原位保護條件下捷運系統的改擴建基坑方案研究

伍永飛，陳 軍

(1.上海城建審圖咨詢有限公司,上海 200125; 2.上海機場(集團)有限公司,上海 200335)

0 引言

在保障使用功能不受影響的前提下對現有大型設施進行改擴建,一直是工程建設各方探尋的理想解。本文結合某機場三期空側捷運系統改擴建工程案例,合理選用深基坑工程的圍護[1-5]和降水[6-7]研究成果,對如何實現現有設施的正常運行與改擴建項目安全實施的無縫銜接,本文提供的改擴建工程的基坑總體設計給出了合理有效的解決方案。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某機場三期空側捷運系統需進行改擴建至四期,擬將原空側捷運設施(包括地面段、敞開段及暗埋段)全部改建至地下,同時將軌行線由2根擴容至4根?？紤]到旅客運輸保障需求,施工過程中不得影響捷運系統的正常運營,因此整個改擴建工程必須在原位保護條件下開展(現狀和改擴建后的平面示意圖如圖1所示)。

改擴建實施范圍均呈南北向布置,實施過程中的主要保護對象為與其同向狹長布置的既有捷運車站?，F有捷運系統(包含捷運隧道、車站、軌道及車輛基地)根據結構形式和埋深不同,由北至南可分為四段(各區段的基礎如圖2所示)。

基坑施工場地需保護現狀捷運系統功能不受影響,確保其正常運營,捷運系統要求變形控制指標不大于10 mm,實施期間需嚴格控制基坑開挖及降水對其影響。該保護要求將作為本工程基坑設計的重要條件。

1.2 工程及水文地質概況

擬建場地地勢平緩,地表下103 m深度內的屬全新世Q4至晚更新世Q3時期以來的河口、濱海湖澤相沉積層,主要含飽和黏性土、粉性土、砂土,具水平層理。

淺部土層分布相對均勻。場地淺層分布有第②3層和第③2層砂質粉土層,砂性重,滲透性強,易產生流砂風險;中部分布有深厚的流塑狀態的淤泥質土,土質軟弱。

場地微承壓水賦存于第⑤2a層黏質粉土夾粉質黏土、第⑤2b層砂質粉土夾粉質黏土、第⑤3-2層砂質粉土夾粉質黏土中,該三層在古河道區分布,且分布范圍較大。本場地承壓水賦存于第⑦層、⑨層砂土中。第⑦層、⑨層分別為上海市統編第 Ⅰ,Ⅱ 承壓含水層,賦存地下水水量豐富。

深部受古河道切割影響,整體分為正常沉積區和古河道區域。地層起伏較大正常沉積區第⑦層埋深約30 m;古河道區域,第⑦層埋深加深,且存在第⑤2層、⑤3-1層、⑤3-2層、⑤3-4層分布?；拥刭|縱斷面如圖3所示。

2 圍護設計方案

2.1 總體方案研究

常規方案:對于改擴建工程,常規方案需要將原有的建構筑物拆除,完成必要的清障措施后,將整個施工范圍內的場地進行必要處理,改建與擴建部分一次性實施。該方案簡單有效,可一次性實施完成。

倒邊方案:考慮到建設單位要求滿足捷運不停航的運行需求,無法進行一次性實施,按照先新建后改造的原則,空側捷運基坑工程總體分為兩階段倒邊實施。

第一階段在既有捷運正常運行的情況下,開挖現有設施西側基坑工程;待第一階段地下室結構施工完成,且新建捷運投入運營后,實施第二階段基坑,即將原有捷運拆舊建新工程,如圖4所示。

2.2 分區方案

為進一步控制基坑開挖降水施工引起的現有捷運系統變形,對兩階段的開挖方案進一步細化分區實施策略,減小分次開挖面積。

分區開挖的劃分原則按照先后順序是:先深后淺、間隔同步實施的基坑之間相互影響小(分隔寬度不小于2倍先期開挖深度)、單次開挖的基坑長度控制在一定范圍內(一般面積3 000 m2、長度150 m)、結合基坑形狀便于施工劃分。

按照上述原則對分區進行設計。一階段的基坑考慮到1-6節點區開挖深度大,先期實施;節點北段劃分為3個小分區,J1-2深于周邊J1-1和J1-3,因此先期實施;節點南段可劃分為5個區段,分為兩階段與節點區跳倉施工。二階段的基坑考慮到2-2節點區的開挖深度大,先期實施;節點北段劃分為4個分區,節點南段劃分為5個分區,均與節點區間隔跳倉施工。

一階段基坑總長約852 m,寬10 m～40 m,由南往北劃分為8個小的分區,編號依次為J1-1—J1-8,其中J1-1區基坑開挖深度為9.85 m～14.15 m,J1-2區共同溝下穿捷運,基坑開挖深度16.71 m,J1-3—J1-8區基坑開挖深度為9.85 m～11.85 m,如圖5所示。

二階段基坑總長為1 126 m,寬15 m～40 m,由南往北劃分為9個小的分區,編號依次為J2-1—J2-9,其中J2-1區(三區捷運相連共同溝)基坑挖深6.66 m～12.26 m,J2-2區(捷運、共同溝)基坑挖深6.66 m～11.85 m,J2-3區(共同溝下穿捷運)基坑挖深16.51 m,J2-4區(捷運、共同溝)基坑挖深7.76 m～18.26 m,J2-5區—J2-7區(共同溝下穿捷運)基坑挖深16.11 m～18.31 m,J2-8區、J2-9區基坑挖深9.85 m,見圖6。

2.3 實施工序

為嚴格控制對捷運系統的運營影響,施工應采取跳倉開挖,采取“彈鋼琴”工法。

一階段基坑施工新捷運西區基坑,緊貼現有老捷運進行施工,一階段基坑分兩批次實施,先跳倉實施J1-2,1-6,J1-5,J1-7四個基坑,然后實施剩余的分區基坑,見圖7。

待新捷運西區地下結構施工完畢后,新捷運西區投入使用,同步跟進進行現有老捷運的改造和新捷運東區施工,后續捷運改造和新建緊貼先期已完成的新捷運西區結構。二階段基坑分二批次實施,先實施J2-1,J2-3,2-2,J2-6,J2-8五個分區的基坑,完成后再進行剩余分區基坑的開挖施工,如圖8所示。

2.4 圍護結構選型

1)一階段基坑。一階段捷運區域開挖深度9.85 m～16.71 m,總體采用板式支護方案。

本工程部分捷運下方設有共同溝,開挖深度深,14.11 m～18.31 m,且存在承壓水突涌風險,結合基坑開挖深度和隔水要求采用地下連續墻作為圍護結構,墻身長度除滿足受力和穩定性要求外,根據各個分區的承壓水降深需求適當加深形成懸掛止水。

J1-1,J1-3—J1-8區東側普遍可用圍護空間僅為1.55 m,可選用的圍護形式為TAD墻和咬合樁。TAD工法(Trench cutting Assembled Diaphragm wall)全稱為渠式切割裝配式地下連續墻,在等厚度水泥土攪拌墻內插入預制板樁,通過榫卯結構鎖扣連接,使鋼筋混凝土預制墻板形成裝配式地下連續墻的一種施工工藝。經過經濟及技術比選,采用經濟性較好且止水性能更為可靠的TAD墻。

捷運及共同區域開挖深度約6.66 m～11.85 m,且基坑外側環境保護要求較為寬松,該挖深范圍區域各分區外圍普遍采用經濟性更好的型鋼水泥土攪拌墻。

普遍分區間臨時隔斷區域圍護體,J1-1落深區考慮到挖深達14 m,均采用排樁結合φ850@600 mm三軸水泥土攪拌樁帷幕作為圍護體。

綜上,一階段基坑的圍護結構選型如表1,圖9所示。

表1 一階段基坑圍護結構選型

2)二階段基坑。二階段捷運區域開挖深度6.66 m～18.26 m,總體采用板式支護方案。

同一階段的圍護結構選型結論,對于基坑深度大于13 m的基坑,采用地下連續墻,小于13 m基坑采用工法樁,對落深區域和臨時隔斷采用鉆孔樁結合止水帷幕。選型結果如表2,圖10所示。

表2 二階段基坑圍護結構選型

2.5 內支撐布置

1)一階段基坑。J1-1區、J1-3—J1-8區采用一道鋼筋混凝土支撐+兩道～三道伺服鋼支撐。J1-2區(捷運下穿共同溝)設置三道鋼筋混凝土支撐。

既有捷運保護要求高,普遍捷運區域鋼支撐采用伺服系統,且捷運區域地下結構層高較高,地下結構回筑階段需保留第二道水平鋼支撐,待整體地下結構形成后再進行悶拆。

本工程普遍采用灌注樁內插角鋼格構柱作為豎向支承體系。具體布置如圖11所示。

2)二階段基坑。J2-1區基坑普遍設置一道鋼支撐,局部降板區域設置兩道鋼筋混凝土支撐。J2-2,J2-8—J2-9區普遍采用一道鋼筋混凝土支撐+一道鋼支撐。J2-3,J2-5—J2-7區設置三道鋼筋混凝土支撐。J2-4普遍設置兩道鋼筋混凝土支撐,局部落深區域設置四道鋼筋混凝土支撐。

本工程普遍采用灌注樁內插角鋼格構柱作為豎向支承體系。具體布置如圖12所示。

2.6 降水設計

根據各分區基坑的開挖深度和工程水文地質資料,普遍區域疏干降水,基坑均滿足第⑨層承壓水突涌穩定性要求。

部分區域不滿足第⑦層承壓水和第⑤層微承壓水突涌穩定性要求。J1-2區、J2-3區、J2-4落深區、J2-6—J2-7區不滿足第⑦層承壓水和微承壓水突涌穩定性要求,采用懸掛帷幕隔水、坑內按需降壓。J2-5區不滿足微承壓水突涌穩定性要求,采取帷幕隔斷承壓水。止水帷幕深度和地質斷面如圖13所示。

3 周邊環境數值分析

考慮到本基坑項目實施空間面積巨大,分坑相互影響關系復雜,有必要對基坑開挖交叉工況影響分析。由于基坑一階段和二階段均采用南北向跳倉開挖,可選取東西向剖面對捷運段相鄰新舊坑的施工變形進行數值計算。

本次分析采用MIDAS軟件,選取J1-5和J2-6的橫向剖面,計算結果如圖14,圖15所示。

通過數值分析結果,本次模擬的基坑兩階段開挖引起的捷運系統變形均在保護標準內。實際施工的現場監測結果與數值分析結果基本一致,兩階段的水平和豎向位移略小于理論值,對捷運系統的運營風險在合理可控的范圍內。

4 結語

本文選取某機場捷運系統改擴建工程基坑,在現有捷運系統功能保護要求高、抗承壓水風險突出的不利條件下,提出了合理有效的圍護設計方案,總結如下:

1)本工程對基坑總體施工采取了科學合理的分區實施方案。在兩階段倒邊施工的原則上,進一步細分基坑開挖范圍,合理采用彈鋼琴工法,嚴格控制基坑分步開挖的面積,最大程度地降低對捷運系統的變形影響。

2)基坑圍護選型合理,根據基坑深度和施工條件分別采用地下連續墻、TAD工法、工法樁、排樁+止水帷幕等形式,保障基坑安全的同時兼顧了技術和經濟的平衡性。

3)針對基坑(微)承壓水降深要求,合理選用隔斷承壓水,部分區域采用懸掛式止水的方案,合理設計帷幕長度,將環境水位的降深合理控制在安全范圍內,確?；咏档统袎核畬χ苓叚h境的風險可控。

4)通過計算驗證基坑設計的合理性,采用數值分析結果驗證了本工程基坑設計對周邊環境保護的有效性。