深圳地铁大运枢纽站施工关键技术分析.pdf

引用格式:郭海柱,张建,石晓伟.深圳地铁大运枢纽站施工关键技术分析J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):451.GUO Haizhu,ZHANG Jian,SHI Xiaowei.Crucial construction technologies for Shenzhen metro Dayun hub station J.Tunnel Construction,2023,43(S1):451.收稿日期:2022-06-30;修回日期:2023-02-02基金项目:广东省普通高校特色创新项目(2020KTSCX300)第一作者简介:郭海柱(1980),男,河南南阳人,2009 年毕业于同济大学,结构工程专业,博士,高级工程师,现从事地下工程相互作用、建筑 BIM技术等方面的教学与科研工作。E-mail:48101134 。深圳地铁大运枢纽站施工关键技术分析郭海柱1,张 建2,石晓伟2(1.深圳信息职业技术学院交通与环境学院,广东 深圳 518172;2.深圳市地铁集团有限公司,广东 深圳 518000)摘要:深圳地铁大运枢纽为地铁 3、14、16 号线和城际 33 号线换乘枢纽,采取先施工地下部分保证地铁开通运营,后施工上盖物业部分,最终形成大运枢纽站城一体化地标项目。在大运枢纽地下空间开发中存在对运营车站和高架桥保护、超净空大直径桩基施工、新建车站超深基坑开挖、交通核盖挖逆作法施工、已运营车站屋顶大型钢结构改造等技术难题。通过交通疏解、电子雷管爆破、注浆加固、现场监测、盖挖逆作、BIM 技术模拟分段吊装及有限元模拟验算等方法,确保大运枢纽地下工程和运营高架车站改造顺利施工。结果表明:1)采用注浆加固对 3 号线高架车站进行保护,桥墩最大沉降仅为 4.33 mm;2)采用盖挖逆作法施工控制已建车站结构变形,交通核区域周边地表最大沉降为 28.19 mm,最大水平变形为 22.19 mm。关键词:地铁;站城一体;换乘枢纽;深基坑;盖挖逆作;保护方案DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.052中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0451-06C Cr ru uc ci ia al l C Co on ns st tr ru uc ct ti io on n T Te ec ch hn no ol lo og gi ie es s f fo or r S Sh he en nz zh he en n MMe et tr ro o D Da ay yu un n H Hu ub b S St ta at ti io on nGUO Haizhu1,ZHANG Jian2,SHI Xiaowei2(1.School of Transportation and Environment,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,Guangdong,China;2.Shenzhen Metro Group Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,Guangdong,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:Shenzhen Metro Dayun Hub Station is a transfer hub among Metro Lines 3,14,16,and Inter-city Line 33.The underground part shall be constructed first to ensure the operation of the metro,and then the property part shall be constructed to form the landmark project of the integration of the Grand Transport Hub Station and City.In the development of underground space,there are some technical problems,such as the protection of operating station and viaduct,the construction of large-diameter pile foundation with super clearance,the excavation of super-deep foundation pit in new station,the top-down construction of traffic core,and the transformation of large steel structure on the roof of existing station.Therefore,technical measures such as traffic dredging,electronic detonator blasting,grouting reinforcement,field monitoring,top-down construction method,section hoisting simulated by building information modeling technology,and finite element simulation and checking calculation are adopted to ensure the smooth construction of the underground engineering of Dayun hub and the transformation of operational elevated station.The results show that the maximum settlement of pier is only 4.33 mm after grouting reinforcement of elevated station of Line 3;the top-down construction method is adopted to control the structural deformation of the built station,resulting in maximum surface settlement around the traffic core area of 28.19 mm and the maximum horizontal deformation of 22.19 mm.K Ke ey yw wo or rd ds s:metro;station-city integration;metro transfer hub;deep foundation pit;top-down construction method;protection scheme隧道建设(中英文)第 43 卷0 引言站城一体化开发模式是以轨道交通建设为触媒,聚集资本、重塑城市形象、提升城市片区效率与竞争力的一种城市发展模式。该理念起源于日本,其本质是轨道交通和城市相辅相成,实现共同发展的城市发展模式。目前我国城市轨道交通进入高质量发展阶段,结合轨道交通进行“站城一体化”的开发愈发受到关注,是城市实现紧凑发展、空间品质和活力提升的有效方法1-3。国内学者基于地铁换乘枢纽、TOD 项目等开发建设进行了站城一体化开发的研究。如关继发4、张文军5、覃晴6、龙喜安7、何建平等8结合北京、上海、深圳、佛山等城市轨道交通枢纽站城一体化开发案例,重点从规划设计角度研究了其政策、开发模式、客流、设施规模等问题,总结出统一主体规划、同步设计实施的开发模式,提出政策、体制、立法等方面的创新。然而,地铁大型枢纽项目一体化建设还存在近接施工相互影响1、拆除改造已有站城、地下地上接口预留等难题9。本文以深圳地铁大运枢纽项目为例,探究大运枢纽施工过程中的关键技术问题。1 工程概况深圳地铁大运枢纽项目位于深圳市龙岗区大运站西侧,龙岗区是东部中心和高端商务集聚区、国家产城融合示范区、绿色低碳发展引领区。大运站距离深圳市中心 25 km,距离龙岗区人民政府 4 km,通过地铁 3号线将深圳中心区和龙岗区联系起来。大运枢纽位于龙岗区龙飞大道与龙岗大道交叉口南侧,沿龙岗大道西侧呈南北向布置,临近既有地铁 3 号线大运站,如图1 所示。图 1 大运枢纽项目平面位置示意图Fig.1 Plan layout of Dayun hub 大运枢纽为地下 3 层双岛四线车站和同台同向换乘车站,并与既有 3 号线、规划 33 号线换乘。同时,为了缝合地铁 3 号线对大运枢纽片区东西两侧地块的割裂,将龙岗大道下沉,与枢纽同期建设,西侧下沉隧道与枢纽大小里程区间及车站合建,长 597 m,东侧下沉隧道与附属合建,长 320 m,总建筑面积约 15.78万 m2,如图 2 所示。本工程沿纵向地质差异较大,枢纽小里程段主要地层由上至下依次为素填土、局部粉细砂层、粉质黏土。枢纽中段地层由上至下依次为素填土、全风化砂岩、土状强风化砂岩、块状强风化砂岩,局部中风化砂岩凸起。枢纽大里程段地层由上至下依次主要为素填土、粉质黏土、微风化灰岩。其中,大里程 90 m 为岩溶强发育区,场区内地下水主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水,地下水位埋深 3.96.2 m。该段揭露可溶岩的钻孔共计 56 个,其中 34 个钻孔揭露到溶洞或溶隙,共发现溶洞(隙)33 个,为强发育地区。2 施工重难点分析大运枢纽在建设过程中存在以下重难点:1)大运枢纽工程施工环境复杂,交通繁忙。本工程位于龙岗大道主道上,与地铁 3 号线紧贴,车流、人行密集。施工前须做好合理的交通疏导方案、3 号线的人行导向、多路公交停靠位安排等。采取确实可行的方案,保证既有 3 号线正常运营和龙岗大道交通顺畅。2)既有地铁 3 号线的安全防护。编制可行的围护结构、土方开挖、石方爆破、既有线保护施工方案并论证,做好变形监测和应急预案。3)基坑超大超深。大运枢纽及交通核基坑长度达 375 m、宽 63 137 m、深 25 m,属目前国内少有的地铁基坑。采用分区分段开挖施工,其中枢纽 14、16 号线换乘车站基坑明挖,交通核区域基坑盖挖逆作,如图 3 所示。4)岩溶发育区对车站基坑、区间隧道安全稳定性及工期影响大。岩溶发育区围护结构及立柱桩施工可能诱发岩溶区地面塌陷,围护结构及立柱桩底可能下沉导致基坑开挖的纵、横向失稳,可能出现基底冒顶或塌陷、片帮,底板下沉等风险。5)地铁车站及区间施工可能引起溶洞周边地层的岩溶水剧烈变化,从而将岩溶水排干并带走充填物,地层应力重分布造成地表开裂下沉、围护结构失稳。6)既有 3 号线车站钢结构改扩建。改造内容为新建东侧及西侧平台及站台,新建钢结构雨棚,拆除既有雨棚,车站上部结构安装及装饰工程等。254增刊 1 郭海柱,等:深圳地铁大运枢纽站施工关键技术分析图 2 大运枢纽项目基坑群及结构形式示意图(单位:m)Fig.2 Foundation pits and structures of Dayun hub(unit:m)图 3 大运枢纽交通核盖挖区域布置图Fig.3 Top-down constructed areas of Dayun hub3 施工方案及关键技术措施3.1 低净空全套管咬合桩施工如图 4 所示,紧邻既有 3 号线大运高架站,大运枢纽东侧 521 m 围护结构采用全荤桩咬合桩,全套管跟进的施工工艺。围护结构外边线距 3 号线高架承台边最小净距为 1.55 m。有 120 m 长围护结构位于既有 3号线大运站翼缘板下方,距既有车站翼缘板底为 5.86.7 m,其余距高架桥梁底为 10.415.8 m。施工措施有:1)围护结构施工区域,共安排 15 个工作面,配 15套设备。2)每个工作面区域大小为 30 m 10 m(长宽),每个工作面 1 套施工设备,由全套管全回旋钻机+低净空履带吊(出渣)+1 台混凝土罐车组成。低净空全套管咬合桩施工的关键技术是采用低净空履带吊进行钢筋笼、出渣等吊装运输,防止碰撞既有大运站结构。图 4 3 号线高架站下桩基施工示意图Fig.4 Pile foundation construction under Line 3 viaduct3.2 既有 3 号线保护方案与措施既有 3 号线区间高架桥和车站采用桩基+承台、桩基+框架等结构形式,其结构对不均匀沉降、施工振动等较为敏感,所以新建车站基坑施工时重点控制围护结构和地层的变形。为此,采取以下保护方案和措施:1)距离桥桩一侧围护结构采用 1 500 1 150 全荤咬合桩,内支撑采用 4 道混凝土桁架支撑,控制地层变形,围护采用全套筒全回旋工艺施工,减小围护桩施工期间对既有桩基的扰动10。2)基坑临近高架桥20 m 范围内采用数码雷管微振动控制爆破或机械开挖,高架桥下控制振速为 1 cm/s,减小硬岩区爆破开挖对既有结构的扰动。3)对既有桩基承台与既有车站下承台间进行注浆与跟踪注浆加固,如图 5 所示,通过事前加固可以进一步减小既有结构的变形。4)采用自动化监测,施工期间加强监测,根据监测情况对桥桩进354隧道建设(中英文)第 43 卷行跟踪注浆11。5)低净空冲抓斗及履带吊均自带限位功能,根据最低作业高度设置好高度、角度后将其锁死,司机操作时不会因个人误操作抬高吊臂高度,保证不会触碰到桥梁,移动设备主要靠机械行走来完成。图 5 运营车站高架桥保护方案示意图Fig.5 Protection scheme of operational station viaduct 采取上述全止水、强支撑、微爆破、预注浆、勤监测、防碰撞等施工措施,运营 3 号线桥墩最大沉降发生在新建车站基坑中部区域,最大沉降值为 4.33 mm,能确保运营高架站结构的安全。3.3 盖挖段钢管柱施工 大运枢纽 17 轴右线部分、交通核与逆作顶板处均采用盖挖法施工,构造柱为钢管柱桩。钢管柱桩施工方法为:旋挖钻机+HPE 插管机先灌后插法施工。为防止钢管柱下插时桩基混凝土进入钢管内,并减少钢管柱端阻力,在钢管柱底部焊接 1 个圆台形封端板。圆台形封板上口开洞,下口圆板密封。钢管柱吊放至HPE 液压垂直插入机内,由 HPE 液压垂直插入机抱紧钢管柱,并复测钢管柱垂直度,满足要求后在钢管柱的下部安装 1 个位移传感器。开始下放钢管柱时,由于钢管柱的自重,钢管柱能自由下入孔内一定深度。当浮力大于钢管柱质量后,由 HPE 液压垂直插入机将钢管柱抱紧,由液压插入装置的液压下压力将钢管柱下压插入孔内。当插至混凝土顶面后,重新复测钢管柱垂直度。此时,可根据钢管柱下部安装的位移传感器反映到地面电脑上的信号来检测钢管柱的垂直度,满足垂直度要求后继续下压将钢管柱插入至混凝土中。钢管柱顶在地面以下 2.54 m,通过工具柱和钢管柱连接,HPE 插管机通过抱紧和调整工具柱控制钢管柱安装质量,工具柱和钢管柱连接保证二者中心线吻合、连接牢固,工具柱拆装重复使用。3.4 岩溶发育区处理 深圳地铁施工中溶洞处理可借鉴的成熟经验较少,溶洞以预处理为主,主要采用压注水泥浆先处理后施工。溶(土)洞预处理措施应根据施工勘察所揭示的溶洞位置、规模、填充物类型及填充物性质,选择合理的处理方式:1)规模较大的半填充、无填充溶(土)洞可采用压注砂浆、填充低标号混凝土、吹砂+注水泥浆或填充碎石+注水泥浆等方法进行处理;2)规模小于 2 m 的半填充或无填充溶洞,采用注水泥浆处理;3)全填充溶洞采用注水泥浆处理,对于填充物为流塑状粉质黏土或淤泥的溶洞,也可采用旋喷加固处理。3.5 大运站土方和主体施工3.5.1 车站土方开挖方案 车站土方共计 54 万 m3。围护结构施工完成部分后,进行一般土方开挖,并及时施作第 1 道混凝土支撑。土方开挖由两头向中间分层分段、放坡开挖,遵循随撑随挖的原则,日均出土指标不低于 3 000 m3,高峰期出土 5 800 m3。基坑设计第 1 道至第 2 道支撑高度6.4 m,第 2 道至第 3 道支撑高度 7.1 m,第 3 道至第 4道支撑高度 6.3 m,第 4 道至基底高度 4.8 m。计划布置 8 个作业面进行同时装土,每个作业面设 1 台挖机,每台挖机工作范围长 60 m、宽 30 m。14、16 号线车站区域施工时利用交通核部分及西侧场地约 10 000 m2,可容纳土方 20 000 m3,可临时存放约 5 d 的弃渣,以保证车站连续出土。大里程区间明挖段与大运站石方进行爆破施工,采用电子雷管爆破技术,提前对附近结构物进行现场调查,由第三方单位出具评估报告。采用电子数码雷管、控制药量等方法控制爆破震速和飞石,震速采用仪器进行监测、控制,飞石采用覆盖保护措施。尽量在白天爆破,对距离较近的结构物采取橡胶等防护措施。3.5.2 车站主体结构施工 车站采用明挖法施工,主体结构总长 306 m,标准宽度为 63 m。根据复合墙结构的环向施工缝设置间距不宜大于 24 m 的规定,车站主体结构最大分段长度为 24 m,分 4 个工作面进行台阶法平行流水施工。主体结构采用满堂架+侧墙整体钢模组织施工。由于大运枢纽结构横断面变化频繁,不规则,无法采用整体台车进行浇筑,故采用盘扣式脚手架+钢模板进行施工,局部断面变化处或者空间受限处采用扣件式脚手架+木模板进行施工。3.5.3 交通核土方开挖及结构施工方案 交通核部分采用盖挖法施工,开挖采用液压抓斗由顶板出土孔垂直抓土,逐层开挖,基坑内挖机配合抓斗装渣,主体结构材料采用汽车吊垂直运输。交通核区域的围护结构和永久性钢管柱与车站围护结构同步施工,完成后及时施工交通核盖挖区域顶板结构。待车站部分基坑土方开挖完成、中板结构施工完成后,开始施工交通核盖挖部分,挖机配合装土,采用液压抓斗进行垂直提升出土,地面运输车外运。454增刊 1 郭海柱,等:深圳地铁大运枢纽站施工关键技术分析 交通核盖挖段主体结构总长 252 m,最大宽度74.5 m,根据结构布置及结构施工工序合理进行施工段划分。根据地铁设计规范,段长不大于 24 m,施工缝设置于 1/41/3 跨范围,共划分为 17 块板,每层主体结构 3 个工作面组织施工。在盖挖逆作时,开挖土方至板下 2 m,浇筑厚 1015 cm 混凝土垫层,然后搭设 2 m 高矮支架,铺设方木、模板,施作结构板。通过将传统“地模”改变为矮支架,加快了盖挖土方开挖、逆作结构施工进度,提高了结构混凝土的外观质量。结构施工期间质量控制的重点为侧墙混凝土的浇筑、捣固和施工缝的处理,防止结构水平施工缝后期渗漏水,同时基坑开挖和结构逆作过程中,严格按照计划分区段进行施工,待混凝土强度达到设计要求后,进行下一步土方的开挖12。采用盖挖逆作成功控制已建车站结构的变形,最终交通核区域周边地表最大沉降为 28.19 mm,最大水平变形为 22.19 mm。3.6 3 号线车站钢结构改扩建施工3 号线车站钢结构改扩建施工分为:严格按照预先设定的范围要求进行采购,工厂内进行零件和单元构件加工制作,复杂构件进行预拼装,完成底漆、中间漆的涂装,采用公路汽运方式运至现场,现场单根构件直接吊装架设焊接,空间结构需现场拼装完成后再进行吊装,如图 6 所示。同时,采取以下施工关键技术措施。图 6“湾区之舞”钢结构改造示意图Fig.6 Steel structure reconstruction of Wanquzhiwu 1)施工过程中采用 BIM 技术进行模拟及有限元验算。该钢结构屋顶改扩建工程技术含量高,施工难度大,所有的吊装施工必须经过可靠的结构验算后方可实施。工程结构整体与细部模型搭建、临时支撑布置验算、吊装工况的施工模拟、构件安装顺序、支撑卸载顺序等均需经过 BIM 施工模拟及验算后才能进行现场施工。2)严控吊装顺序。按结构楼层由下部结构层依次向上部进行吊装,履带吊需在既有站房两侧站位,进行屋盖雨棚结构吊装,占用东西两侧景观平台位置。东西两侧景观平台部分结构需在南北向屋盖结构合拢后,使用汽车吊穿插进行,其余景观平台与交通核、屋盖雨棚结构同步推进。屋盖结构施工前根据分段位置设置临时支撑,由雨棚南北向同时向中间方向合拢施工,合拢后向东西两侧贯通,只有合拢后才能利用此管桁架为基础,继而向东西延伸结构安装,最终达到东西贯通,即整体屋盖完成安装作业。3)先防护后施工。因新建屋盖结构在现有运营车站上方,施工中会对下方造成危险,必须在新旧屋盖之间搭设防护棚结构后方可进行上部结构施工。防护棚通过车站外延伸平台提前设置的轨道行走到位,不会对既有站台产生大的干扰。4)钢结构防腐防火处理。防腐采用水性无机富锌底漆、环氧富锌底漆(现场补漆)、环氧云铁中间漆、丙烯酸聚硅氧烷面漆及和氟树脂涂料,所有锚具、螺杆、销轴均做电镀锌处理,厚度 30 m。本工程耐火等级为 2 级,各部位钢构件耐火极限如下:柱耐火极限不低于2.5 h,骨架、檩条耐火极限不低于1.5 h。为保证建筑效果,本项目裸露在外的钢构件所采用的防火涂料,在保证耐火极限的前提下,选用薄型防火涂料。3.7 上盖物业开发接口预留为确保上盖物业开发强度,在交通核范围预留上盖物业结构柱,避免后续上盖物业结构无法施工。在地下 1 层、地下 2 层围护结构中预留若干出入口,保证上盖物业地下空间与地铁车站客流互通。4 结论与建议深圳地铁大运枢纽项目地下空间开发过程中,采取了注浆加固、全套筒桩基施工、已运营车站结构变形554隧道建设(中英文)第 43 卷自动化监测、合理分区分块分层开挖土方、灌注桩+混凝土内撑、交通核部分盖挖法施工、钢结构改扩建采用BIM 技术模拟施工、钢结构有限元施工验算等方法,有效保证了已运营车站和新建基坑群的安全,相关施工技术和措施可为同类工程提供借鉴。地铁大型换乘枢纽宜进行站城一体化开发,形成城市新地标或区域中心,其规划设计时宜统筹考虑,同步设计,同步施工,避免后期进行大量的工程改扩建。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 陈湘生,付艳斌,陈曦,等.地下空间施工技术进展及数智化技术现状J.中国公路学报,2022,35(1):1.CHEN Xiangsheng,FU Yanbin,CHEN Xi,et al.Progress in underground space construction technology and technical challenges of digital intelligenceJ.China Journal Highway and Transport,2022,35(1):1.2 洪开荣.我国隧道及地下工程发展现状与展望J.隧道建设,2015,35(2):95.HONG Kairong.State-of-art and prospect of tunnels and underground works in ChinaJ.Tunnel Construction,2015,35(2):95.3 油新华,何光尧,王强勋,等.我国城市地下空间利用现状及发展趋势J.隧道建设(中英文),2019,39(2):173.YOU Xinhua,HE Guangyao,WANG Qiangxun,et al.Current status and development trend of urban underground space in ChinaJ.Tunnel Construction,2019,39(2):173.4 关继发.北京轨道交通一体化开发案例分析J.都市快轨交通,2012,25(5):65.GUAN 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