城市地铁既有运营线路下换乘节点施工不仅要保证地铁车站正常运营, 而且要保证施工过程安全, 施工风险高。通常换乘节点采取预先施工完成, 如果事先换乘节点未能全部完成, 则后续线路施工风险更高。为保证施工安全, 开展这方面研究十分必要。

一些学者通过数值计算和现场监测对新建隧道下穿既有车站进行研究。陶连金等^[1]采用数值模拟方法分析隧道下穿既有地铁车站引起的变形, 并考虑变形缝的影响;贾永刚等^[2]采用有限元软件分析地铁下穿既有车站的结构受力特征, 并对结构的安全性做评价;李立等^[3]对盾构隧道近距离下穿既有地铁车站的设计难点和应对方案进行研究;吴志坚^[4]采用有限元软件ANSYS建立隧道密贴下穿既有车站的数值计算模型, 得到既有结构的变形规律;朱正国等^[5]利用有限差分软件FLAC3D建立隧道下穿既有地铁模型, 根据计算结果对施工方案进行优化。

在换乘节点工程研究方面, 少数学者做了一些研究, 如杨世东等^[6]对换乘节点的设计及施工技术进行研究, 并给出换乘节点远期站的施工方法;熊竺^[7]结合现场监测情况并通过计算, 提出抽条分块开挖的施工方法;井博晖等^[8]通过有限元软件计算得到换乘节点的最大变形位置和车站结构的薄弱环节。

这些研究大多只是初步分析, 对预留换乘节点工程方面的研究不够深入。本文以深圳地铁3号线和7号线石厦站换乘节点工程为研究背景, 石厦站换乘节点的运营线底板 (厚40cm) 薄弱, 且基底强风化地质较差, 该类情况国内外罕见, 换乘节点的成功施工为类似工程设计和施工提供参考。

石厦站是深圳地铁3, 7号线的换乘站, 位于福民路与石厦北二街交叉路口。换乘节点东西长40.2m、宽19.5m, 地铁3号线预留的换乘节点为叠合结构, 原设计采用顺作法施工, 但先期仅施工地下3层换乘节点基坑围护结构, 地下1, 2层结构已施作完成, 并已通车运营, 节点地下3层因各种原因未开挖施作, 该预留换乘节点为深圳地铁7号线石厦站沿福民路东西向布置, 在石厦北二街交叉口与地铁3号线在石厦站“T”形换乘 (见图1) 。

换乘节点基坑深约26.2m, 基底位于强风化花岗岩层, 局部为全风化花岗岩层, 3号线已施工的围护结构采用厚0.8m的地下连续墙, 墙嵌固深度为5.0m。地层自上而下主要是素填土、砾质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩及中、微风化花岗岩^[9]。

由于地铁3号线已运营, 工况已发生较大变化, 原仅考虑在未覆土、未运营工况下的结构设计已不能满足现工况下的受力要求, 前后相比, 主要存在以下几方面风险。

1) 未封闭的3处地下连续墙产生渗漏水, 地下3层开挖可能造成原石厦站结构变形及3号线行车道板的不均匀沉降, 影响3号线运营安全, 是该工程最大施工风险。

2) 节点处8根桩按无覆土、无运营条件进行设计, 无法满足现工况的竖向承载要求, 且需经受抗拔→竖向受压→抗拔的受力转换。

3) 节点地下3层结构净高8.6m, 基坑开挖深度达9.8m, 原施工期间地下连续墙已发生最大45mm变形, 如果水平支撑不到位, 地下连续墙变形可能过大甚至破坏。

4) 地下2层底板与地下连续墙连接部位的部分接驳器损坏, 而采用植筋形成半刚性连接。

开挖过程中如何保证上部3号线结构沉降满足运营要求, 是本工程施工关键点。全断面注浆效果、开挖支护、狭小空间内施工组织、结构受力体系转换时各道工序间的衔接及工期保证是施工中的关键及控制重点。

7号线石厦站换乘节点遗留工程设计、施工方案简述如下:先处理南侧未施作地下连续墙形成封闭止水后, 再暗挖地下2层底板下2个边洞、施作板下梁及钢斜撑, 以减小柱的荷载, 然后暗挖中导洞形成中部底板受力体系, 以进一步减小柱的荷载, 接着再分层分段先暗挖节点内两侧土方, 施作侧墙及部分底板, 最后开挖节点内中部土方, 完成剩余结构施工。具体施工工序如下。

在换乘节点外侧设竖井, 开挖前对未封闭的地下连续墙进行注浆封闭止水及洞内开挖时补注浆, 期间尽可能降低节点内暗挖施工风险, 同时也最大限度地降低区间盾构隧道与车站连接处因失水沉降而产生的风险。

7号线车站基坑开挖土体分层对称开挖至地下2层底板, 换乘节点两侧保留20m长的反压土。

从东、西两侧4个作业面开挖换乘节点角部土体, 开挖前先破除开挖范围内的地下连续墙, 架设双拼型钢支撑作为临时洞门, 喷射20cm厚混凝土封闭开挖面, 全断面注浆加固土体, 加固长度7m, 单循环开挖长度为5m, 端部2m作为止浆墙, 采用机械+人工配合的方式全断面开挖, 架设型钢支撑、挂网喷射混凝土完成初支结构, 每次开挖长度为0.5m, 随挖随支。角部土体开挖2个循环 (10m) 后, 植筋、施工内衬墙, 全部开挖完成后, 架设斜撑 (钢管支撑) , 支撑内部灌注C25混凝土, 分担部分3号线地下2层底板竖向荷载;从角部打设水平注浆孔, 向3号线地下2层底板下土体进行注浆加固, 减小降水或下部开挖对3号线的影响, 如图2所示。

利用地下2层底板下斜撑以便将更多的竖向荷载分配给地下连续墙, 再利用中导洞内底纵梁使部分柱荷载传到地基土, 从而减小柱荷载, 使得桩基承载力满足规范要求。

下导洞施工, 顶部设大管棚, 全断面注浆, 小导管超前支护, 上下台阶法开挖, 同时对下部土体进行注浆加固。下导洞部分采用人工开挖和机械开挖相结合的方式, 开挖前施作ϕ108×8大管棚临时支撑, 超前小导管注浆加固7m, 并在前端部2m处形成止浆墙, 地下连续墙开洞后, 在开洞处架设双拼型钢支架作为临时洞门, 单循环开挖长度5m, 上部分层高1.875m、下部分层高1.8m, 开挖步距为0.5m, 及时施作初期支护, 初期支护体系为钢筋网ϕ8@150×150单层+I25a钢架@0.5m+ϕ22纵向连接钢筋 (环向间距1.0m, 内外双层) + C25喷射混凝土 (厚度300mm) , 如图3所示。各导洞均采用东、西两侧地下连续墙开洞, 同时向中间开挖的方式。

下导洞挖通后, 进行人工挖孔桩、部分底板和底纵梁施工, 形成中部底板受力体系。通过底板与底梁将部分节点荷载传给地基土, 以实现“地基土+立柱桩+地下连续墙”3者共同承担竖向荷载, 同时对地基土进行必要的注浆加固, 并对东、西两侧的叠合柱进行施工。

换乘节点第1层中部土体开挖。

分3段施工电缆夹层板。

换乘节点南、北两侧剩余土体以及中部剩余土体分3层开挖, 架设钢支撑, 开挖、初支及内衬墙施工方式与角部施工方式相同, 如图4所示。利用水平向结合竖向型钢喷混凝土结构作为支撑, 以满足开挖期间地下连续墙水平受力要求。

施工剩余部分底板。

拆除型钢支撑及角部斜撑, 完成换乘节点施工。

换乘节点内部拟采取暗挖导洞、型钢喷混凝土结构支护下暗挖土方。分层、分块开挖节点范围内的土体, 开挖过程中严格按照暗挖法“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”原则进行施工, 尽量减小开挖过程中的沉降变形。

为确保施工过程中既有3号线车站的安全运营, 对3号线轨行区沉降变形进行24h自动化监测, 采用徕卡TS30测量机器人与Geomos专业监测软件配套使用实现。监测里程为DK4+140—DK4+265。隧道内每个监测断面布置4个监测点, 车站内布置2个监测点, 共布置96个监测点, 监测点布置如图5所示。

为单独分析换乘节点施工对既有车站的影响, 对新建7号线石厦站施工引起既有车站的水平位移和竖向位移进行清零处理, 并选取关键施工工序完成的时间点所对应的位移, 分析换乘节点开挖的影响。

以右线隧道的沉降和水平位移为例进行分析。x轴以里程DK4+140为起点, 购物公园站方向为正方向;y轴为竖向位移, “+”表示隆起, “-”表示下沉。选取在换乘节点施工过程中对3号线车站影响较大的4个工序, 即工序4, 6, 8, 10进行研究。拆除型钢支撑及角部斜撑, 完成换乘节点施工。根据4个不同工序所对应的测点竖向位移进行整理分析。整理结果如图6所示。

由图6a看出, 工序8完成后, 在断面YKD4+180上, 道床测点出现最大沉降, 最大沉降值为5mm;工序8完成后, 在断面YKD4+140上, 道床测点出现最大隆起, 最大隆起值为2.3mm。换乘节点开挖对道床的影响变化呈“中间大, 两边小”趋势。

由图6b看出, 工序10完成后, 在断面YKD4+190上, 边墙测点出现最大沉降, 最大沉降值为5.4mm, 道床测点的沉降值为5.2mm;工序10完成后, 在断面YKD4+215上, 边墙测点出现最大隆起, 最大隆起值为1.1mm。换乘节点开挖对边墙测点的影响呈“中间大, 两边小”趋势。

对右线隧道边墙测点和道床测点的自动化监测数据整理分析, 最大沉降值和最大隆起值基本上都出现在道床测点。大多数测点的最大沉降值出现在工序8完成后, 最大隆起值出现在工序10完成后, 也就是换乘节点施工完成后。根据规范^[10]规定, 结构绝对变形量为10mm (见表1) , 既有车站和盾构隧道的最大沉降值与隆起值满足规范要求, 认为换乘节点开挖引起既有车站和盾构隧道的竖向变形在安全可控范围内。

隧道的水平位移分析方法与沉降变形一致。x轴以里程DK4+140为起点, 购物公园站方向为正方向;y轴为水平位移, 水平位移量为“+”值表示隧道向新洲方向移动, “-”值表示向水围方向移动, 仍然选取在换乘节点施工过程中对3号线车站影响较大的4个工序进行研究, 分别是工序4, 6, 8, 10。根据4个不同工序所对应的测点竖向位移进行整理分析。整理结果如图7所示。

由图7a看出, 工序6完成后, 在断面YKD4+170上, 道床测点出现最大水平位移, 最大水平位移值为5.5mm, 向水围方向移动;换乘节点开挖引起道床大多数测点的水平位移开始向水围方向移动, 后向新洲方向移动。换乘节点开挖对道床的影响呈“中间大, 两边小”趋势。

由图7b看出, 与道床测点的最大水平位移值相比, 边墙测点的最大水平位移值小一些, 工序6完成后, 在断面YDK4+195上, 边墙测点出现最大水平位移, 最大水平位移值为4.9mm, 向水围方向移动;换乘节点开挖引起边墙测点的水平位移开始向水围方向移动, 后向新洲方向移动。换乘节点开挖对边墙测点的影响呈“中间大, 两边小”趋势。

对右线隧道的边墙测点和道床测点的自动化监测数据整理分析, 最大水平位移出现在道床测点, 而且大多数测点的最大水平位移出现在工序10完成后, 也就是换乘节点完成施工后。换乘节点开挖引起各测点的水平位移开始先向水围方向移动, 后向新洲方向移动。根据规范^[10]规定, 结构绝对变形量为10mm (见表1) , 既有车站和盾构隧道的最大水平位移值满足规范要求, 认为换乘节点开挖引起既有车站和盾构隧道的水平位移在安全可控范围内。

本文以深圳地铁3号线和7号线石厦站换乘节点工程为研究背景, 详细说明换乘节点现场的施工工序, 结合自动化监测数据得到以下结论。

1) 石厦站换乘节点的施工方法和施工工艺有效控制既有结构变形, 采用在开挖前进行注浆封闭止水, 洞内开挖时补注浆, 分层、分块开挖节点范围内的土体, 以及小导洞注浆+台阶法+临时仰拱的施工方法可行。这种开挖方法耗时少, 能做到及时封闭, 可有效减少既有车站沉降。由换乘节点施工引起的既有结构最大沉降值为5.4mm, 最大水平位移值为5.5mm, 结构变形控制在安全范围内, 保证既有结构安全运营。

2) 换乘节点施工方案顺利解决全断面注浆效果、开挖支护、狭小空间内施工组织、结构受力体系转换时各道工序间的衔接及工期保证等施工过程中的关键难题, 可为以后类似工程提供宝贵的施工经验。

3) 换乘节点施工对靠近换乘节点的自动化监测点影响较大, 远离换乘节点的监测点影响较小。

4) 绝大多数监测点的竖向位移在工序8完成后达到最大值, 而且整个施工过程呈现先沉降后略微隆起趋势;绝大多数监测点的水平位移在换乘节点施工全部完成后达到最大值, 而且呈最终向新洲方向移动趋势。

5) 最大水平位移和竖向位移基本均出现在道床监测点上, 所以应重点关注道床位移。