湯永凈，于 品

(1.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江 嘉興 314051； 2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

1 工程概況

倫敦市地鐵銀禧線在威斯敏斯特區(qū)域與現(xiàn)有的已運(yùn)營(yíng)線路District and Circle Line(D&CL)形成交匯換乘，而現(xiàn)有的D&CL車(chē)站無(wú)法滿足換乘站的使用條件，需重新規(guī)劃車(chē)站的售票廳及換乘通道等設(shè)施，對(duì)車(chē)站進(jìn)行改擴(kuò)建工作。同時(shí)，車(chē)站位于倫敦的政治中心，該地段規(guī)劃建設(shè)議會(huì)大廈二期。建設(shè)者提出將車(chē)站改擴(kuò)建與擬建的議會(huì)大樓二期工程相結(jié)合，將新車(chē)站規(guī)劃在議會(huì)大樓二期的正下方，并作為議會(huì)大廈二期的基礎(chǔ)。

為保證車(chē)站的開(kāi)放性與安全性，擴(kuò)建后的新車(chē)站地下部分由淺埋地下室和深箱結(jié)構(gòu)組合。深箱基礎(chǔ)長(zhǎng)74m、寬28m。銀禧線2個(gè)方向的站臺(tái)隧道(7m內(nèi)徑)則豎向堆疊于車(chē)站深箱結(jié)構(gòu)南側(cè)，深度為布里奇街水平面下方30m和21m[1]，如圖1所示。擴(kuò)建的深箱結(jié)構(gòu)南側(cè)與大本鐘最近距離僅34m。

圖1 車(chē)站改擴(kuò)建布局

車(chē)站改擴(kuò)建過(guò)程中主要使用明挖法施作深箱結(jié)構(gòu)，需鑿除擴(kuò)建范圍內(nèi)D&CL下方的基礎(chǔ)。由于D&CL是倫敦市軌道交通的大動(dòng)脈，客流量巨大，車(chē)站改擴(kuò)建過(guò)程中不能影響線路的正常運(yùn)營(yíng)，需在施工前重新支承現(xiàn)有線路的基礎(chǔ)。這給車(chē)站改擴(kuò)建工作帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。此外，施工區(qū)域鄰近大本鐘及重要的管線設(shè)施，需嚴(yán)格控制深箱結(jié)構(gòu)及隧道施工所引起的地面位移。施工期間，建設(shè)方采用基礎(chǔ)托換的方式確保在深箱結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中D&CL線路的正常運(yùn)營(yíng)；選用補(bǔ)償注漿技術(shù)，在完成車(chē)站改擴(kuò)建工程的同時(shí)，有效保護(hù)了鄰近的歷史建筑大本鐘。

2 D&CL線路的基礎(chǔ)托換

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)對(duì)地下空間的大力開(kāi)發(fā)，緊鄰建筑物及構(gòu)筑物的地下工程項(xiàng)目愈發(fā)多見(jiàn)，給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。基礎(chǔ)托換技術(shù)通過(guò)對(duì)既有建筑物的基礎(chǔ)進(jìn)行加固和替換，有效提高建筑物基礎(chǔ)的強(qiáng)度，增強(qiáng)建筑物抵抗不均勻沉降的能力，從而將周邊地下工程施工對(duì)建筑物造成的沉降和傾斜等影響降至允許范圍內(nèi)[2-5]。

D&CL車(chē)站已建造100余年，基礎(chǔ)建立在倒磚拱砌體上的重力式砌體擋土墻上，車(chē)站采用明挖法施工。由于車(chē)站改擴(kuò)建施工不得影響D&CL線路正常運(yùn)營(yíng)，在開(kāi)挖前通過(guò)托換技術(shù)臨時(shí)支撐D&CL線路，以便其在深箱結(jié)構(gòu)開(kāi)挖區(qū)域的上方能正常運(yùn)營(yíng)。

項(xiàng)目中通過(guò)采用1 390mm厚的支撐板及其兩側(cè)搭接在南北側(cè)地下連續(xù)墻上的邊梁組成的結(jié)構(gòu)體系來(lái)托換D&CL線路的原有基礎(chǔ)(見(jiàn)圖2)。邊梁在跨中部位由直徑3m樁支承，從而有效地為原D&CL車(chē)站提供支撐。施作支撐板時(shí)，D&CL線路下方的地下連續(xù)墻尚未施工，故在支撐板下方布設(shè)長(zhǎng)6m的φ300mm連續(xù)小型樁，在箱體開(kāi)挖的初始階段作為對(duì)支撐板的支撐。

圖2 現(xiàn)有車(chē)站基礎(chǔ)托換平面

基礎(chǔ)托換的具體施工方法如下[6]：①在線路非運(yùn)營(yíng)時(shí)段，移除現(xiàn)有的軌道和道砟，在倒磚拱層安裝縱梁，恢復(fù)軌道；架設(shè)腳手架作為臨時(shí)站臺(tái)。軌道和臨時(shí)站臺(tái)通過(guò)螺栓與縱梁連接，此時(shí)站臺(tái)和軌道的荷載經(jīng)由縱梁傳遞至下方磚拱層；②沿D&CL方向分段設(shè)置托換施工區(qū)(見(jiàn)圖3)，在托換區(qū)內(nèi)的軌道和臨時(shí)站臺(tái)下方挖施工槽，并施作部分支撐板；③在支撐板處設(shè)置橫梁對(duì)新安放的縱梁進(jìn)行支撐，此時(shí)對(duì)縱梁的支承從原有的倒磚拱基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移至支撐板；④開(kāi)挖托換施工區(qū)之間的剩余區(qū)域，并施作支撐板的剩余部分，從而將深箱結(jié)構(gòu)上部的D&CL軌道及臨時(shí)站臺(tái)的基礎(chǔ)托換到支撐板上；⑤施作支撐板的邊梁。

圖3 現(xiàn)有車(chē)站基礎(chǔ)托換剖面示意

完成基礎(chǔ)托換后，即可鑿除原有的倒磚拱基礎(chǔ)并進(jìn)行下方深箱結(jié)構(gòu)的開(kāi)挖。深箱結(jié)構(gòu)施工時(shí)，建立變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在不中斷地鐵運(yùn)行的條件下監(jiān)測(cè)軌道開(kāi)挖過(guò)程中的沉降，在停運(yùn)時(shí)段可及時(shí)調(diào)整軌道位置，確保D&CL線路的安全運(yùn)營(yíng)。

3 大本鐘保護(hù)措施

3.1 底部橫撐

深箱結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐圍護(hù)方案。為確保大本鐘的安全，在深箱結(jié)構(gòu)開(kāi)挖前，創(chuàng)造性地在深箱結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻底部設(shè)置橫撐(見(jiàn)圖4)，使得整個(gè)深箱結(jié)構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中有效減小和控制地下連續(xù)墻的側(cè)向位移，因而降低對(duì)大本鐘的不利影響，預(yù)計(jì)可減少大本鐘處的地面位移達(dá)33%。

圖4 深箱結(jié)構(gòu)底部橫撐

利用深箱結(jié)構(gòu)的工程樁作為豎井，在設(shè)定位置用頂管法施作水平向的施工管道，進(jìn)而在施工管道中施作橫撐。在深箱結(jié)構(gòu)開(kāi)挖前，將φ3m樁視作豎井，穿過(guò)豎井到達(dá)橫撐所在水平面，向東西方向施作2條施工管道，到達(dá)3根底部橫撐的位置后依次施作3條南北方向的施工管道，在管道內(nèi)通過(guò)預(yù)制混凝土與現(xiàn)澆的方法制作φ1 770mm 支撐以及 1 800mm 厚的錘形腰梁，組成底部橫撐，如圖4所示。每個(gè)支撐內(nèi)部安裝5對(duì)液壓水平千斤頂，總頂力為7 640kN。地面控制室通過(guò)液壓軟管連接底部橫撐的千斤頂，并根據(jù)地下連續(xù)墻位移監(jiān)測(cè)情況調(diào)整底部橫撐的頂力，從而更好地控制地下連續(xù)墻位移。

3.2 深箱結(jié)構(gòu)逆作法施作

項(xiàng)目建設(shè)初期，對(duì)順作法及逆作法進(jìn)行了對(duì)比分析。如采用順作法施工方案，深箱結(jié)構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中需架設(shè)58個(gè)臨時(shí)支撐，待底板澆筑完成后由下往上安裝永久的水平支撐，工序較為繁瑣，且臨時(shí)支撐的存在會(huì)影響下部區(qū)域開(kāi)挖及水平支撐的安裝。而采用逆作法施工，可同時(shí)建造橫向腰梁和豎向扶壁并安裝水平支撐，此時(shí)箱形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部支撐主要由兩端的永久板和中間的永久水平支撐組成。更為重要的是，逆作法施工有利于基坑工程的變形控制和周邊環(huán)境保護(hù)[7-9]，相對(duì)于順作法，采用逆作法由于水平樓板和永久水平支撐的剛度高于臨時(shí)水平支撐，且免去臨時(shí)水平支撐的拆除步驟，從而可減少地下連續(xù)墻的水平位移。故最終采用逆作法施作車(chē)站的深箱結(jié)構(gòu)，同時(shí)在永久水平支撐和地下連續(xù)墻之間設(shè)置由鋼筋混凝土腰梁和扶壁組成的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，與地下連續(xù)墻共同作用，形成復(fù)合墻，更好地承受深箱結(jié)構(gòu)周?chē)乃翂毫Α&CL基礎(chǔ)托換、地下連續(xù)墻底部設(shè)置的橫撐及逆作法施工的完整工序如圖5所示。

圖5 車(chē)站深箱結(jié)構(gòu)施工工序

1)階段1 施作場(chǎng)地周邊支護(hù)，包括單側(cè)地下連續(xù)墻、樁基礎(chǔ)及鋼柱。

2)階段2a 施作D&CL車(chē)站的支撐板。

3)階段2b 施作底部橫撐及錘形腰梁，D&CL車(chē)站下側(cè)開(kāi)挖至90m水平面，施作車(chē)站下側(cè)地下連續(xù)墻。

4)階段3 車(chē)站下側(cè)地下連續(xù)墻延伸至支撐板處，開(kāi)挖箱形結(jié)構(gòu)至第1層永久支撐的水平面，安裝第1層永久支撐，澆筑腰梁、扶壁及板。

5)階段4 依次開(kāi)挖箱形結(jié)構(gòu)至各層永久支撐水平面，安裝橫跨支撐，澆筑腰梁、扶壁及板。

6)階段5，6 重復(fù)階段4，直至所有永久支撐、腰梁、扶壁及板安裝完畢，開(kāi)挖至底板處，澆筑底板及基礎(chǔ)梁。

D&CL車(chē)站的支撐板施工完成后，在支撐板下方施作超低凈空地下連續(xù)墻，形成完整的箱形結(jié)構(gòu)。隨后將整個(gè)深箱結(jié)構(gòu)開(kāi)挖至第1層永久水平支撐的深度，現(xiàn)場(chǎng)澆筑腰梁及扶壁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以組成復(fù)合墻，共同抵抗水土壓力(見(jiàn)圖6)。腰梁、扶壁和永久水平支撐通過(guò)φ50mm鋼筋連接到地下連續(xù)墻中預(yù)埋的連接器，與地下連續(xù)墻連接。逐層施作永久水平支撐、腰梁、扶壁及兩側(cè)板，直至最后一層永久水平支撐所在深度。在深箱結(jié)構(gòu)底部，設(shè)置400mm厚排水墊層，在排水墊層上澆筑2m厚混凝土底板和3.5m高、2.2m寬基礎(chǔ)梁。底板分為4段進(jìn)行澆筑，每次澆筑1 000～1 600m3混凝土。基礎(chǔ)梁布置在φ3m排樁的頂部。深箱結(jié)構(gòu)內(nèi)部墻體、扶梯以及勁性混凝土柱則由下而上施作完成。容納自動(dòng)扶梯的大型鋼制外殼豎立在深箱結(jié)構(gòu)的中央部分，支承于永久水平支撐上。

圖6 車(chē)站深箱結(jié)構(gòu)支撐

3.3 補(bǔ)償注漿

箱形結(jié)構(gòu)及銀禧線隧道施工會(huì)導(dǎo)致上方街道、市政管道及鄰近大本鐘等建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不均勻沉降，引起建筑物的附加傾斜、開(kāi)裂等，需采取相應(yīng)措施以盡量弱化車(chē)站改擴(kuò)建對(duì)周邊建筑及構(gòu)筑物的影響。補(bǔ)償注漿是有效措施之一，它是通過(guò)改善土體的受力特性，對(duì)地層進(jìn)行水力壓裂以引起隆起，從而補(bǔ)償?shù)叵鹿こ淌┕に鸬膽?yīng)力釋放和體積損失，常用于地下工程施工時(shí)對(duì)緊鄰建筑物的注漿加固及傾斜沉降控制[10-11]。

通過(guò)在車(chē)站周邊及銀禧線隧道上方布設(shè)注漿管，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，適時(shí)補(bǔ)償注漿，有效控制車(chē)站改擴(kuò)建及隧道施工對(duì)大本鐘及其他周邊建筑物的不利影響。銀禧線隧道上方的注漿系統(tǒng)位于隧道頂部與泰晤士礫石層界面之間，采用呈拱形結(jié)構(gòu)分布的5條φ1.0m管道布局(見(jiàn)圖1b)。通過(guò)綜合考慮，沿銀禧線布置注漿井筒，并通過(guò)水平鉆孔安裝TAM注漿管，如圖7所示。每根TAM注漿管設(shè)系列間隔為0.3m的小孔，通過(guò)橡膠套和充氣式封隔器裝置選擇特定位置的注漿孔，以便控制注漿位置和注漿量[12]。

圖7 施工區(qū)域周邊注漿管布置

大本鐘東北側(cè)的4號(hào)注漿井筒和注漿管用于確保大本鐘的安全，注漿區(qū)域從大本鐘延伸到布里奇街，根據(jù)間距為3m的陣列確定注漿孔位置。施工過(guò)程中根據(jù)大本鐘的傾斜度決定是否施加補(bǔ)償注漿，大本鐘最大允許傾斜值為1∶2 000，開(kāi)始補(bǔ)償注漿的臨界傾斜值為1∶2 500。根據(jù)大本鐘自身高度55m確定補(bǔ)償注漿的臨界值及最大允許傾斜值所對(duì)應(yīng)的傾斜位移分別為22mm和27.5mm。結(jié)合項(xiàng)目的工程特點(diǎn)，補(bǔ)償注漿的施工控制范圍調(diào)整為：補(bǔ)償注漿臨界值對(duì)應(yīng)的傾斜位移下限15mm，最大允許傾斜值對(duì)應(yīng)的傾斜位移上限為25mm。

第1條西行隧道施工期間，大本鐘發(fā)生了明顯位移，傾斜位移為4mm。隨后在固結(jié)沉降和車(chē)站深箱結(jié)構(gòu)第1層板開(kāi)挖產(chǎn)生位移的共同作用下，大本鐘以1.1mm /月的速率繼續(xù)傾斜。9個(gè)月后站臺(tái)隧道擴(kuò)建、車(chē)站深箱結(jié)構(gòu)開(kāi)挖主要階段還未開(kāi)始，大本鐘傾斜位移已達(dá)14mm，需通過(guò)補(bǔ)償注漿控制大本鐘的傾斜。隨后進(jìn)行初步注漿，對(duì)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。深箱結(jié)構(gòu)底層開(kāi)挖結(jié)束期間，共進(jìn)行24次單獨(dú)注漿作業(yè)。根據(jù)對(duì)大本鐘的實(shí)時(shí)傾斜監(jiān)測(cè)，調(diào)整每次注漿量及注漿平面位置。注漿位置及注漿量如圖8所示。

圖8 大本鐘區(qū)域注漿位置及注漿量(單位：L)

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，補(bǔ)償注漿對(duì)大本鐘的傾斜控制具有顯著效果。其中，從初步注漿至深箱結(jié)構(gòu)底層開(kāi)挖結(jié)束，大本鐘的傾斜位移增長(zhǎng)控制在11mm之內(nèi)，其對(duì)應(yīng)的傾斜度為1∶5 000。在整座車(chē)站改擴(kuò)建施工期間，補(bǔ)償注漿可將大本鐘的傾斜位移控制在25mm內(nèi)。由此可見(jiàn)，基于大本鐘的傾斜位移發(fā)展?fàn)顩r而施加的定點(diǎn)定量的補(bǔ)償注漿，可有效將車(chē)站改擴(kuò)建施工導(dǎo)致鄰近大本鐘產(chǎn)生的傾斜位移控制在歷史建筑保護(hù)的允許范圍內(nèi)。

威斯敏斯特車(chē)站改擴(kuò)建施工過(guò)程中，通過(guò)在地下連續(xù)墻基部設(shè)置底部橫撐、深箱結(jié)構(gòu)逆作法開(kāi)挖及補(bǔ)償注漿施工技術(shù)，在車(chē)站改擴(kuò)建工程及銀禧線隧道施作期間，將大本鐘的傾斜和沉降控制在允許范圍內(nèi)，成功在密集的建筑空間內(nèi)完成車(chē)站的改擴(kuò)建及銀禧線隧道的建設(shè)。

4 結(jié)語(yǔ)

威斯敏斯特車(chē)站改擴(kuò)建工程毗鄰知名歷史建筑大本鐘和公共建筑，且需保證現(xiàn)有的D&CL線路正常運(yùn)行，施工面臨極大挑戰(zhàn)。該車(chē)站工程設(shè)計(jì)、施工的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)當(dāng)前越來(lái)越密集的建筑布局條件下的地下空間開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)具有參考價(jià)值。

1)為滿足車(chē)站使用要求，在現(xiàn)有車(chē)站下方施作深箱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車(chē)站的通達(dá)功能。

2)構(gòu)造臨時(shí)站臺(tái)及軌道，通過(guò)縱梁和支撐來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有D&CL車(chē)站的基礎(chǔ)托換，并通過(guò)建立變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)軌道在開(kāi)挖期間的垂直位移并及時(shí)糾正，保證車(chē)站改擴(kuò)建過(guò)程中D&CL線路的正常運(yùn)營(yíng)。

3)深箱結(jié)構(gòu)采用逆作法施工，開(kāi)挖施工前創(chuàng)造性地在地下連續(xù)墻基部施作底部橫撐，以控制未開(kāi)挖區(qū)域的地下連續(xù)墻變形；并通過(guò)逆作法施工過(guò)程中建造腰梁和扶壁與地下連續(xù)墻共同組成復(fù)合墻，安裝永久的水平支撐，和深箱結(jié)構(gòu)兩端的板共同支承復(fù)合地下連續(xù)墻。逆作法簡(jiǎn)化了施工步驟，并有效控制了大本鐘在開(kāi)挖期間的附加傾斜沉降。

4)在大本鐘區(qū)域設(shè)置補(bǔ)償注漿系統(tǒng)，根據(jù)車(chē)站改擴(kuò)建施工過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的大本鐘的沉降和傾斜，確定區(qū)域內(nèi)的注漿位置及注漿量并進(jìn)行補(bǔ)償注漿。監(jiān)測(cè)表明，在車(chē)站改擴(kuò)建施工過(guò)程中進(jìn)行補(bǔ)償注漿，成功地將大本鐘的傾斜位移控制在25mm內(nèi)，符合大本鐘的保護(hù)要求。