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摘要：对天津西站南广场换填工程进行研究，介绍了该工程实施过程中遇到的运营地铁上大面积覆土开挖、近接施工、特殊情况下降水等难点，并给出相应的解决措施。提出了“平衡性”动态降水的理念。实践表明，本工程取得了很好的工程效果及经济效益。
Abstract: The exchange filling project of TianJin West Station is studied. The engineering difficulties of large area excavation, adjacent construction, dewatering with special situation are discussed, corresponding engineering measures are also presented. The balanced dynamic dewatering method concept is proposed. Engineering practice shows that, this project gets good engineering effect and economic benefit.
关键字：泡沫混凝土换填 降水
Key words: foamed concrete; exchange filling; dewatering
中图分类号 : TU377文献标识码： A 文章编号：
1工程概况及地质条件
1.1 工程概况
天津西站交通枢纽工程位于滨海城市--天津市中心城区西北部（红桥区），紧临海河和子牙河，是京沪高铁国家重点工程的重要组成部分，同时也是海河经济发展带上游起点，是天津市规划的重要交通枢纽工程。
南广场公交车场总用地面积约12000m2，场地占压地铁1 号线天津西站站，包含2004 年新建箱体结构和局部上世纪七、八十年代建设的老箱体结构。现状地面标高为大沽高程+2.02m～2.63m，规划地面标高为大沽高程+4.5m 左右，地铁车站上方需增加覆土2～2.5m，增加荷载近50kN/m。
为满足地铁1号线箱体结构顶板压弯裂缝宽度及顶板抗压强度要求，需对地基进行了轻型材料换填处理。
本工程地铁一号线西站采用现浇泡沫混凝土进行换填，换填断面如图1所示。
本工程设计及施建的主导思想是“保证地铁箱体结构隧道及地铁运营安全”，此类工程在天津市乃至国内的市政基础设施建设中尚属首例，可以借鉴的经验非常少。
图1换填剖面图
1.2工程地质及水文地质
该场地位于天津市红桥区，子牙河与南运河之间，属冲积平原，地形平坦。地层主要为第四系全新统人工填土层（Qml），新近沉积层（Q43Nal），第Ⅰ陆相层（Q43al），第Ⅰ海相层（Q42m），第Ⅱ陆相层（Q41al），第Ⅲ陆相层（Q3eal），第Ⅱ海相层（Q3dm），第Ⅳ陆相层（Q3cal）。土性以杂填土、粉质粘土、粉土、粉砂为主，属软弱~中硬土，建筑场地类别为III类，属于建筑抗震不利地段。
场地内地下水类型为潜水和微承压水。潜水层含水厚度为7.80～8.90m；微承压含水层主要为粉土层（⑥）和粉砂层（⑦2）。⑥1粉土、粉砂层含水层厚度为4.00～6.50m，⑥3粉土、粉砂层含水层厚度为1.20～3.50m，⑦2粉砂层微承压含水层厚度为1.50～4.50m。
2工程难点分析
2.1特殊工况下降水施工
地铁近接施工这一特性使得本工程降水施工具有特殊性。水文地质资料表明，滨海地区地下水丰富、水位高程大，且水层渗流水力联系密切，这些对于降水安全、基坑安全，乃至地铁结构安全都是极为不利的。
2.2地铁上部大体积覆土开挖施工
地铁1号线包含2004年新建结构及七、八十年代老箱体部分，未进行结构抗浮方面的设计。泡沫混凝土换填工程首先需将原状覆土挖除，开挖过程中，地铁结构顶板土压力逐渐卸载，直至消除。本工程基坑放坡开挖范围约8800m2，实体换填范围为8180m2，其余部分为放坡退挖需回填部位。开挖范围全部位于既有天津地铁1#线西站站结构箱体上部，如图2所示。
图2放坡开挖平面布置图图
如此程度的在运营中地铁结构上部的施工活动，使得工程实施的每一个阶段都有可能对地铁箱体结构造成扰动影响。
2.3大体积现浇泡沫混凝土换填施工
现浇泡沫混凝土是一种多孔轻质材料，表征其材料特性的有湿密度、泡沫密度、流值、抗压强度、干密度等项目。它的突出特点就是在混凝土内形成泡沫孔，使混凝土轻质化和保温隔热化。
但现浇泡沫混凝土施工时当总换填高度超过1m厚时，需分层施工。
本工程现浇泡沫混凝土工程量约为17000m3。依据现浇泡沫混凝土的材料特性：施工时当总换填高度超过1m厚时，需分层施工。而本工程局部区域设计填筑最大高度为3.65m，需采用多次分層浇筑施工。
3应对方案
3.1 特殊情况下降水
根据天津西站降水经验进行反算，由于地下水引起1cm沉降，地下水位需要降低10m左右，因此根据模型进行反复验算，需要在第⑥层微承压含水层布置降水井。降水井平面布置如图3所示。
图3降水井平面布置图图
由于本项目的难点以及地质情况复杂，为避免过早扰动第⑥层微承压含水层，因此在降水设计上分两步走。第一步，设计10口浅层降水井，其中2口备用井，井深为15m。第二步，设计10口深层降水井，其中2口备用井，井深30m。从而最大程度上满足对本区域的既有1号线结构的隆起控制，又能减少非控制区域的沉降过大问题。
3.2地铁上部大体积覆土开挖
基坑开挖方式多种多样，但无论何种开挖方式，都要遵循“时空效应”，以实现“安全、优质、高效”的目标，为基坑工程增稳增利。
由于西站重点工程的特性，工期、质量要求非常严格，为实现换填工程又快又好的完成，以确保地面配套工程的实施，通过合理配置，优化方案，采取“抽条开挖”结合“同步抽条”的方式，即依据抽条开挖方案，抽条开挖位置同步实施，减少堆载材料的倒运，为土方开挖施工缩减工期，开挖换填平面图如图4所示。
图41#线换填开挖平面图
3.3大体积现浇泡沫混凝土换填
本工程现浇泡沫混凝土工程量约为17000m3。工程局部区域设计填筑最大高度为3.65m，需采用多次分层浇筑施工。并且基坑开挖带工作面的不统一，需进行分块、分段、分层相结合的方式进行现浇泡沫混凝土浇筑施工。
3.4“平衡性”动态降水施工技术
降水施工在加固基坑内和坑底下的土体，提高坑内土体抗力，保持坑内干燥的同时，也会引起非控制区域的地表沉降及对非控制的构筑物产生不利影响。
但本工程将不利化为有利，将本工程的降水施工扩展为“平衡性”，即：通过降低微承压含水层水位，使地铁箱体结构形成沉降趋势，并使得这种主动效应沉降与地铁覆土开挖卸载、大型机械扰动等影响对地铁箱体结构造成的上浮形成关联平衡，找到两者之间的平衡点。
4工程实测及分析
4.1监测项目
为控制箱体隆起变形在允许范围内，确保地铁1号线的运营安全。确定箱体内主要监测：结构及轨道隆沉、结构位移和裂缝观测。地铁1号线监测布点情况见图6。
表1监测项目表
监测对象 监测项目 监测仪器
主体结构 结构隆沉监测 静力水准系统
结构位移监测 全站仪
轨道沉降监测 精密水准仪
结构渗漏水、裂缝观察 裂缝观测仪
轨道几何形位监测 轨道尺
地表沉降监测 精密水准仪
4.2监测措施
监测布点情况如图5所示。要保证监测工程的质量，需要有先进的监测仪器设备及富有经验的工程技术人员。
图5地铁1号线监测布点图
4.3监测结果分析
图6为整个施工过程中，部分结构观测点的沉降变化。图中可以观察到，以监测点位J26、J27、J28结构隆沉总体监测数据曲线为例，可以看出：①.在开挖过程中,结构呈整体上浮趋势。降水后隆起趋势有所回落。换填工序完成后，结构隆沉逐渐趋于稳定；②.开挖带与压载之间呈上浮、回落的波动关系。过程中因压载过大、回载不及时曾造成结构隆沉急剧变化。③.结构隆沉未超过控制标准。
图6一号线部分结构沉降测点沉降历时曲线
5结论
西站南广场运营地铁上部覆土换填工程地理、地质、环境复杂，施工中所采用手段先进，方法正确，措施可靠，为同类工况施工积累了宝贵的经验。本文得出如下结论：
(1)施工过程中研发、优化、总结出的“平衡性”动态降水施工技术、“抽条开挖配合压载”的地体上部大体积覆土开挖施工技术、大体积现浇泡沫混凝土换填施工技术等在保证地铁箱体结构隧道、地铁运营、本体综合施工质量及工期目标实现等方面都起到了重大作用，具有良好的施工效果，
(2)大面积开挖过程中，施工现场环境复杂。在既有地下结构最初的设计提高结构抵抗变形的能力，变被动保护修复为主动抵抗防御，对后续邻近项目施工的经济、安全均大有裨益。
(3)监测数据表明，箱体结构整体呈上浮趋势，但未超出标准控制范围，随后逐步趋于稳定；并在各种不良作用下，日均隆起量报警、上浮回落、数值曲線波动等情况，所以针对施工的动态性、复杂性以及保证既有地铁箱体结构的持续稳定安全等方面我们还需进行更为深入的研究和探讨。
参考文献
1李福海等，《天津站交通枢纽工程副广场工程详细勘察岩土工程勘察报告》，铁道第三勘查设计院有限公司，2009年1月；
2、段东明，复杂条件下地铁车站深基坑降水设计及施工工艺研究，铁道建筑技术，2006年3月；
3、江科，建筑深基坑降水方案研究，山西建筑，2010年36卷第15期；
4、吴林高、李国等，《基坑工程降水案例》，人民交通出版社，2009年；
5、吴林高等，《工程降水设计施工与基坑渗流理论》，人民交通出版社，2003年6月。
作者简介：马玲，女，1980年生人，工程师，现就职于天津地铁建设发展有限公司
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
Abstract: The exchange filling project of TianJin West Station is studied. The engineering difficulties of large area excavation, adjacent construction, dewatering with special situation are discussed, corresponding engineering measures are also presented. The balanced dynamic dewatering method concept is proposed. Engineering practice shows that, this project gets good engineering effect and economic benefit.
关键字：泡沫混凝土换填 降水
Key words: foamed concrete; exchange filling; dewatering
中图分类号 : TU377文献标识码： A 文章编号：
1工程概况及地质条件
1.1 工程概况
天津西站交通枢纽工程位于滨海城市--天津市中心城区西北部（红桥区），紧临海河和子牙河，是京沪高铁国家重点工程的重要组成部分，同时也是海河经济发展带上游起点，是天津市规划的重要交通枢纽工程。
南广场公交车场总用地面积约12000m2，场地占压地铁1 号线天津西站站，包含2004 年新建箱体结构和局部上世纪七、八十年代建设的老箱体结构。现状地面标高为大沽高程+2.02m～2.63m，规划地面标高为大沽高程+4.5m 左右，地铁车站上方需增加覆土2～2.5m，增加荷载近50kN/m。
为满足地铁1号线箱体结构顶板压弯裂缝宽度及顶板抗压强度要求，需对地基进行了轻型材料换填处理。
本工程地铁一号线西站采用现浇泡沫混凝土进行换填，换填断面如图1所示。
本工程设计及施建的主导思想是“保证地铁箱体结构隧道及地铁运营安全”，此类工程在天津市乃至国内的市政基础设施建设中尚属首例，可以借鉴的经验非常少。
图1换填剖面图
1.2工程地质及水文地质
该场地位于天津市红桥区，子牙河与南运河之间，属冲积平原，地形平坦。地层主要为第四系全新统人工填土层（Qml），新近沉积层（Q43Nal），第Ⅰ陆相层（Q43al），第Ⅰ海相层（Q42m），第Ⅱ陆相层（Q41al），第Ⅲ陆相层（Q3eal），第Ⅱ海相层（Q3dm），第Ⅳ陆相层（Q3cal）。土性以杂填土、粉质粘土、粉土、粉砂为主，属软弱~中硬土，建筑场地类别为III类，属于建筑抗震不利地段。
场地内地下水类型为潜水和微承压水。潜水层含水厚度为7.80～8.90m；微承压含水层主要为粉土层（⑥）和粉砂层（⑦2）。⑥1粉土、粉砂层含水层厚度为4.00～6.50m，⑥3粉土、粉砂层含水层厚度为1.20～3.50m，⑦2粉砂层微承压含水层厚度为1.50～4.50m。
2工程难点分析
2.1特殊工况下降水施工
地铁近接施工这一特性使得本工程降水施工具有特殊性。水文地质资料表明，滨海地区地下水丰富、水位高程大，且水层渗流水力联系密切，这些对于降水安全、基坑安全，乃至地铁结构安全都是极为不利的。
2.2地铁上部大体积覆土开挖施工
地铁1号线包含2004年新建结构及七、八十年代老箱体部分，未进行结构抗浮方面的设计。泡沫混凝土换填工程首先需将原状覆土挖除，开挖过程中，地铁结构顶板土压力逐渐卸载，直至消除。本工程基坑放坡开挖范围约8800m2，实体换填范围为8180m2，其余部分为放坡退挖需回填部位。开挖范围全部位于既有天津地铁1#线西站站结构箱体上部，如图2所示。
图2放坡开挖平面布置图图
如此程度的在运营中地铁结构上部的施工活动，使得工程实施的每一个阶段都有可能对地铁箱体结构造成扰动影响。
2.3大体积现浇泡沫混凝土换填施工
现浇泡沫混凝土是一种多孔轻质材料，表征其材料特性的有湿密度、泡沫密度、流值、抗压强度、干密度等项目。它的突出特点就是在混凝土内形成泡沫孔，使混凝土轻质化和保温隔热化。
但现浇泡沫混凝土施工时当总换填高度超过1m厚时，需分层施工。
本工程现浇泡沫混凝土工程量约为17000m3。依据现浇泡沫混凝土的材料特性：施工时当总换填高度超过1m厚时，需分层施工。而本工程局部区域设计填筑最大高度为3.65m，需采用多次分層浇筑施工。
3应对方案
3.1 特殊情况下降水
根据天津西站降水经验进行反算，由于地下水引起1cm沉降，地下水位需要降低10m左右，因此根据模型进行反复验算，需要在第⑥层微承压含水层布置降水井。降水井平面布置如图3所示。
图3降水井平面布置图图
由于本项目的难点以及地质情况复杂，为避免过早扰动第⑥层微承压含水层，因此在降水设计上分两步走。第一步，设计10口浅层降水井，其中2口备用井，井深为15m。第二步，设计10口深层降水井，其中2口备用井，井深30m。从而最大程度上满足对本区域的既有1号线结构的隆起控制，又能减少非控制区域的沉降过大问题。
3.2地铁上部大体积覆土开挖
基坑开挖方式多种多样，但无论何种开挖方式，都要遵循“时空效应”，以实现“安全、优质、高效”的目标，为基坑工程增稳增利。
由于西站重点工程的特性，工期、质量要求非常严格，为实现换填工程又快又好的完成，以确保地面配套工程的实施，通过合理配置，优化方案，采取“抽条开挖”结合“同步抽条”的方式，即依据抽条开挖方案，抽条开挖位置同步实施，减少堆载材料的倒运，为土方开挖施工缩减工期，开挖换填平面图如图4所示。
图41#线换填开挖平面图
3.3大体积现浇泡沫混凝土换填
本工程现浇泡沫混凝土工程量约为17000m3。工程局部区域设计填筑最大高度为3.65m，需采用多次分层浇筑施工。并且基坑开挖带工作面的不统一，需进行分块、分段、分层相结合的方式进行现浇泡沫混凝土浇筑施工。
3.4“平衡性”动态降水施工技术
降水施工在加固基坑内和坑底下的土体，提高坑内土体抗力，保持坑内干燥的同时，也会引起非控制区域的地表沉降及对非控制的构筑物产生不利影响。
但本工程将不利化为有利，将本工程的降水施工扩展为“平衡性”，即：通过降低微承压含水层水位，使地铁箱体结构形成沉降趋势，并使得这种主动效应沉降与地铁覆土开挖卸载、大型机械扰动等影响对地铁箱体结构造成的上浮形成关联平衡，找到两者之间的平衡点。
4工程实测及分析
4.1监测项目
为控制箱体隆起变形在允许范围内，确保地铁1号线的运营安全。确定箱体内主要监测：结构及轨道隆沉、结构位移和裂缝观测。地铁1号线监测布点情况见图6。
表1监测项目表
监测对象 监测项目 监测仪器
主体结构 结构隆沉监测 静力水准系统
结构位移监测 全站仪
轨道沉降监测 精密水准仪
结构渗漏水、裂缝观察 裂缝观测仪
轨道几何形位监测 轨道尺
地表沉降监测 精密水准仪
4.2监测措施
监测布点情况如图5所示。要保证监测工程的质量，需要有先进的监测仪器设备及富有经验的工程技术人员。
图5地铁1号线监测布点图
4.3监测结果分析
图6为整个施工过程中，部分结构观测点的沉降变化。图中可以观察到，以监测点位J26、J27、J28结构隆沉总体监测数据曲线为例，可以看出：①.在开挖过程中,结构呈整体上浮趋势。降水后隆起趋势有所回落。换填工序完成后，结构隆沉逐渐趋于稳定；②.开挖带与压载之间呈上浮、回落的波动关系。过程中因压载过大、回载不及时曾造成结构隆沉急剧变化。③.结构隆沉未超过控制标准。
图6一号线部分结构沉降测点沉降历时曲线
5结论
西站南广场运营地铁上部覆土换填工程地理、地质、环境复杂，施工中所采用手段先进，方法正确，措施可靠，为同类工况施工积累了宝贵的经验。本文得出如下结论：
(1)施工过程中研发、优化、总结出的“平衡性”动态降水施工技术、“抽条开挖配合压载”的地体上部大体积覆土开挖施工技术、大体积现浇泡沫混凝土换填施工技术等在保证地铁箱体结构隧道、地铁运营、本体综合施工质量及工期目标实现等方面都起到了重大作用，具有良好的施工效果，
(2)大面积开挖过程中，施工现场环境复杂。在既有地下结构最初的设计提高结构抵抗变形的能力，变被动保护修复为主动抵抗防御，对后续邻近项目施工的经济、安全均大有裨益。
(3)监测数据表明，箱体结构整体呈上浮趋势，但未超出标准控制范围，随后逐步趋于稳定；并在各种不良作用下，日均隆起量报警、上浮回落、数值曲線波动等情况，所以针对施工的动态性、复杂性以及保证既有地铁箱体结构的持续稳定安全等方面我们还需进行更为深入的研究和探讨。
参考文献
1李福海等，《天津站交通枢纽工程副广场工程详细勘察岩土工程勘察报告》，铁道第三勘查设计院有限公司，2009年1月；
2、段东明，复杂条件下地铁车站深基坑降水设计及施工工艺研究，铁道建筑技术，2006年3月；
3、江科，建筑深基坑降水方案研究，山西建筑，2010年36卷第15期；
4、吴林高、李国等，《基坑工程降水案例》，人民交通出版社，2009年；
5、吴林高等，《工程降水设计施工与基坑渗流理论》，人民交通出版社，2003年6月。
作者简介：马玲，女，1980年生人，工程师，现就职于天津地铁建设发展有限公司
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。