原位保护条件下捷运系统的改扩建基坑方案研究

伍永飞，陈 军

(1.上海城建审图咨询有限公司,上海 200125; 2.上海机场(集团)有限公司,上海 200335)

0 引言

在保障使用功能不受影响的前提下对现有大型设施进行改扩建,一直是工程建设各方探寻的理想解。本文结合某机场三期空侧捷运系统改扩建工程案例,合理选用深基坑工程的围护[1-5]和降水[6-7]研究成果,对如何实现现有设施的正常运行与改扩建项目安全实施的无缝衔接,本文提供的改扩建工程的基坑总体设计给出了合理有效的解决方案。

1 工程概况

1.1 工程简介

某机场三期空侧捷运系统需进行改扩建至四期,拟将原空侧捷运设施(包括地面段、敞开段及暗埋段)全部改建至地下,同时将轨行线由2根扩容至4根。考虑到旅客运输保障需求,施工过程中不得影响捷运系统的正常运营,因此整个改扩建工程必须在原位保护条件下开展(现状和改扩建后的平面示意图如图1所示)。

改扩建实施范围均呈南北向布置,实施过程中的主要保护对象为与其同向狭长布置的既有捷运车站。现有捷运系统(包含捷运隧道、车站、轨道及车辆基地)根据结构形式和埋深不同,由北至南可分为四段(各区段的基础如图2所示)。

基坑施工场地需保护现状捷运系统功能不受影响,确保其正常运营,捷运系统要求变形控制指标不大于10 mm,实施期间需严格控制基坑开挖及降水对其影响。该保护要求将作为本工程基坑设计的重要条件。

1.2 工程及水文地质概况

拟建场地地势平缓,地表下103 m深度内的属全新世Q4至晚更新世Q3时期以来的河口、滨海湖泽相沉积层,主要含饱和黏性土、粉性土、砂土,具水平层理。

浅部土层分布相对均匀。场地浅层分布有第②3层和第③2层砂质粉土层,砂性重,渗透性强,易产生流砂风险;中部分布有深厚的流塑状态的淤泥质土,土质软弱。

场地微承压水赋存于第⑤2a层黏质粉土夹粉质黏土、第⑤2b层砂质粉土夹粉质黏土、第⑤3-2层砂质粉土夹粉质黏土中,该三层在古河道区分布,且分布范围较大。本场地承压水赋存于第⑦层、⑨层砂土中。第⑦层、⑨层分别为上海市统编第 Ⅰ,Ⅱ 承压含水层,赋存地下水水量丰富。

深部受古河道切割影响,整体分为正常沉积区和古河道区域。地层起伏较大正常沉积区第⑦层埋深约30 m;古河道区域,第⑦层埋深加深,且存在第⑤2层、⑤3-1层、⑤3-2层、⑤3-4层分布。基坑地质纵断面如图3所示。

2 围护设计方案

2.1 总体方案研究

常规方案:对于改扩建工程,常规方案需要将原有的建构筑物拆除,完成必要的清障措施后,将整个施工范围内的场地进行必要处理,改建与扩建部分一次性实施。该方案简单有效,可一次性实施完成。

倒边方案:考虑到建设单位要求满足捷运不停航的运行需求,无法进行一次性实施,按照先新建后改造的原则,空侧捷运基坑工程总体分为两阶段倒边实施。

第一阶段在既有捷运正常运行的情况下,开挖现有设施西侧基坑工程;待第一阶段地下室结构施工完成,且新建捷运投入运营后,实施第二阶段基坑,即将原有捷运拆旧建新工程,如图4所示。

2.2 分区方案

为进一步控制基坑开挖降水施工引起的现有捷运系统变形,对两阶段的开挖方案进一步细化分区实施策略,减小分次开挖面积。

分区开挖的划分原则按照先后顺序是:先深后浅、间隔同步实施的基坑之间相互影响小(分隔宽度不小于2倍先期开挖深度)、单次开挖的基坑长度控制在一定范围内(一般面积3 000 m2、长度150 m)、结合基坑形状便于施工划分。

按照上述原则对分区进行设计。一阶段的基坑考虑到1-6节点区开挖深度大,先期实施;节点北段划分为3个小分区,J1-2深于周边J1-1和J1-3,因此先期实施;节点南段可划分为5个区段,分为两阶段与节点区跳仓施工。二阶段的基坑考虑到2-2节点区的开挖深度大,先期实施;节点北段划分为4个分区,节点南段划分为5个分区,均与节点区间隔跳仓施工。

一阶段基坑总长约852 m,宽10 m～40 m,由南往北划分为8个小的分区,编号依次为J1-1—J1-8,其中J1-1区基坑开挖深度为9.85 m～14.15 m,J1-2区共同沟下穿捷运,基坑开挖深度16.71 m,J1-3—J1-8区基坑开挖深度为9.85 m～11.85 m,如图5所示。

二阶段基坑总长为1 126 m,宽15 m～40 m,由南往北划分为9个小的分区,编号依次为J2-1—J2-9,其中J2-1区(三区捷运相连共同沟)基坑挖深6.66 m～12.26 m,J2-2区(捷运、共同沟)基坑挖深6.66 m～11.85 m,J2-3区(共同沟下穿捷运)基坑挖深16.51 m,J2-4区(捷运、共同沟)基坑挖深7.76 m～18.26 m,J2-5区—J2-7区(共同沟下穿捷运)基坑挖深16.11 m～18.31 m,J2-8区、J2-9区基坑挖深9.85 m,见图6。

2.3 实施工序

为严格控制对捷运系统的运营影响,施工应采取跳仓开挖,采取“弹钢琴”工法。

一阶段基坑施工新捷运西区基坑,紧贴现有老捷运进行施工,一阶段基坑分两批次实施,先跳仓实施J1-2,1-6,J1-5,J1-7四个基坑,然后实施剩余的分区基坑,见图7。

待新捷运西区地下结构施工完毕后,新捷运西区投入使用,同步跟进进行现有老捷运的改造和新捷运东区施工,后续捷运改造和新建紧贴先期已完成的新捷运西区结构。二阶段基坑分二批次实施,先实施J2-1,J2-3,2-2,J2-6,J2-8五个分区的基坑,完成后再进行剩余分区基坑的开挖施工,如图8所示。

2.4 围护结构选型

1)一阶段基坑。一阶段捷运区域开挖深度9.85 m～16.71 m,总体采用板式支护方案。

本工程部分捷运下方设有共同沟,开挖深度深,14.11 m～18.31 m,且存在承压水突涌风险,结合基坑开挖深度和隔水要求采用地下连续墙作为围护结构,墙身长度除满足受力和稳定性要求外,根据各个分区的承压水降深需求适当加深形成悬挂止水。

J1-1,J1-3—J1-8区东侧普遍可用围护空间仅为1.55 m,可选用的围护形式为TAD墙和咬合桩。TAD工法(Trench cutting Assembled Diaphragm wall)全称为渠式切割装配式地下连续墙,在等厚度水泥土搅拌墙内插入预制板桩,通过榫卯结构锁扣连接,使钢筋混凝土预制墙板形成装配式地下连续墙的一种施工工艺。经过经济及技术比选,采用经济性较好且止水性能更为可靠的TAD墙。

捷运及共同区域开挖深度约6.66 m～11.85 m,且基坑外侧环境保护要求较为宽松,该挖深范围区域各分区外围普遍采用经济性更好的型钢水泥土搅拌墙。

普遍分区间临时隔断区域围护体,J1-1落深区考虑到挖深达14 m,均采用排桩结合φ850@600 mm三轴水泥土搅拌桩帷幕作为围护体。

综上,一阶段基坑的围护结构选型如表1,图9所示。

表1 一阶段基坑围护结构选型

2)二阶段基坑。二阶段捷运区域开挖深度6.66 m～18.26 m,总体采用板式支护方案。

同一阶段的围护结构选型结论,对于基坑深度大于13 m的基坑,采用地下连续墙,小于13 m基坑采用工法桩,对落深区域和临时隔断采用钻孔桩结合止水帷幕。选型结果如表2,图10所示。

表2 二阶段基坑围护结构选型

2.5 内支撑布置

1)一阶段基坑。J1-1区、J1-3—J1-8区采用一道钢筋混凝土支撑+两道～三道伺服钢支撑。J1-2区(捷运下穿共同沟)设置三道钢筋混凝土支撑。

既有捷运保护要求高,普遍捷运区域钢支撑采用伺服系统,且捷运区域地下结构层高较高,地下结构回筑阶段需保留第二道水平钢支撑,待整体地下结构形成后再进行闷拆。

本工程普遍采用灌注桩内插角钢格构柱作为竖向支承体系。具体布置如图11所示。

2)二阶段基坑。J2-1区基坑普遍设置一道钢支撑,局部降板区域设置两道钢筋混凝土支撑。J2-2,J2-8—J2-9区普遍采用一道钢筋混凝土支撑+一道钢支撑。J2-3,J2-5—J2-7区设置三道钢筋混凝土支撑。J2-4普遍设置两道钢筋混凝土支撑,局部落深区域设置四道钢筋混凝土支撑。

本工程普遍采用灌注桩内插角钢格构柱作为竖向支承体系。具体布置如图12所示。

2.6 降水设计

根据各分区基坑的开挖深度和工程水文地质资料,普遍区域疏干降水,基坑均满足第⑨层承压水突涌稳定性要求。

部分区域不满足第⑦层承压水和第⑤层微承压水突涌稳定性要求。J1-2区、J2-3区、J2-4落深区、J2-6—J2-7区不满足第⑦层承压水和微承压水突涌稳定性要求,采用悬挂帷幕隔水、坑内按需降压。J2-5区不满足微承压水突涌稳定性要求,采取帷幕隔断承压水。止水帷幕深度和地质断面如图13所示。

3 周边环境数值分析

考虑到本基坑项目实施空间面积巨大,分坑相互影响关系复杂,有必要对基坑开挖交叉工况影响分析。由于基坑一阶段和二阶段均采用南北向跳仓开挖,可选取东西向剖面对捷运段相邻新旧坑的施工变形进行数值计算。

本次分析采用MIDAS软件,选取J1-5和J2-6的横向剖面,计算结果如图14,图15所示。

通过数值分析结果,本次模拟的基坑两阶段开挖引起的捷运系统变形均在保护标准内。实际施工的现场监测结果与数值分析结果基本一致,两阶段的水平和竖向位移略小于理论值,对捷运系统的运营风险在合理可控的范围内。

4 结语

本文选取某机场捷运系统改扩建工程基坑,在现有捷运系统功能保护要求高、抗承压水风险突出的不利条件下,提出了合理有效的围护设计方案,总结如下:

1)本工程对基坑总体施工采取了科学合理的分区实施方案。在两阶段倒边施工的原则上,进一步细分基坑开挖范围,合理采用弹钢琴工法,严格控制基坑分步开挖的面积,最大程度地降低对捷运系统的变形影响。

2)基坑围护选型合理,根据基坑深度和施工条件分别采用地下连续墙、TAD工法、工法桩、排桩+止水帷幕等形式,保障基坑安全的同时兼顾了技术和经济的平衡性。

3)针对基坑(微)承压水降深要求,合理选用隔断承压水,部分区域采用悬挂式止水的方案,合理设计帷幕长度,将环境水位的降深合理控制在安全范围内,确保基坑降低承压水对周边环境的风险可控。

4)通过计算验证基坑设计的合理性,采用数值分析结果验证了本工程基坑设计对周边环境保护的有效性。