淺覆土、大斷面車站主體凍結暗挖施工技術

周丹偉

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

上海軌道交通18號線江浦路站沿江浦路南北走向，跨控江路路口，與已通車的軌道交通8號線江浦路站“十”字換乘。18號線江浦路站為地下2層島式站臺車站，頂板覆土約2.476 m；8號線江浦路站為地下3層島式站臺車站。換乘段靠近8號線南、北端，由于地面管線難以遷改，地處交通主干道，無法進行明挖施工，采用“MJS圍護加固＋管棚＋凍結法”進行加固，礦山暗挖法進行施工的復合施工工法。暗挖段開挖尺寸最大23.7 m×12.92 m，為全國首例大斷面、淺覆土車站整體暗挖施工（圖1）。

圖1 江浦路站凍結暗挖平面示意

2 特點、難點

2.1 淺覆土暗挖

暗挖段結構覆土淺、上部管線眾多，南側結構覆土2.6 m、北側結構覆土3.08 m、南側燃氣管底覆土0.5 m、北側電力管覆土1.1 m，南段頂部管棚與管線最近位置只有4 cm，施工時偏斜不易控制，容易引起地層沉降，管線影響大。為此，采用水平定向鉆機、可視導向儀精確控制成孔偏斜。采用跟管鉆進、跳孔施工、優質泥漿護壁、保壓鉆進等控制水土流失，一般不會造成地層上抬，若地層沉降，可在成孔后進行補償注漿。施工前備好應急物資，施工時加強監測。開挖施工時在工程上方鋪設厚2 cm鋼板，盡量減少車輛對工程的影響。

2.2 暗挖斷面大

暗挖段開挖尺寸最大23.70 m×12.92 m，挖土共計8 200 m3，相當于55個旁通道大小。為全國首例大斷面、淺覆土車站整體暗挖施工。采取分區開挖，縮減開挖斷面，開挖時嚴格控制凍結壁變形。

開挖破壞了周圍土層原有的平衡狀態，對周圍施工區域范圍內的土層產生了不同程度的擾動。為此，一是注意開挖前后的變化量，加強監控測量，二是應嚴格按照設計要求的施工順序開挖，嚴格控制分臺階開挖超前與滯后關系，開挖之后初次支護應及時封閉成環，確保開挖后暗挖工程的周圍應力均勻分布，確保頂板管理安全到位。

2.3 凍結周期長

整個凍結長達330 d，凍脹對地面及管線影響大，且易產生凍結管斷裂情況，因此，采取管路分組連接分區開啟凍結。為此，首先采用MJS工法對凍結暗挖段進行土體改良，改良后土體凍脹率顯著減小。再分區分期進行凍結暗挖，減少同時凍結的凍土體積，將凍脹量分次釋放，同時采用泄壓孔、緩凍孔及時釋放凍脹壓力，必要時采用加熱孔迅速卸載以及控制凍結壁發展。

嚴控凍結管材料、焊條質量；錯開凍結管焊縫的位置；嚴控焊接質量，在鉆孔開工前由焊工制作焊接試驗件，檢測合格后方可進行鉆孔施工；現場每條焊縫完成后需冷卻2 min方可進入地層，并編制防斷管專項施工措施。監控鹽水箱、凍結管流量變化，發現鹽水泄漏及時處理。進行鹽水泄漏、斷管處理應急演練，提高處理效率。

3 淺覆土、大斷面車站主體凍結暗挖施工技術

3.1 明挖與暗挖方案比選及確定

地下車站一般采取明挖順作法施工，但本工程地處中心城區，與8號線換乘段交通繁雜、管線眾多、地上公交電纜復雜，難以搬遷，采取明挖法施工工期長，成本大。進行方案比選分2大類：管線類方案及車站類實施方案。

3.1.1 路面抬高方案

采取明挖法施工，需先進行管線搬遷工作，第1階段東西向管線只能從8號線頂板正上方走，8號線頂板覆土2 m，頂板上的南北向管線墻，從淺到深依次為：DN500給水，深0.55 m；DN500給水，深0.65 m；DN500燃氣，深1.25 m；DN300燃氣，深1.35 m；DN600雨水，深1.8 m。新排管線無法從老管線之間穿越，需疊放在現狀管線上方。新排管線覆土不夠，控江路路中心標高需要抬高1 m。并且施工期間需封閉控江路路口交通。經分析，將8號線控江路路面抬高1 m，無法滿足新華醫院及8號線車站的排水要求，并且交通翻交無法實施。方案不可行。

3.1.2 管線繞行方案

研究管線繞行方案的可能性，管線在通過十字路口區域前繞行，不通過施工路口區域。

此方案會受以下因素制約：新華醫院大樓地下室與地下連續墻之間距離為5 m，并已被兩港截留污水管占去1.5 m；紫荊廣場地下室去除圍護后與地下連續墻之間的距離為2 m；3號口到紫荊廣場之間的三角區地下室頂板是抬高的，走不了管線；信息大廈與車站1號口之間距離為5 m，并有地塊內的雨水管。因此，受新華醫院、紫荊廣場、信息大廈地下室限制，往江浦路東側或西側都沒有足夠的管位寬度進行搬遷，管線繞行方案不成立。

3.1.3 管線橋架空方案

同樣，采取管線橋架空方案，東西向管線通過管線橋繞行。管線橋架空，立柱承臺需處占用2車道，且管線下井時妨礙人行通行，架空管線橋與控江路電車線存在沖突，電車線距地面5 m。方案不成立。

3.1.4 盾構、頂管穿越方案

8號線預留換乘節點結構凈為5 790 mm，采用外徑6 600 mm標準盾構不具備通過條件。軌行區采用方形頂管，高度至少需要4 550 mm（限界）＋740 mm（軌道高度）＋450 mm×2（管片厚度)＝6 190 mm，且尚未考慮接收段落低要求，而現場條件下吊裝口開口小，頂管整體管節無法吊放；淺覆土障礙物較多，頂管無法施工。

因此，要采用頂管、盾構等非開挖形式過站，必須對8號線軌行區頂板進行改造，施工需保證8號線運營正常，方案不可行。

3.1.5 凍結暗挖方案

結合之前的方案比選，本工程只能采取凍結暗挖進行施工[1-3]，但在凍結暗挖方案確認期間，項目部認為，采用傳統的純凍結暗挖施工，風險太大。如：淺覆土凍結凍脹的控制、確保施工期間交通不中斷時上部道路及管線的安全、按結構尺寸凍結面最大截面為16 m×24 m，如何安排開挖順序等問題，都需要一一解決。因此在凍結基礎上，需增加保險措施，如增加管棚、增加土體加固措施、確定開挖順序、結構施工順序等。

最終項目部研發一種全新的凍結暗挖車站建造技術，采用“水平MJS＋管棚＋凍結法”復合圍護體系加固，礦山暗挖法進行施工進行車站建造。

3.2 “水平MJS＋管棚＋凍結法”復合圍護體系加固施工技術

3.2.1 設計方案的確定

1）凍結壁設計。擬建工程為矩形車站對接結構，因此凍結壁整體呈矩形布置，內側根據開挖分區劃分，設置“井”字形凍結壁，凍土強度的設計指標為：單軸抗壓不小于3.6 MPa，彎折抗拉不小于1.8 MPa，抗剪不小于1.5 MPa（－10 ℃）。凍土帷幕兩側厚度為2.5 m，底部為3.0 m，中間凍結壁為1.6 m，頂部凍結壁1.0 m。底部及側墻平均溫度不高于－10 ℃，頂部凍土平均溫度不高于－8 ℃。

2）管棚與凍結孔設計。本工程管棚規格采用φ273 mm×10 mm無縫鋼管，橫排和豎排管棚孔間距分別為450、500 mm。凍結孔采用2種布孔方式，一種為獨立凍結孔，凍結孔規格采用φ127 mm×10 mm凍結管，一種為管棚內下放φ89 mm× 5 mm凍結管，管棚內用水泥砂漿充填。此外，為了監測凍結壁發展狀況以及控制內部凍脹壓力，分別布置測溫孔和泄壓孔。

3）MJS設計。施工區域分南北2個區域，南側水平加固有效樁約16 m，北側水平加固有效樁長約10 m。先施工頂部1排管棚，再對開挖面周圍進行MJS加固，開挖區域采用梅花形布樁MJS加固。加固要求為MJS抗壓強度不少于0.8 MPa，加固完成后土體滿足開挖掌子面自穩。

4）初期支護設計。采用HW400 mm×400 mm、HW350 mm×350 mm和HW300 mm×300 mm型鋼＋@22 mm連接鋼筋＋φ8 mm（200 mm×200 mm）鋼筋網片雙層布置＋C25早強噴射混凝土支護，型鋼間距1m。

3.2.2 管棚、MJS加固、凍結加固作用分析

本工程設計采用MJS、管棚、凍結加固3種工法復合加固方法進行開挖，施工時先進行MJS加固，然后施工凍結孔和管棚，施工中3種工法共同作用，以保證暗挖工法的順利進行。各工法在本工程中的作用如下：

1）MJS加固：減少凍結期間土體凍脹量，減少凍脹對地面管線的影響，減少結構施工完成后凍土體融沉量，防止后期產生過大融沉導致結構開裂漏水；保證開挖期間掌子面穩定性；減少地下2層開挖期間頂部土體附加變形，增加上部土體穩定性；作為凍結加固的補充，增加工程的安全性。

2）管棚：由于本工程地面覆土較淺，如上方也完全采用凍結加固凍脹量必然較大，施工后期融沉亦難以控制，為減少凍脹和后期融沉量，頂部采用管棚和凍結相結合的形式，開挖期間開挖面頂部荷載由管棚承擔，初襯型鋼施工后由管棚將頂部荷載傳遞至初襯型鋼支架上，管棚和初襯型鋼支架共同承擔頂部荷載。側面管棚為增加兩側墻剛度，減少開挖期間側墻變形，增加開挖期間安全系數。

3）凍結加固：凍土主要承擔開挖期間兩側墻位置、底部位置水土荷載和頂部管棚形成完整的支護體系。底部及兩側墻位置的凍土為主要受力作用，頂部管棚間凍土使管棚間相互緊密結合，增加管棚橫向穩定性，同時封閉上方水流。

3.2.3 MJS施工技術

MJS注漿壓力大，施工期間容易出現串孔。通過研究確定了引孔及旋噴噴漿需有一定的間距，需要間隔1個孔位施工或等臨樁達到2 d后施工。當側墻施工無法實現跳樁時，需在水泥漿中加入早強劑，在不影響噴漿施工的前提下盡可能加快固結提早期強度，確保噴漿完成12 h后達到原始土強度，具體單樁施工順序如圖2所示。兩側施工采用2臺設備，完成1根樁后需等待12 h施工下一根樁，施工時需在水泥漿液中加入早強劑，早強劑摻入量需根據試驗確定，要求12 h后不低于原始土強度。

圖2 跳樁施工示意

但由于實際工期需要，MJS與凍結管需要交叉施工，MJS沒有條件跳二打一，等待12 h后施工。因此造成半圓MJS會出現串漿，保壓困難，使得MJS施工時地面上抬，完成后地面又下沉，因此，調整設計，改成了全圓MJS。

局部MJS調整為全圓，相應地在北段MJS施工階段，地面沉降得到有效控制。南側MJS于2019年11月30日開工，于2020年3月26日完成。由于一開始使用半圓加固，且沒有條件跳二打一，等待12 h后施工，造成前期地面沉降較大，最大沉降值12 cm，北側MJS調整為全圓施工后，施工時有效控制了地面的沉降情況，最大沉降值4 cm。在施工中采用大面積的水平MJS加固工藝，對土體進行加固，加固效果良好，確保了開挖時開挖面無需放坡，開挖面可成85°～90°，土體自立性良好，無塌方現象。

3.3 車站分塊分段分層暗挖、整體澆筑施工技術

3.3.1 施工技術路線

因整個凍結周期長達1年多，為解決大斷面開挖的困難，減小凍脹影響，將整個暗挖段分層9個獨立部分分區分期凍結，采取分塊分段暗挖，整體澆筑的技術線路。本工程分為南、北2段工作區域，二者獨立施工，單側施工中采用先地下2層后地下1層的施工原則，減少結構沉降。

1）地下2層整體交圈后，開挖地下2層中硐上臺階，每開挖一個步距后及時進行型鋼支架臨時支護，隨后噴射混凝土支護，每開挖3～4榀噴射頂部及兩側墻混凝土。

2）開挖中硐下臺階，開挖完成后側墻、頂板、底板掛網噴射混凝土，每開挖3～4榀噴射頂部及兩側墻混凝土。

3）地下2層中硐施工完畢后，開始對地下2層左、右硐上臺階進行開挖，方法同上。

4）開挖左、右硐下臺階，開挖完成后側墻、頂板、底板掛網噴射混凝土。

5）待地下2層開挖完成后，澆筑地下2層二襯結構，地下2層結構分底板、側墻及梁柱、頂部第3次澆筑。

6）待地下2層二襯結構做完后，開始開挖地下1層中硐，開挖完成后側墻、頂板、底板掛網噴射混凝土。

7）待地下1層中硐開挖完成后，同時開挖地下1層左、右硐，開挖完成后側墻、頂板、底板掛網噴射混凝土。

8）待地下1層開挖完成后，澆筑地下1層二襯結構混凝土，地下1層結構分側墻及梁柱、頂部第2次澆筑。

9）待地下1層澆筑完后，拆除鋼支撐。

3.3.2 機械＋人工暗挖施工技術

暗挖段挖土共計8 200 m3，相當于55個旁通道大小。暗挖段分9個區進行開挖且初襯型鋼密集，單個通道最小寬度2.0 m，最小高度3.3 m。常規挖機無法進入，最終選定設備進口BROKK機器人和小挖機上、下臺階法施工，局部土體進行人工開挖，加快整個開挖速度，縮短初襯形成時間。

3.3.3 混凝土澆筑技術研究

本工程結構底板厚1.1 m，兩側側墻厚1 m，中板厚0.45 m，結構頂板厚0.9 m。因整個混凝土澆筑需在暗挖段內進行，需在地面接澆筑管，泵送澆筑，尤其是中板、頂板混凝土需從下往上澆筑，要求較高，采用C40P8防水、高耐久性自密實聚丙烯纖維混凝土澆筑，部分采用粒徑5～10 mm的石子，充分填充中板、頂板。因初襯型鋼澆入結構內增加結構滲漏水風險，底板分2次澆筑，第1次0.9 m，待整個2層結構完成割除型鋼后，澆筑第2層厚0.3 m底板。高穿透自密實混凝土性能指標：坍落度250 mm±30 mm，初始擴展度700～780 mm，流淌半徑6 m，初凝時間10～14 h，終凝時間13～16 h。

4 結語

江浦路站受暗挖空間限制，采取分塊分段暗挖，現場作業以小微型機械設備為主、人工為輔。自打設第1根凍結管開始，至地下1層結構頂板封頂結束，歷時399 d，挖土達到了8 200 m3。每個暗挖段開挖斷面最大23.70 m×12.92 m，頂部管棚與管線最近位置只有4 cm，為全國地鐵首例大斷面、首次在淺覆土（雜填土）車站整體凍結暗挖施工的工程。本工程在復雜環境、交通無法中斷、管線無法搬遷的十字換乘車站處采用了“水平MJS＋凍結＋管棚”復合加固，在其他類似的超淺覆土、交通管線無法搬遷的工程中具有可復制、可推廣性。