地鐵既有車站上蓋增層明挖法施工的關鍵技術*

王志康

(中鐵十四局集團有限公司， 250014， 濟南∥工程師)

隨著我國大城市的地鐵線路運營成網(wǎng)，地鐵換乘車站數(shù)量日益增多，車站多維拓建已成為新的建設趨勢[1]。地鐵車站多維拓建主要包括以小擴大、密貼下穿、上蓋增層等。其中，上蓋增層可采用明挖法施工，其施工簡便、受力直接，可作為地鐵換乘車站拓建的一種新選擇。

目前，針對既有車站結構的增層施工已有部分研究成果，但主要集中在向下增層改造方面[2]。車站向下增層的關鍵是施工過程中保證上部結構的正常使用。文獻[3]運用地基、基礎和建筑物的相互作用關系，探討了錨桿靜壓樁在建筑物向下增層過程中的應用。文獻[4]考慮樁-土-結構的相互作用，分析施工引起的車站上部結構的拉應力、拉應變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)錨桿靜壓樁可以有效控制車站上部結構變形。車站向下增層必然影響原有樁基承載剛度的改變，文獻[5]通過數(shù)值分析、理論研究及模型試驗方法研究了樁基承載及變形性狀，認為基坑開挖導致樁側阻力和樁端阻力非同步發(fā)揮現(xiàn)象明顯。文獻[6]結合軟土地基下方拓建車庫工程的案例，探討了既有工程中樁支承結合拓建基坑中水平支撐實施的可行性，并提出差異變形控制技術。綜上，國內外針對車站增層的研究多集中于其下部暗挖增層，目前采用明挖法施工車站上蓋增層的研究卻鮮見。

基于此，以北京地鐵蘋果園換乘站為依托，對車站上蓋增層拓建的關鍵技術進行了研究，為我國地鐵車站建設提供了新的思路與建設方法。

1 蘋果園站工程背景

1.1 工程概況

北京地鐵6號線(以下簡稱“6號線”)蘋果園站位于蘋果園南路與阜石路交匯口東側、蘋果園南路下方，沿蘋果園南路北側東西向設置。該車站與北京地鐵1號線(以下簡稱“1號線”)蘋果園站夾角約為70°(見圖1)。蘋果園站新建結構需在既有結構的基礎上進行上蓋增層拓建。

上蓋增層拓建基坑分為東、西兩個獨立的基坑，兩個基坑分別位于1號線車站的東、西兩側(見圖1)。兩個基坑平面尺寸相同，長37.4 m，寬26.9 m，深約12.0 m。地下水位在車站底板下方約10.4 m?；訃o結構采用人工挖孔樁+內支撐體系。

1.2 車站上蓋增層基坑支護設計

車站斷面寬23.1 m，高22.5 m，采用C30鋼筋混凝土澆筑而成。車站覆土厚約4.3～4.8 m，最淺埋深約3.8 m，底板埋深約27.5 m，見圖2。車站負二、三層采用洞樁法施工，施工完成后負一層采用明挖法施工。上蓋增層基坑的圍護樁采用φ1 000 mm人工挖孔樁，樁間距為1.6 m，樁間采用厚100 mm的鋼筋網(wǎng)噴射混凝土?；觾戎尾贾眉巴翆臃植既鐖D2所示。

2 車站上蓋增層的施工技術

2.1 上蓋增層的施工方法

車站上蓋增層結構采用明挖法施工，圍護樁采用人工挖孔樁。開挖到既有車站小導洞拱頂后，將樁體與既有車站連接，施作樁頂冠梁和第1道混凝土支撐。開挖基坑并架設3道鋼支撐。第3道支撐架設后，開挖除反壓土之外的土體，鑿除影響施工的既有車站初支結構和回填的素混凝土，并施作防水層及側墻結構。待側墻達到強度后，開挖剩余反壓土。鑿除剩余初支結構和回填的素混凝土，并施作剩余防水層和側墻結構。待第3道支撐下部主體側墻結構達到強度后，拆除第3、2道鋼支撐，施作防水層和換乘廳剩余上部主體結構。對車站結構與圍護結構間的肥槽采用同步回填。待頂板達到設計強度后，敷設頂板防水層，拆除第1道內支撐，破除地表下方3 m范圍內的擋墻、冠梁及樁身結構，回填基坑。

2.2 上蓋增層的安全控制措施

基坑東、西兩側圍護樁直接落在既有車站結構上方，無法嵌入土體，為“吊腳樁”形式，影響基坑穩(wěn)定性。因此，提出樁底與初支結構連接、樁后土體深孔注漿加固及預留反壓土等3種安全控制措施以保證基坑安全。

1) 樁底與既有初支結構連接技術。施作無嵌固樁時，開挖至既有車站小導洞拱頂后，采用風鎬破除其小導洞拱部初支結構(厚200 mm)。對人工挖孔樁鋼筋進行綁扎時，將樁的主筋和導洞的格柵主筋焊接成整體。

2) 樁后土體深孔注漿加固技術。為保證無嵌固樁一側的樁體穩(wěn)定性，施作無嵌固樁后，對樁后土體進行深孔注漿加固。注漿寬度為3 m，注漿深度為地表下方3.7 m至基底。漿液與土體反應后可提升土體的力學參數(shù)，使原本松散、多孔的土體形成壓縮性小、密實度高、穩(wěn)定性好、抗?jié)B強且具有一定抗壓能力的膠結體[8]。

3) 預留反壓土。為進一步保證基坑安全施工，開挖到第3道支撐下方時，保留車站平面4個角部的原狀土反壓基底。反壓土沿基坑縱向長8 m，橫向寬6 m，高2 m，如圖3所示。在反壓土范圍外側墻結構施工完成后，再進行反壓土開挖。

2.3 上蓋增層圍護樁的變形規(guī)律

選取He(基坑開挖深度)為4.0 m、8.7 m、12.2 m和拆除第3道支撐等4個典型工況，對基坑A1、B1樁的水平位移進行了分析。

圖4、圖5分別為A1和B1樁在不同工況下的水平位移監(jiān)測曲線。由圖4可見，A1樁樁底水平位移接近于0，說明樁底與初支連接的措施可以有效限制樁底變形。由圖5可見，樁體最大位移出現(xiàn)在嵌固樁拆除第3道支撐后，其值約為4.50 mm，為基坑開挖深度的0.037%。這表明人工挖孔樁、樁底與初支連接、樁后土體注漿加固及預留反壓土等措施能有效地抑制樁體變形。

3 車站上蓋增層結構接頭施工技術

在既有車站結構的基礎上進行上蓋增層拓建時，新、舊結構接頭位置存在薄弱點，會影響車站結構的整體性。故新、舊結構接頭是控制結構整體性、安全性的關鍵，有必要對車站結構接頭施工進行研究。

3.1 車站接頭搭接施工及結構防水設計

為保證車站結構連接的強度，在既有結構側墻及鋼管柱預留鋼筋甩頭及接駁器，并對頂縱梁與導洞間隙進行注漿填充。上部結構開挖完成后，鑿除臨時頂板上方導洞結構及內部回填的混凝土，剝離預埋鋼筋及接駁器，綁扎上部結構側墻及頂板鋼筋，澆筑混凝土，從而使車站結構形成整體。

車站結構防水體系分期實施，下部結構有完整的外包防水(塑料防水板)，同時在臨時頂板外挑位置內附1層SBS(改性瀝青防水卷材)，與上蓋增層結構側墻外包SBS進行搭接，并對車站交接處的防水甩茬采取保護措施，見圖6。

3.2 車站結構整體性分析

為了分析車站結構整體的安全性，研究超厚回填體抑制車站結構的應力集中作用，采用數(shù)值模擬分析其變形受力特征?？紤]場區(qū)的水文地質條件和主體結構高度，計算模型的平面尺寸定為72 m×36 m×36 m。該模型的上表面為自由面，側面限制水平位移，底面限制水平和豎直位移。本基坑涉及大體積卸載，對變形參數(shù)更為敏感，因此本模型粉質黏土和卵石層采用Hardening-Soil本構模型。其中，卵石取3Eoed,ref(主壓密加載試驗的切線剛度)=3E50,ref(三軸試驗割線剛度)=Eur,ref(卸載彈性模量)，粉質黏土取2Eoed,ref=2E50,ref=Eur,ref，并根據(jù)位移反分析確定E50,ref=3ES(E0)(ES、E0分別為壓縮模量和彈性模量)。此外砂巖采用Mohr-Coulomb模型。根據(jù)受力特點，車站結構和各層土體均采用實體單元模擬。車站巖土層物理力學參數(shù)見表1。

表1 蘋果園站巖土層物理力學參數(shù)

為了分析車站結構接頭處防水層的性能，在結構受力分析計算模型的基礎上，進一步分析新、舊結構交界處防水層的力學特性。交界處防水層厚度分別為3 mm、4 mm，防水層細部模型見圖7。模擬中將防水層簡化為彈性材料，彈性模量取200 MPa。

圖8—圖9為車站結構的位移及應力。由圖8—圖9可見，車站結構的變形和受力較?。蛔畲筘Q向位移為0.2 mm，最大水平位移為0.02 mm；最大拉應力為0.8 MPa，僅為其抗拉強度設計值的55.9%；最大壓應力為7.16 MPa，僅為其抗壓強度設計值的23.9%。由此可見，車站結構的拉、壓應力遠小于混凝土的容許應力，結構安全性能較高。

側墻為接駁的重點部位，單獨提取側墻的應力進行分析，如圖10所示。由圖10可見，側墻最大拉應力位于超厚回填體位置，其值為0.30 MPa，遠小于混凝土的抗拉強度。此外，側墻底部接駁部位整體受壓，未出現(xiàn)拉應力，其最大值為0.86 MPa。由此可見，超厚回填混凝土會使側墻的最大拉應力位置上移，以提高車站結構的安全性能。

回填結構可使車站側墻底部接駁部位整體受壓，這對接駁部位的安全性具有積極意義，因此可對回填結構不同高度時側墻的受力特征進一步研究。圖11為回填結構厚度對側墻受力的影響規(guī)律。由圖11可見，回填結構厚度對側墻的最大壓應力基本無影響，而對側墻的最大拉應力具有一定影響；回填結構越厚，側墻受到的拉應力越小。由此可見，回填結構可以有效抑制側墻的應力集中，對緩解接駁處受力具有積極意義。回填結構厚度超過2 m后，隨著其厚度增加，側墻拉應力基本不再變化。因此，工程中回填結構厚度設置為2.48 m是比較合理的。

圖12為防水層的應力圖。由圖12可見，車站結構接頭處防水層整體處于受壓狀態(tài)，這對防水層的搭接具有積極意義。接頭處防水層受壓時可有效避免因防水層搭接而造成的層間開裂，也進一步降低了防水層失效的可能性。由此可見，接頭處防水層受壓對防水層的防水性能是有利的。

4 結論

1) 車站既有結構上蓋增層明挖法施工簡單、受力直接，可作為地鐵車站多維拓建的一種新方法。針對車站下部結構影響上蓋明挖法圍護結構穩(wěn)定性的問題，提出了樁底與初支結構連接、樁后深孔注漿加固及預留反壓土3種安全控制措施，有效地抑制了圍護結構變形。

2) 為保障車站結構的整體性，下部暗挖結構需預留接頭，同時對接頭處進行超厚混凝土回填。數(shù)值分析顯示，超厚回填結構有效地抑制了車站接頭處的應力集中，結構應力滿足設計要求。

3) 提出了在車站既有結構頂板外挑位置內附一層SBS，后期與地下一層側墻外包SBS進行搭接，重新形成車站結構外包防水體系整體設計方案。通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)，車站結構交界處防水層整體受壓，這對防水層搭接具有積極意義。