上海軌道交通9號線宜山路車站主要施工技術摘要:上海軌道交通9號線宜山路車站為地下4層島式車站,基坑開挖最深達30.6 m,周邊建筑基礎差、保護要求高。該文敘述了在超深地下連續墻施工、基坑開挖施工、降承壓水施工過程中采用的多種技術創新和技術措施,既保證了施工的順利進行,又確保了周邊環境的安全。關鍵詞:軌道交通;車站;地下連續墻施工;基坑開挖;降承壓水;施工監測;上海市1工程概況 位于宜山路下的上海軌道交通9號線宜山路車站是三線換乘的樞紐車站(3、4號線),西起中山西路,東至凱旋路。車站主體結構外包尺寸長為285.80 m,標準段寬21.2 m,站臺寬10 m,是地下4層島式車站(見圖1)。 車站主體結構分為4個基坑,全部采用框架逆筑法施工。車站基坑最大開挖深度為:東端頭井30.6 m,其它端頭井開挖約29.7 m,標準段開挖約27.9 m,是目前上海最深的地鐵車站,基坑保護等級為一級。1.1周邊環境 車站周邊建筑眾多,基本都在0.5倍開挖深度范圍之內,其結構、樁基、與基坑的相對位置見表1。其中家飾佳和科拉勝等,是由倉庫改建的,基礎較差。
1.2工程地質 該車站第⑥層暗綠色粘性土(硬土層)缺失,第⑤層亞層復雜,其中在東端頭井位置存在⑤2-2砂質粘土,而且與⑦1層連通,最淺處只有34.5 m,其中⑦1層局部缺失,且因夾較多薄層粘性土,土性比⑦2層明顯差,各土層特性見表2。2主要施工技術2.1超深地下連續墻施工 宜山路車站分4個區(Z1～Z4)施工,地下連續墻厚1.2 m。為保護周邊環境,東端頭井(Z3區)處地下連續墻加深至62 m,標準段加深至61 m,墻趾進入⑦2號土超過10 m。因此,成槽穩定性、鋼籠起吊、地下連續墻防滲成為施工控制的關鍵因素。2.1.1成槽精度和穩定性控制 (1)根據成槽要求,選用德國利勃海爾HS855HD型成槽機,其成槽深度最大70 m,精度高達1/1 000,成槽效率高。 (2)嚴格控制成槽工藝:嚴格按工藝流程作業,在對⑦層土內成槽時,抓斗進行合理改進,適當擴孔;清孔前,采用抓斗掃孔以避免頸縮而使鋼籠無法下放;合理安排各工序進程,邊清孔邊起吊鋼籠,縮短槽段靜置時間。 (3)嚴格控制泥漿質量:根據砂質粉土的特性,采用優質膨潤土,并改變振動篩篩網結構,保證旋流器的正常運行,提高分離效率,適當提高泥漿比重和黏度,確保槽壁的穩定。2.1.2鋼筋籠采用整幅起吊 62 m長先行幅鋼筋籠約重78 t,吊點設置在十字鋼板上,并對桁架進行加強,主筋和分布筋全部點焊。在場地受到限制的區域,只能采用200 t吊車,因而將鋼籠分段,采用接駁器對接的吊裝方式;對于L幅、T幅、Z幅鋼筋籠,因整幅制作難度大,且時間長,故采用1槽2籠的工藝(即整幅成槽、分籠吊裝)。2.1.3防滲控制 地下連續墻接頭采用十字鋼板接頭,通過加長地下水滲流路徑來加強止水效果,同時,在抓斗上安裝特制刮刀(見圖2),在反力箱上安裝特制鏟刀來清除十字鋼板上粘附牢固的混凝土塊。混凝土塊清除后,采用專制的有重力導向的刷壁器刷壁,最終采用超聲波檢測十字鋼板的垂直度,確保接頭的防滲效果。2.1.4輕軌樁基的保護 軌道交通3號線一側的東端頭井區域,在地下連續墻施工前,先在端頭井地下墻外施工長32 m的φ1 000 mm深層攪拌樁,隔斷地下墻施工對高架的影響;同時,這一區域地下墻分幅由5.8 m優化為3 m,通過縮短分幅長度來減少單位槽段的施工時間,增強土拱效應,保持土體的穩定,降低成槽施工對周邊環境的影響。2.2超深基坑開挖施工技術 全長285.8 m,標準段寬21.2 m的車站,如果作為1個基坑開挖,則基坑暴露時間要長達1 a,抽承壓水時間也要近0.5 a,對周邊環境影響大、施工風險大。2.2.1化整為零 結合施工總體工期和分階段盾構進洞工期的要求,將車站主體基坑劃分為4個小基坑,分階段施工各個基坑,可減少基坑暴露時間,保護周邊建筑。2.2.2框架逆筑 為了控制基坑變形,采用鋼支撐和混凝土支撐相結合的支撐體系,共設置9道支撐。其中第一道采用鋼筋混凝土支撐,第二、四、六、八(雙榀)、九道為φ609鋼管支撐,第三、五、七道為鋼筋混凝土支撐和圍檁,并作為永久結構板的一部分。在澆素混凝土和結構制作前,為起到預先支撐作用,在每道混凝土撐下均進行施噴抽條加固(見圖3)。2.2.3基坑開挖 按混凝土支撐分為4個大層進行,開挖至混凝土支撐下部后,鋪設底模,制作混凝土支撐和圍檁。混凝土支撐與地下墻及后期制作的中板均采用接駁器連接。因為結構比較復雜、制作時間長而造成的基坑變形較大,則在施工中采用撐底加固和加臨時支撐兩項措施: (1)撐下加固。基坑地基加固采用三重管旋噴樁(樁徑1.2 m,樁心距0.9 m,qu(28)≥1.2 MPa),端頭井采用網格狀,標準段采用抽條和裙邊的形式。支撐底加固范圍為下一、下二、下三層支撐和圍檁以下2 m,在開挖面以下起到暗撐的作用。在旋噴施工時,通過樁架上劃定標記,分4層控制旋噴樁的標高。 (2)撐上加撐。在混凝土支撐和圍檁制作過程中,由于上道鋼支撐與開挖面距離在3 m以上,為了在制作支撐和支撐達到強度的時間內有效控制基坑變形,在混凝土制作面以上,增加1道臨時的φ609鋼支撐(在基坑往下開挖時,再將這道臨時支撐下移),預加軸力至上道支撐設計值,并盡可能地靠近開挖面。2.2.4自動化監測 對于離基坑只有7 m的軌道交通3號線(輕軌)的保護要求比較高,要求2條軌道的差異沉降控制在2 mm內。因此,從一開始施工,就在輕軌蓋梁上安裝電水平尺(精度在0.01 mm),在基坑開挖中進行了嚴密的監測;在上海七建和輕軌高架側的地下連續墻內埋設固定式測斜儀,實時反映地下連續墻的變形,以指導施工。2.3承壓水控制技術2.3.1地質補勘 針對原有的地質勘察報告中關于承壓水問題存在的疑問,施工前進行了4次施工補勘,以靜力觸探為主,弄清基坑位置內含砂地層的分布。2.3.2現場降水試驗 為掌握建址地層之間的水力聯系和降水過程中的沉降反應,施工前進行了調查滲流固結規律的現場降水實驗。試驗設施由降壓井群、觀測井群、監測系統3部分組成。其中監測系統包括成組設置的孔隙水壓力、分層沉降和地表監測點、重要建構筑物監護測點,構成了以降壓井群為中心、80 m半徑范圍內的“五環四射”放射狀監測剖面(見圖4)。降水試驗采用非完整井非穩定流的方法進行抽水試驗。通過現場實驗,不僅準確掌握了本區地下水位,準確獲得本場地的水文地質參數,而且通過各層孔隙水壓力,確認第⑤層最下部的亞層與⑦層存在水力聯系。2.3.3分層降壓 根據降水試驗和打井實測,⑤3-2層有壓力,但水量補給緩慢,因此,承壓水治理采用分層降壓:一方面,在該層中單獨布置井點或與疏干井相結合,形成混合井進行降壓,使其成為有效的隔水層;另一方面,在⑦層土單獨布置井點降壓,這樣使降壓井最大設計降深由17m壓縮到6 m,有力地控制了沉降。2.3.4圍護與井點一體化設計 通過采取三維滲透場和應力場進行分析計算,提出了“以隔為主”的承壓水治理方案。在圍護結構進入承壓水層一定深度的情況下,通過圍護和井點的一體化設計,使圍護結構比井點濾網深,圍護結構能夠“包”住井點(見圖5、圖6),可以有效地阻隔坑內抽承壓水對坑外的影響。、3施工監測 宜山路站基坑開挖深、環境保護要求高。車站的東側(Z3區)是運營中的3號線區間高架和車站及運營中的4號線宜山路車站,高架承臺離基坑最近只有7 m,地下車站離基坑最近處為23 m,根據地鐵運營公司要求,3號線軌道沉降最大允許值為2 cm,2個承臺的差異沉降要控制在0.25‰L(L為梁的跨距)內,兩條軌道的差異沉降值為2 mm。 因此,除常規一級基坑需要采取的監測手段之外,根據施工的要求,還采取了一系列高精度、自動化的監測措施。 (1)圍護自動化測斜。在周邊保護要求比較高的上海七建和3號線輕軌高架一側的地下墻內埋設固定式測斜儀,以實時反映的地下墻變形來指導施工。 (2)自動化測差異沉降。在輕軌蓋梁上安裝電水平尺,其精度控制在0.01 mm以內。 (3)水位自動化監測。為了實時了解承壓水位,采用孔隙水壓計采集數據,通過數據采集器將頻率信號轉化為電子信號,并采用專用軟件轉化為實時水位曲線,設置水位報警值,實時監測水位變化。 (4)土層分層沉降監測。原先土層的分層沉降采用磁環監測,但其精度為±2 mm,測得數據波動比較大,無法用于分析土體沉降與水位變化之間的規律分析。因而,從Z2區開始采用多點位移計來監測土層的分層沉降,其原理是使剛性桿與所測土層通過化學漿固結為一體,剛性桿通過保護套管伸至地面,土層的活動通過剛性桿如實地傳遞到地面,再通過千分表測量孔口的相對沉降;加上孔口的沉降,則得到該土層的絕對沉降值。多點位移計精度可達到±0.2 mm,監測到土體的分層沉降。詳見圖7。 宜山路車站在整個地下連續墻施工過程中,運營中的3號線最大沉降僅為1.62 mm,最大差異沉降0.65 mm,均在允許范圍之內;鄰近的房屋沉降觀測點最大值僅3.08 mm,基本不受影響;從基坑開挖情況來看,地下連續墻平均垂直精度偏差為1/500,小于1/300的標準,并且基本無明顯滲漏水現象,抗滲效果良好。4結語 上海軌道交通9號線宜山路車站是目前國內軟土中最深的地鐵車站,其開挖面積超過5 000 m2。在超深地下連續墻施工中,通過引進設備和工藝革新,形成一套超深地下連續墻施工工藝。在基坑施工中,采用方案比選、技術創新等,總結出深基坑開挖的施工技術。在承壓水施工中,先分析,后試驗,再施工;先研究,后計算,再實施,提出了以沉降控制為中心,按需降水的承壓水治理工藝。通過嚴密的施工監測,反饋指導施工,保證了車站本體的安全和周邊環境的安全。 宜山路站車站在超深地下連續墻、超深基坑開挖、超深降承壓水中采用的施工技術和積累的經驗,為超深地鐵車站的設計、施工提供了實踐經驗。參考文獻[1]劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.[2]吳林高.工程降水設計施工與基坑滲流理論[M].北京:人民交通出版社,2003.
1.2工程地質 該車站第⑥層暗綠色粘性土(硬土層)缺失,第⑤層亞層復雜,其中在東端頭井位置存在⑤2-2砂質粘土,而且與⑦1層連通,最淺處只有34.5 m,其中⑦1層局部缺失,且因夾較多薄層粘性土,土性比⑦2層明顯差,各土層特性見表2。2主要施工技術2.1超深地下連續墻施工 宜山路車站分4個區(Z1～Z4)施工,地下連續墻厚1.2 m。為保護周邊環境,東端頭井(Z3區)處地下連續墻加深至62 m,標準段加深至61 m,墻趾進入⑦2號土超過10 m。因此,成槽穩定性、鋼籠起吊、地下連續墻防滲成為施工控制的關鍵因素。2.1.1成槽精度和穩定性控制 (1)根據成槽要求,選用德國利勃海爾HS855HD型成槽機,其成槽深度最大70 m,精度高達1/1 000,成槽效率高。 (2)嚴格控制成槽工藝:嚴格按工藝流程作業,在對⑦層土內成槽時,抓斗進行合理改進,適當擴孔;清孔前,采用抓斗掃孔以避免頸縮而使鋼籠無法下放;合理安排各工序進程,邊清孔邊起吊鋼籠,縮短槽段靜置時間。 (3)嚴格控制泥漿質量:根據砂質粉土的特性,采用優質膨潤土,并改變振動篩篩網結構,保證旋流器的正常運行,提高分離效率,適當提高泥漿比重和黏度,確保槽壁的穩定。2.1.2鋼筋籠采用整幅起吊 62 m長先行幅鋼筋籠約重78 t,吊點設置在十字鋼板上,并對桁架進行加強,主筋和分布筋全部點焊。在場地受到限制的區域,只能采用200 t吊車,因而將鋼籠分段,采用接駁器對接的吊裝方式;對于L幅、T幅、Z幅鋼筋籠,因整幅制作難度大,且時間長,故采用1槽2籠的工藝(即整幅成槽、分籠吊裝)。2.1.3防滲控制 地下連續墻接頭采用十字鋼板接頭,通過加長地下水滲流路徑來加強止水效果,同時,在抓斗上安裝特制刮刀(見圖2),在反力箱上安裝特制鏟刀來清除十字鋼板上粘附牢固的混凝土塊。混凝土塊清除后,采用專制的有重力導向的刷壁器刷壁,最終采用超聲波檢測十字鋼板的垂直度,確保接頭的防滲效果。2.1.4輕軌樁基的保護 軌道交通3號線一側的東端頭井區域,在地下連續墻施工前,先在端頭井地下墻外施工長32 m的φ1 000 mm深層攪拌樁,隔斷地下墻施工對高架的影響;同時,這一區域地下墻分幅由5.8 m優化為3 m,通過縮短分幅長度來減少單位槽段的施工時間,增強土拱效應,保持土體的穩定,降低成槽施工對周邊環境的影響。2.2超深基坑開挖施工技術 全長285.8 m,標準段寬21.2 m的車站,如果作為1個基坑開挖,則基坑暴露時間要長達1 a,抽承壓水時間也要近0.5 a,對周邊環境影響大、施工風險大。2.2.1化整為零 結合施工總體工期和分階段盾構進洞工期的要求,將車站主體基坑劃分為4個小基坑,分階段施工各個基坑,可減少基坑暴露時間,保護周邊建筑。2.2.2框架逆筑 為了控制基坑變形,采用鋼支撐和混凝土支撐相結合的支撐體系,共設置9道支撐。其中第一道采用鋼筋混凝土支撐,第二、四、六、八(雙榀)、九道為φ609鋼管支撐,第三、五、七道為鋼筋混凝土支撐和圍檁,并作為永久結構板的一部分。在澆素混凝土和結構制作前,為起到預先支撐作用,在每道混凝土撐下均進行施噴抽條加固(見圖3)。2.2.3基坑開挖 按混凝土支撐分為4個大層進行,開挖至混凝土支撐下部后,鋪設底模,制作混凝土支撐和圍檁。混凝土支撐與地下墻及后期制作的中板均采用接駁器連接。因為結構比較復雜、制作時間長而造成的基坑變形較大,則在施工中采用撐底加固和加臨時支撐兩項措施: (1)撐下加固。基坑地基加固采用三重管旋噴樁(樁徑1.2 m,樁心距0.9 m,qu(28)≥1.2 MPa),端頭井采用網格狀,標準段采用抽條和裙邊的形式。支撐底加固范圍為下一、下二、下三層支撐和圍檁以下2 m,在開挖面以下起到暗撐的作用。在旋噴施工時,通過樁架上劃定標記,分4層控制旋噴樁的標高。 (2)撐上加撐。在混凝土支撐和圍檁制作過程中,由于上道鋼支撐與開挖面距離在3 m以上,為了在制作支撐和支撐達到強度的時間內有效控制基坑變形,在混凝土制作面以上,增加1道臨時的φ609鋼支撐(在基坑往下開挖時,再將這道臨時支撐下移),預加軸力至上道支撐設計值,并盡可能地靠近開挖面。2.2.4自動化監測 對于離基坑只有7 m的軌道交通3號線(輕軌)的保護要求比較高,要求2條軌道的差異沉降控制在2 mm內。因此,從一開始施工,就在輕軌蓋梁上安裝電水平尺(精度在0.01 mm),在基坑開挖中進行了嚴密的監測;在上海七建和輕軌高架側的地下連續墻內埋設固定式測斜儀,實時反映地下連續墻的變形,以指導施工。2.3承壓水控制技術2.3.1地質補勘 針對原有的地質勘察報告中關于承壓水問題存在的疑問,施工前進行了4次施工補勘,以靜力觸探為主,弄清基坑位置內含砂地層的分布。2.3.2現場降水試驗 為掌握建址地層之間的水力聯系和降水過程中的沉降反應,施工前進行了調查滲流固結規律的現場降水實驗。試驗設施由降壓井群、觀測井群、監測系統3部分組成。其中監測系統包括成組設置的孔隙水壓力、分層沉降和地表監測點、重要建構筑物監護測點,構成了以降壓井群為中心、80 m半徑范圍內的“五環四射”放射狀監測剖面(見圖4)。降水試驗采用非完整井非穩定流的方法進行抽水試驗。通過現場實驗,不僅準確掌握了本區地下水位,準確獲得本場地的水文地質參數,而且通過各層孔隙水壓力,確認第⑤層最下部的亞層與⑦層存在水力聯系。2.3.3分層降壓 根據降水試驗和打井實測,⑤3-2層有壓力,但水量補給緩慢,因此,承壓水治理采用分層降壓:一方面,在該層中單獨布置井點或與疏干井相結合,形成混合井進行降壓,使其成為有效的隔水層;另一方面,在⑦層土單獨布置井點降壓,這樣使降壓井最大設計降深由17m壓縮到6 m,有力地控制了沉降。2.3.4圍護與井點一體化設計 通過采取三維滲透場和應力場進行分析計算,提出了“以隔為主”的承壓水治理方案。在圍護結構進入承壓水層一定深度的情況下,通過圍護和井點的一體化設計,使圍護結構比井點濾網深,圍護結構能夠“包”住井點(見圖5、圖6),可以有效地阻隔坑內抽承壓水對坑外的影響。、
3施工監測 宜山路站基坑開挖深、環境保護要求高。車站的東側(Z3區)是運營中的3號線區間高架和車站及運營中的4號線宜山路車站,高架承臺離基坑最近只有7 m,地下車站離基坑最近處為23 m,根據地鐵運營公司要求,3號線軌道沉降最大允許值為2 cm,2個承臺的差異沉降要控制在0.25‰L(L為梁的跨距)內,兩條軌道的差異沉降值為2 mm。 因此,除常規一級基坑需要采取的監測手段之外,根據施工的要求,還采取了一系列高精度、自動化的監測措施。 (1)圍護自動化測斜。在周邊保護要求比較高的上海七建和3號線輕軌高架一側的地下墻內埋設固定式測斜儀,以實時反映的地下墻變形來指導施工。 (2)自動化測差異沉降。在輕軌蓋梁上安裝電水平尺,其精度控制在0.01 mm以內。 (3)水位自動化監測。為了實時了解承壓水位,采用孔隙水壓計采集數據,通過數據采集器將頻率信號轉化為電子信號,并采用專用軟件轉化為實時水位曲線,設置水位報警值,實時監測水位變化。 (4)土層分層沉降監測。原先土層的分層沉降采用磁環監測,但其精度為±2 mm,測得數據波動比較大,無法用于分析土體沉降與水位變化之間的規律分析。因而,從Z2區開始采用多點位移計來監測土層的分層沉降,其原理是使剛性桿與所測土層通過化學漿固結為一體,剛性桿通過保護套管伸至地面,土層的活動通過剛性桿如實地傳遞到地面,再通過千分表測量孔口的相對沉降;加上孔口的沉降,則得到該土層的絕對沉降值。多點位移計精度可達到±0.2 mm,監測到土體的分層沉降。詳見圖7。 宜山路車站在整個地下連續墻施工過程中,運營中的3號線最大沉降僅為1.62 mm,最大差異沉降0.65 mm,均在允許范圍之內;鄰近的房屋沉降觀測點最大值僅3.08 mm,基本不受影響;從基坑開挖情況來看,地下連續墻平均垂直精度偏差為1/500,小于1/300的標準,并且基本無明顯滲漏水現象,抗滲效果良好。4結語 上海軌道交通9號線宜山路車站是目前國內軟土中最深的地鐵車站,其開挖面積超過5 000 m2。在超深地下連續墻施工中,通過引進設備和工藝革新,形成一套超深地下連續墻施工工藝。在基坑施工中,采用方案比選、技術創新等,總結出深基坑開挖的施工技術。在承壓水施工中,先分析,后試驗,再施工;先研究,后計算,再實施,提出了以沉降控制為中心,按需降水的承壓水治理工藝。通過嚴密的施工監測,反饋指導施工,保證了車站本體的安全和周邊環境的安全。 宜山路站車站在超深地下連續墻、超深基坑開挖、超深降承壓水中采用的施工技術和積累的經驗,為超深地鐵車站的設計、施工提供了實踐經驗。參考文獻[1]劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.[2]吳林高.工程降水設計施工與基坑滲流理論[M].北京:人民交通出版社,2003.
