張中杰 朱雁飛

（1.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，200125，上海；2.上海隧道工程股份有限公司，200082，上?！蔚谝蛔髡撸呒?jí)工程師）

1 研究背景

隨著城市規(guī)劃的調(diào)整和城市地下空間的發(fā)展，優(yōu)化軌道交通車站規(guī)模和換乘方式、歷史建筑增設(shè)地下車庫、住宅小區(qū)車位擴(kuò)容等地下結(jié)構(gòu)加層問題日益突出，逐步成為軌道交通和城市地下空間進(jìn)一步發(fā)展的重大課題。

受地質(zhì)條件和施工工藝的限制，在國內(nèi)外，城市中心區(qū)域地下結(jié)構(gòu)加層的傳統(tǒng)施工方法，都必須占用路面重新開挖施工。如日本的托換加層工法一般與明挖法結(jié)合使用：首先，在地面施工支護(hù)結(jié)構(gòu)和托換時(shí)承受豎向荷載的樁基；然后開挖基坑，從既有地下結(jié)構(gòu)的側(cè)邊挖壕溝架設(shè)托換梁或托換板，并將其固定在托換樁基上；在托換梁（或板）和既有構(gòu)筑物之間設(shè)置調(diào)節(jié)用的千斤頂，待既有結(jié)構(gòu)受力和變形穩(wěn)定后，繼續(xù)開挖基坑并構(gòu)筑新結(jié)構(gòu)；最后回填與撤去不需要的托換樁基和托換梁。

在整個(gè)施工過程中，基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)和托換樁基都是在較寬敞的地面進(jìn)行的。這要涉及中斷地面現(xiàn)有交通、搬遷大量管線、制約區(qū)域性客流集散、影響既有商圈的商業(yè)效益等諸多問題，不僅工程規(guī)模大、工程費(fèi)用高，對(duì)市民生活及社會(huì)影響都很大。

由此可見，如何克服傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，研究一種不占用地面的地下空間暗挖加層工藝顯得十分必要和迫切。

2 關(guān)鍵技術(shù)的研究

2.1 “共板共墻共柱”理論

一般而言，地下結(jié)構(gòu)的暗挖加層必須解決既有支護(hù)的利用和加強(qiáng)、既有結(jié)構(gòu)的托換和改造、周邊環(huán)境的保護(hù)和協(xié)調(diào)等問題。

為充分利用既有結(jié)構(gòu)的資源，實(shí)現(xiàn)實(shí)施期間對(duì)地面交通、設(shè)施和地下管線零影響，提出“共板共墻共柱”設(shè)計(jì)理論。即，既有結(jié)構(gòu)頂板與逆作暗挖施工蓋板共用、既有結(jié)構(gòu)外墻與新設(shè)支護(hù)共用、既有結(jié)構(gòu)立柱與托換加層臨時(shí)立柱共用，并據(jù)此研發(fā)了以既有結(jié)構(gòu)作為天然蓋板的地下空間暗挖加層新工藝。其主要施工步驟如圖1所示。

圖1 地下空間暗挖加層的施工步驟

2.2 低凈空條件下新型支護(hù)樁技術(shù)

既有支護(hù)結(jié)構(gòu)的長度和強(qiáng)度往往不能滿足加層開挖的需要。為不占用地面，新增支護(hù)結(jié)構(gòu)必須在既有結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行施工。考慮到一般既有地下空間的層高限制，同時(shí)為保證加層地下空間的使用效率，新增支護(hù)必須緊貼既有結(jié)構(gòu)外墻作業(yè)，常規(guī)的SMW（勁性水泥土墻）工法、鉆孔樁支護(hù)、地下墻等均無法實(shí)施。為此，開發(fā)了先插H型鋼后進(jìn)行旋噴加固的復(fù)合支護(hù)工藝—IBG工法（見圖2）。即：先分節(jié)壓入H型鋼，然后在型鋼間設(shè)置噴漿孔進(jìn)行旋噴樁施工形成擋土止水合一的支護(hù)體。該工法不僅有效避免了由于漿液凝固而不能插入型鋼的問題，而且這種復(fù)合支護(hù)體型鋼垂直度、平整度優(yōu)良，水泥土強(qiáng)度和均勻性優(yōu)于傳統(tǒng)SMW工法。

圖2 IBG工法

IBG工法的旋噴樁可采用全方位壓力平衡旋噴MJS（Metro Jet System）工法或 RJP（Rodin Jet Pile）工法，其直徑的確定需考慮噴射過程的型鋼遮擋影響（見圖3）。

圖3 IBG工法中H型鋼遮擋影響

IBG工法樁可采用與SMW工法樁類似的方法計(jì)算。即：按剛度等代為地下墻后，通過單向受壓鏈桿與既有支護(hù)組成復(fù)合支護(hù)體。其中IBG工法樁的剛度可考慮水泥土的包裹作用對(duì)型鋼的貢獻(xiàn)，可按式（1）作簡化計(jì)算。

式中：

Es——型鋼的彈性模量；

Is——型鋼的慣性矩；

α——水泥土的剛度貢獻(xiàn)系數(shù)，當(dāng)采用MJS旋噴樁后可取0.2。

IBG工法復(fù)合支護(hù)計(jì)算簡圖和結(jié)果示例如圖4所示。

2.3 復(fù)雜環(huán)境下既有結(jié)構(gòu)的托換技術(shù)

在既有結(jié)構(gòu)底部暗挖加層施工，必須嚴(yán)格控制施工引起的卸載與加載對(duì)既有結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的影響。整個(gè)托換加層的過程應(yīng)保持既有頂板結(jié)構(gòu)體系不變（必要時(shí)可采用碳纖維加固等措施），根據(jù)結(jié)構(gòu)頂板的剛度和配筋確定樁基差異沉降的控制要求。在上海市軌道交通徐家匯樞紐換乘大廳工程中，采用ANSYS軟件對(duì)既有無梁樓蓋頂板進(jìn)行模擬計(jì)算分析（既有模版的有限元計(jì)算模型如圖5所示），在滿足既有結(jié)構(gòu)頂板配筋的條件下可得單柱最大差異沉降不得大于10mm。

對(duì)于單建式或上部建筑荷載不大的地下結(jié)構(gòu)可采用被動(dòng)托換形式，每根既有柱采用2～3根托換樁，并相應(yīng)設(shè)置鋼筋混凝土承臺(tái)（見圖6）；托換樁選用分節(jié)施工的靜壓鋼管樁，采取對(duì)稱跳樁施工工藝以減少壓樁對(duì)周邊環(huán)境的影響。每節(jié)靜壓鋼管樁送樁最大壓力不宜超過樁身承載力的0.9倍，壓樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高后充灌低標(biāo)號(hào)微膨脹混凝土。鋼管樁的承載力特征值Q需考慮土塞效應(yīng)的影響，按式（2）進(jìn)行估算：

圖4 IBG工法復(fù)合支護(hù)計(jì)算簡圖和結(jié)果示例

圖5 上海軌道交通徐家匯樞紐換乘大廳既有頂板有限元計(jì)算模型

式中：

u——鋼管樁周長；

qsik——單樁第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

qpk——單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

li——第i層土厚度；

Ap——鋼管樁端面積。

對(duì)于高層建筑地下室加層時(shí)，則宜采用主動(dòng)托換形式，托換樁與托換梁間設(shè)置千斤頂實(shí)現(xiàn)豎向荷載的可靠傳遞。

2.4 軟土條件下加層基坑的微擾動(dòng)開挖與加固技術(shù)

當(dāng)向下暗挖加層區(qū)域緊鄰運(yùn)營中地鐵線或其他重要建（構(gòu)）筑物時(shí)，基坑內(nèi)側(cè)需設(shè)置較大方量的地基加固以保證基坑施工安全，而相應(yīng)的加固設(shè)備必須同時(shí)滿足低凈空施工和對(duì)周邊環(huán)境影響小的兩項(xiàng)要求。常規(guī)的旋噴施工過程對(duì)周邊環(huán)境影響很大，而MJS工法的設(shè)備機(jī)架高度僅為3.85m，現(xiàn)場(chǎng)加固試驗(yàn)中土體最大位移約在5mm之內(nèi)，可滿足此類工程的特殊要求。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過有限元反演計(jì)算得到MJS施工對(duì)土體的擠壓力參數(shù)，以此分析土體加固過程對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響。

在上海軌道交通徐家匯樞紐換乘大廳工程中，通過對(duì)換乘大廳和1號(hào)線車站的整體有限元分析（見圖7），研究不同土方開挖方案對(duì)緊鄰的既有結(jié)構(gòu)的影響，采用分塊施工及盆式開挖方案可以最大程度地控制相鄰的既有結(jié)構(gòu)的變形（見圖8）。而在實(shí)際基坑開挖施工中，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果通過反分析來指導(dǎo)整個(gè)加層施工過程，從而實(shí)現(xiàn)基坑施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響的最小化。

圖6 托換承臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖7 上海軌道交通徐家匯換乘大廳和1號(hào)線車站的整體有限元計(jì)算模型

圖8 上海軌道交通徐家匯樞紐換乘大廳工程分塊開挖方案示意圖

3 工程應(yīng)用與實(shí)施效果

3.1 上海市軌道交通徐家匯樞紐

圖9 徐家匯換乘大廳加層剖面圖

上海市軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的1號(hào)線、9號(hào)線、11號(hào)線在徐家匯形成全市唯一的3條市域線大型換乘樞紐。徐家匯樞紐換乘大廳位于華山路與虹橋路交叉口處，為地下二層結(jié)構(gòu)，其中地下一層為既有1號(hào)線西側(cè)地鐵商場(chǎng)；地下二層為新建加層結(jié)構(gòu)，長65.95m，寬30.35m，加層面積約2 065m2，暗挖深度約5.0m（新結(jié)構(gòu)底板埋深約12.3m）。上海軌道交通徐家匯地下?lián)Q乘大廳加層剖面圖見圖9。該工程周邊環(huán)境復(fù)雜，保護(hù)要求極高，基地西北角為港匯廣場(chǎng)、東北角為太平洋百貨徐匯店，南側(cè)與運(yùn)營中上海軌道交通1號(hào)線徐家匯站一墻之隔。為避免工程實(shí)施期間對(duì)徐家匯地區(qū)交通、管線及商業(yè)的影響，采用本技術(shù)進(jìn)行了工程的設(shè)計(jì)和實(shí)施。

該工程施工期間上海軌道交通1號(hào)線運(yùn)營正常，城市交通主干道虹橋路、華山路地面沉降及管線變形均在允許范圍內(nèi)，徐家匯地區(qū)交通及商業(yè)未受影響，其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著?，F(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)景見圖10～圖13。

圖10 施工場(chǎng)地位置

圖11 地下一層靜壓H型鋼支護(hù)體

圖12 地下一層托換承臺(tái)

圖13 地下二層托換鋼管柱與斜拋撐

對(duì)施工全過程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、地鐵商場(chǎng)立柱沉降、路面沉降、周邊建筑物（港匯廣場(chǎng)、太平洋百貨）沉降等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行的跟蹤監(jiān)測(cè)表明，加層結(jié)構(gòu)自身及周圍環(huán)境變化均在正常范圍內(nèi)。相關(guān)的主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)詳見圖14～圖15。

3.2 天津市文化中心地下交通樞紐

圖14 暗挖加層區(qū)支護(hù)體水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

天津市文化中心地下交通樞紐工程位于天津市政府旁的友誼路側(cè)。根據(jù)城市軌道交通調(diào)整規(guī)劃，需在既有的地下商業(yè)空間下方新增地鐵5、6號(hào)線文化中心站付費(fèi)區(qū)換乘通道，長約78m，最大寬度約26m，加層面積約2 800m2（見圖16）。利用本技術(shù)在不影響地面綠化的前提下，將地下空間以暗挖加層方式新建地下二層（見圖17），地面沉降僅10mm，順地實(shí)現(xiàn)了天津地鐵5、6號(hào)線車站的換乘功能。

圖15 路面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

實(shí)踐證明，本項(xiàng)技術(shù)可在限制地面開挖的條件下解決城市中心區(qū)域地下空間加層難題，可有效地避免在城市中心區(qū)域施工中非常棘手的管線搬遷和對(duì)地面交通影響等問題，同時(shí)兼具施工方便和安全性高的特點(diǎn)，是一種地下空間二次開發(fā)的新工藝。

圖16 天津市文化中心地下交通樞紐地鐵5、6號(hào)線換乘通道平面圖

圖17 天津市文化中心地下交通樞紐工程暗挖加層實(shí)施換乘通道實(shí)景圖

本文的研究得到上海市建設(shè)和交通委員會(huì)重大科研項(xiàng)目（重科2007－005）的資助，《利用既有地下室頂板作為天然蓋板的暗挖加層施工方法》取得了國家發(fā)明專利（專利號(hào)：ZL 200510026522X）。

［1］徐正良，馬仕明，崔勤，等.上海市軌道交通徐家匯“環(huán)港匯”方案設(shè)計(jì)［J］.城市軌道交通研究，2006（3）：47.

［2］徐正良，張中杰，沈國紅.地下空間蓋挖加層技術(shù)在上海市軌道交通徐家匯樞紐的應(yīng)用研究［C］∥張?jiān)诿?，楊秀?2007海峽兩岸巖土工程地工技術(shù)交流研討會(huì)論文集.北京：中國建材工業(yè)出版社，2007：239.

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