jié)點剖面圖和平面圖分別如圖11和圖12所示。預制構(gòu)件立面如圖13所示。

圖11 沉井端封墻預制構(gòu)件與框架梁連接節(jié)點剖面圖(單位: mm)

圖12 沉井端封墻預制構(gòu)件與框架梁連接節(jié)點平面圖(單位: mm)

圖13 沉井端封墻預制構(gòu)件立面圖(單位: mm)

2.2.2 主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)連接

在車站主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)連通位置,井壁結(jié)構(gòu)制作時按連通洞口大小設(shè)置暗梁、暗柱,并在洞口內(nèi)設(shè)置π形斷面預制構(gòu)件,與沉井結(jié)構(gòu)同步下沉,待后期附屬結(jié)構(gòu)完工后,直接取出該預制構(gòu)件即可實現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)連通。預制構(gòu)件與框架梁連接節(jié)點同沉井端封墻處預制構(gòu)件與框架梁的連接節(jié)點。其中,考慮到主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)接口沿車站橫向并不對稱,為便于沉井的姿態(tài)控制,質(zhì)量更輕的預制構(gòu)件一側(cè)應增加沙袋或砌塊等配重措施。

2.2.3 車站與區(qū)間連接

車站與區(qū)間連接處,由于連通口為圓形,采用預制構(gòu)件極為不便,故端頭井端墻預留洞口內(nèi)采用減薄的現(xiàn)澆混凝土并預留繩鋸切割條件,同時利用洞口內(nèi)、外側(cè)壁厚度差預埋盾構(gòu)進出洞鋼環(huán),如圖14所示。車站端部區(qū)間進出洞地基加固做法同常規(guī)設(shè)計。本工程相鄰盾構(gòu)隧道區(qū)間外徑8.6 m,預留洞口按直徑9.3 m設(shè)計,側(cè)壁厚度為800 mm。

圖14 車站與區(qū)間連接接口示意圖(單位: mm)

2.3 差異沉降控制

連續(xù)沉井法車站的差異沉降控制包括施工階段和使用階段2個階段的差異沉降控制。

在施工階段,由于采用了壓入式下沉工藝,可依據(jù)自動化監(jiān)測手段獲取的實時數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整對沉井壁向下施加的助沉壓力的大小、分布,可準確控制沉井的下沉姿態(tài)和終沉位置。

在使用階段,由于連續(xù)沉井法車站沿縱向分布的沉井段、連接段,無論是結(jié)構(gòu)形式、縱向剛度,還是基底土、側(cè)邊土的受力狀態(tài),均有明顯不同,尤其在軟土富水地層,容易發(fā)生工后縱向差異沉降,可能危及使用階段市域鐵路列車運行的安全性。

本工程對此采取了“橫向樁井協(xié)調(diào)”+“縱向剛性貫通”2項措施。其中,“橫向樁井協(xié)調(diào)”指沿車站橫向,將壓沉系統(tǒng)的樁基與井壁通過澆筑連為一體,形成樁井共同抗沉整體剛度,沉井外側(cè)的樁基作為沉降控制樁協(xié)調(diào)沉降差異,如圖15所示;“縱向剛性貫通”是指加厚連接段底板并跨施工縫整體現(xiàn)澆,相應節(jié)點斷面見圖16。

圖15 差異沉降控制措施平面示意圖

圖16 相鄰沉井接口處底板縱向斷面圖(單位: mm)

2.4 環(huán)境影響控制

由于在國內(nèi)現(xiàn)行沉井工程相關(guān)行業(yè)規(guī)范中尚未見周邊環(huán)境影響控制標準的明確描述,本工程地表沉降控制標準參照軟土地區(qū)環(huán)境保護等級為一級的軌道交通地下車站基坑執(zhí)行,即最大地表沉降不應大于0.10%H(H為刃腳底至地面的總深度),對于曹莊站標準段取25.685 m×0.10%≈25.7 mm。

連續(xù)沉井法車站整體尺寸較大,存在各沉井對周邊環(huán)境的疊加影響效應。為研究軟土中連續(xù)沉井群貫入對環(huán)境的影響,采用ABAQUS有限元軟件對沉井的貫入過程進行數(shù)值模擬,數(shù)值模型如圖17所示。經(jīng)初步分析,連續(xù)沉井貫入時地表沉降最大值出現(xiàn)在中間沉井外側(cè)附近,故選取標準段3#、4#、5#沉井進行模擬驗證。沉井結(jié)構(gòu)長44.36 m,寬12.4 m,高24 m。對于黏土地基,通過合理設(shè)置邊界尺寸來模擬半無限空間體,沉井底部與外圍距離足夠大,確保邊界效應的影響得以消除,土體模型長119 m、寬61 m、高48 m,并采用特雷斯卡總應力模型模擬軟黏土中連續(xù)沉井群不排水沉貫過程。

圖17 有限元對稱模型(單位: m)

為進一步研究連續(xù)沉井貫入過程中產(chǎn)生的最大地表沉降,選取如圖18所示的A—A、B—B、C—C3個典型斷面以及井壁邊和井邊0.75H2個關(guān)鍵點位,分析多沉井貫入對周邊地表沉降的影響。

圖18 A—A、B—B、C—C斷面位置

A—A、B—B、C—C斷面處地表沉降和最終沉降分別如圖19和圖20所示。各斷面處地表沉降最大值均出現(xiàn)在井壁邊,其中,A—A斷面處地表沉降最大,為17 mm;B—B斷面沉降次之,為15 mm,C—C斷面沉降最小,為14 mm,且隨著斷面逐漸接近4#沉井中線,最大沉降點處由于先序、后序沉井貫入引起的變形比例不斷減小。因此,對狹長型車站而言,最大地表沉降發(fā)生的位置在兩井交接處,且小于25.7 mm,滿足基坑環(huán)境保護等級為一級的地表沉降控制要求。

(a) A—A斷面

圖20 地表最終沉降對比

當沉井外側(cè)鄰近有重要壓力管線或敏感建筑,需要進一步提升環(huán)境保護要求時,可采取加密井外樁間距兼作隔離、增設(shè)袖閥管注漿、利用井外樁基對管線進行懸吊保護等措施。

3 主要經(jīng)濟效益

對比常規(guī)的明挖順作法,曹莊站主體結(jié)構(gòu)采用連續(xù)沉井法施工后,費用減少項包括:地下連續(xù)墻9 338萬元,槽壁加固396萬元,混凝土支撐741萬元,鋼支撐1 011萬元,格構(gòu)柱及立柱樁468萬元,坑內(nèi)降水207萬元,坑內(nèi)地基加固1 658萬元。費用增加項包括: 調(diào)整為水下開挖后土方綜合費用增加3 683萬元,主體結(jié)構(gòu)加強相關(guān)費用3 596萬元,抗拔樁1 300萬元,壓沉系統(tǒng)1 072萬元,水下封底2 222萬元,防水工程329萬元。增減相抵,可節(jié)省費用1 617萬元。

4 結(jié)論與展望

連續(xù)沉井法包含了壓入式下沉、不排水開挖和信息化施工3項主要工藝要求,是一種軟土富水地區(qū)永臨結(jié)合修建狹長型地下結(jié)構(gòu)的方法,可應用于軌道交通地下車站、越江隧道岸邊段、地下綜合管廊等工程中。嘉興至楓南市域鐵路工程曹莊站是國內(nèi)首個連續(xù)沉井法軌道交通地下車站。依托該工程,本文在提出連續(xù)沉井法建設(shè)軌道交通地下車站總體設(shè)計方案的基礎(chǔ)上,進一步對關(guān)鍵技術(shù)進行研究,主要得到以下結(jié)論:

1)連續(xù)沉井地下車站是一種新型完全永臨結(jié)合的地下結(jié)構(gòu)體系,相比于常規(guī)明挖基坑方式,連續(xù)沉井法避免了大量臨時工程,可有效降低工程造價。

2)連續(xù)沉井法的施工順序是“先結(jié)構(gòu)后開挖”,采用不排水開挖方式,可規(guī)避承壓水突涌風險。

3)連續(xù)沉井法采用壓入式下沉,沉井內(nèi)能保持較高土塞,對周邊土體影響小,可適用于城區(qū)敏感環(huán)境下軌道交通地下車站的建設(shè)。

4)采用連續(xù)沉井法時,通過設(shè)置先序、后序2個施工步驟,增加了狹長型車站可同步施工的作業(yè)面;另外,采用先地面預制后原位下沉的施工方式,可使結(jié)構(gòu)制作和土方開挖同步進行,相比明挖法工期可有效縮減。以曹莊站車站主體為例,可節(jié)約工期約2.5個月。

目前本工程正在沉井結(jié)構(gòu)制作施工過程中,后續(xù)將結(jié)合下沉階段現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),通過反演分析進一步優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。