杭州东站位于杭州市城东新城, 是沪昆、宁杭、杭甬、沪杭、杭长五线交汇枢纽。站房设15台30线, 股道规模居全国第二, 是亚洲最大的铁路枢纽站房之一。工程总建筑面积为155 569m²。地下1层, 地上2层, 分别为站台层、高架层, 局部设夹层。东站站房地下结构主要分为:东站房地下室、西站房地下室、过站通道 (含磁浮区间, 连接东西站房地下室) 两侧出租车通道、出租车通道与过站通道之间的6条联系通道等部分。

杭州东站作为既有站改造工程, 沪昆正线在全建设周期需保持运营, 该线路南北向横穿铁路站房。

本工程地基土有10个工程地质层, 若干亚层。各地基岩土层的特征如表1所示。

拟建场地浅层地下水属孔隙性潜水, 主要赋存于表层填土及 (3) ₂~ (3) ₆层粉土、粉砂土中, 由大气降水和地表水径流补给, 地下水位随季节变化, 静止水位埋深0.70~2.50m, 相应高程4.220~3.700m。根据区域水文地质资料, 浅层地下水水位年变幅为1.0~2.0m, 多年最高地下水位约埋深0.5~1.0m。根据杭州市类似工程经验及场地环境, 地下水流速较小。

作为既有车站改造工程, 沪昆正线位于待建工程中部, 将杭州东站基坑一分为二, 基坑施工全过程需伴随着沪昆正线的不间断运营。而一旦该线路转场至已完结构的永久线路位置后, 该线路原所在区域还需开挖施工站房结构。因此需选择一种安全可靠, 同时又兼顾现场作业条件和周边环境影响的基坑支护方式。既有铁路线现状剖面如图1所示。

沪昆正线东西两侧一期和二期基坑基本同时支护开挖, 其中距离既有铁路线东侧约49m, 西侧约26m, 挖深约8.55m, 围护长度217m。综合地质情况和周边环境, 本基坑重要性等级为一级。

东站站房周边环境复杂, 围护设计形式受到多种因素制约, 边坡上有既有铁路线、站台雨篷和接触网, 坡脚存在超深坑中坑承台;在东西通道基坑下部有地铁1号线和4号线分别采用盾构穿越和盖挖逆作通过;在基坑东侧有在建的地铁杭州东站站, 其施工范围与本工程交错进行。

针对运营中的铁路线的基坑围护是平常民用建筑工程较少遇到的一种围护形式, 本次沪昆正线是我国铁路网“八纵八横”主骨架及“四纵四横”快速客运网的重要组成部分, 施工全周期需保证铁路畅通和安全运营。因此对基坑围护的安全提出了更高要求。总体来说该段围护体系设计需考虑以下几方面: (1) 基坑围护体系的选择需考虑能与站房外围总体围护体系相匹配; (2) 铁路路基沉降全程需控制在20mm以内, 因此不能采用坑外降水的形式; (3) 列车运行过程会出现振动荷载, 根据铁路路基安全规范, 基坑侧向变形绝对不能突破2cm警戒值, 否则将视为危及铁路运营线安全、产生导致沪昆正线停运抢险的重大责任事故; (4) 杭州地铁1号线采用盾构法施工, 纵向穿越基坑, 与基坑边坡正交, 深度为自然地面以下15m左右, 所选围护形式不能影响地铁盾构施工; (5) 该围护体系属于过渡工程, 还需保证不影响铁路线转线后该区域的后续开挖和结构施工; (6) 受到需保留的站台和雨篷结构影响, 围护作业空间受限, 不能采用常规放坡形式。

根据以上特点, 本围护体系的总体方案考虑采用SMW工法桩, 与站房总体围护体系统一, 适合该工程地质情况。而支护形式需根据设计计算和工况确定。

设计提供的第1版方案采用工法桩加锚杆对拉的形式, 具体如图2所示。

工法桩结合锚杆对拉的形式很好地保护了铁路线区域的土方, 结合被动区加固, 该方案有很好的安全性, 并且预算造价较低, 日后拆除较简便, 不影响后续构筑物施工。但该方案施工难度极大, 重点需解决Ø32对拉锚杆施工措施, 该部分施工主要能采取以下2个方案。

1) 采用顶管穿越后管内再放入锚杆或直接推送锚杆该方案由于入土后难以准确控制顶进方向, 无法做到横穿27m的土层后, 准确从另一端H型钢间空隙穿出, 施工操作可行性差。

2) 采用锚杆钻机钻孔锚杆钻机钻杆刚度相对较大, 由于为钻进取土, 定位较顶管容易控制, 但同样无法保证定位精度, 易造成废孔, 并且由于穿越铁路线, 列车振动可能造成塌孔, 必须采用全套管跟进的方式, 因此一旦废孔, 将无法继续施工。

采用对拉形式还需两侧基坑同步开挖, 而一侧基坑有地铁端头井的0号支撑, 位于自然地面, 该区域地铁尚未开挖, 一旦台后土方移除, 将导致地铁基坑失稳 (见图3) 。根据以上情况, 该方案经研究后被否决。

第2版设计方案采用了东侧配合地铁基坑, 采用高压旋喷桩止水帷幕与整体南北围护相衔接, 并结合大放坡的围护形式, 西侧场地有限, 采用工法桩密插并加预应力锚索。具体设计形式如图4所示。

1) 既有铁路线东侧基坑支护开挖面距离既有铁路线约49m, 基坑深度约8.25m。支护方式采用上部2m按1∶1放坡, 挂网喷射混凝土, 预留1m操作平台;下部实施三轴Ø850@600水泥土搅拌桩 (见图5) 。

2) 既有铁路线西侧基坑支护西侧开挖边界距离既有铁路线约26m, 距离站台11.3m, 基坑深度约11.65m。支护方式采用上部3m按1∶1.5放坡, 挂网喷射混凝土, 预留3m操作平台;下部实施三轴Ø850@600水泥土搅拌桩, 并间隔1.2m内插HN750×300×13×24mm型钢, 在-4.850, -7.350, -9.850m处分别放置3道预应力锚索, 每排锚索与水平面夹角按15°和20°交错布置。桩顶采用C30钢筋混凝土压顶冠梁, 第2, 3道锚索采用钢腰梁 (见图6) 。

3) 基坑止水与降水由于开挖范围内的土层为粉砂土, 因此采用三轴水泥土搅拌桩施工至 (4) ₃层不少于3m做止水帷幕。鉴于降水可能引起坡顶沉降, 因此从保护既有铁路线角度出发, 止水帷幕以外的线路区域不设置降水措施, 只设置明沟排水。

该方案经专业管理单位上海铁路局建设处组织审查, 既有铁路线的维护管理单位提出以下改进意见。

1) SMW工法桩H型钢应尽可能加长, 插入比不得小于1∶1。

2) 在坡顶围护桩与铁路站台间主动采用高压旋喷桩格构形式进一步加强, 高压旋喷桩直径为600mm, 搭接100mm, 基底标高要与工法桩一致。横线路方向格构间距为7.5m, 顺线路方向为5~6排的桩距。高压旋喷桩加固平面如图7所示。

3) 预应力锚索进行应力检测, 要求预应力锚索试验得到的锚索极限抗拔力不得低于设计值。

根据站场线路设计单位和铁路营业线安全技术规范要求, 本工程基坑围护监测控制参数如下。

1) 沉降铁路线路基沉降量≤20mm, 变形速率达到3.0mm/d;基坑边坡坡顶沉降量≤50mm, 变形速率达到3.0mm/d。

2) 水平位移基坑坡顶水平位移量≤0.006H (H为基坑开挖深度) , 累计位移不超过4cm, 水平位移变形速率达到3.0mm/d。

3) 水位基坑开挖引起坑外水位下降不得超过1m, 发展不超过100mm/d。

4) 土体深部位移量土体深部位移变化曲线不能出现明显的拐点变化。

5) 锚索内力检测锚索内力不得超过设计值的80% (允许最大内力325.5k N) 。

最终基坑实施后, 监测结果为: (1) 铁路沉降无法监测 (由铁路专业单位每日巡查) , 基坑边坡沉降36.3mm; (2) 水位变化最大累计量910mm; (3) 水平位移8.98mm; (4) 土体深部位移曲线无明显拐点变化; (5) 锚索内力61.44k N。

由土体位移、水位变化、预应力锚索内力检测成果来看, 基坑处于安全受控状态。

既有铁路线旁基坑开挖安全风险巨大, 并且由于铁路的特殊性, 无法采用道路边基坑开挖常用的封道和改道等措施, 因此对施工组织安排和设计方案选择均有较高要求。而杭州东站还需综合考虑站房总体围护形式的配合、地铁基坑已有围护结构和盾构线路等影响, 难度极大。东站站房临近既有铁路线基坑围护选择的SMW工法桩加预应力锚索的复合支护形式经实践验证, 安全可靠, 施工效率较高, 费用较低, 不影响后续结构施工, 特别是工法桩拔除后不影响日后地铁盾构穿越, 因此是较为理想的一种围护形式。