全暗挖十字換乘地鐵車站交叉節(jié)點施工方案比選——以長春地鐵1號線解放大路站為例

田茂國

(中鐵十八局集團三公司，河北 涿州 072750)

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全暗挖十字換乘地鐵車站交叉節(jié)點施工方案比選
——以長春地鐵1號線解放大路站為例

田茂國

(中鐵十八局集團三公司，河北 涿州 072750)

摘要：隨著地鐵軌道交通的迅猛發(fā)展，越來越多的換乘節(jié)點工程必然出現(xiàn),也將出現(xiàn)更多的樞紐換乘車站施工技術(shù)問題。在全暗挖十字換乘地鐵車站交叉節(jié)點施工方案設(shè)計上，就存在多種方案可以選擇，為了達(dá)到控制地表沉降，確保路面行人及行車安全的目的，本文以長春地鐵1號線解放大路站交叉節(jié)點施工方案比選為例，從沉降量大小、關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)力分布和土體塑性區(qū)變化等主要因素進(jìn)行詳細(xì)分析,得出了從襯砌端破馬頭門施工連接段的最優(yōu)方案，為今后換乘車站及其關(guān)鍵節(jié)點施工技術(shù)提供技術(shù)和經(jīng)驗的指導(dǎo)，同時指導(dǎo)類似的工程設(shè)計及施工，促進(jìn)地鐵軌道交通施工技術(shù)的快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：全暗挖十字換乘地鐵車站； 交叉節(jié)點； 施工技術(shù)； 施工方案； 數(shù)值模擬

0引言

全暗挖施工同步建造十字交叉換乘車站的技術(shù)首次應(yīng)用于北京地鐵黃莊站。新技術(shù)可一次性完整地形成拱頂和基礎(chǔ)底板，有效控制地面沉降及群洞效應(yīng)，減少結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換次數(shù),提高施工安全性，而且二襯結(jié)構(gòu)分塊少、施工縫少，施工速度快。但是，由于新工法提出時間尚短，還需大量成功的工程經(jīng)驗補充和推廣[1~4]。長春地鐵解放大路站是繼北京黃莊站、沈陽青年大街站后國內(nèi)又一座全暗挖十字交叉換乘地鐵車站，兩線主體、附屬結(jié)構(gòu)形成復(fù)雜洞群。施工中地層反復(fù)擾動，地層、結(jié)構(gòu)受力、變形規(guī)律復(fù)雜，特別在交叉節(jié)點區(qū)，較普通暗挖站風(fēng)險有成倍增加[5~7]。本站站址場地地質(zhì)條件復(fù)雜，存在大量不良地質(zhì)體，暗挖車站上方存在大量的管線，對暗挖車站施工引起的沉降要求非常嚴(yán)格。在不影響車站使用功能的情況下，為尋求換乘節(jié)點處結(jié)構(gòu)型式及受力簡單、深度和斷面小、地表沉降和施工風(fēng)險較小，并對地下管線影響最小的施工方案，就必須對全暗挖車站十字交叉換乘節(jié)點結(jié)構(gòu)體系的施工工法、結(jié)構(gòu)型式及受力特點、地表沉降及施工安全風(fēng)險進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究。

1工程概況

長春地鐵1號線解放大路站位于人民大街與解放大路十字路口交匯處，為地鐵1號線和2號線換乘車站。1號線車站主體為島式站臺，為標(biāo)準(zhǔn)雙層、三跨拱頂直墻結(jié)構(gòu)，采用一次扣拱暗挖逆作法施工，上方為站廳層，下方為站臺層。2號線車站主體為側(cè)式站臺，為標(biāo)準(zhǔn)雙層、雙跨拱頂直墻結(jié)構(gòu)，采用6導(dǎo)洞PBA工法施工，上方為站臺層，下方為站廳層。1號線車站主體雙層段與2號線車站主體采用單層段連接，兩側(cè)單層段各長15 m，采用側(cè)洞法施工。換乘通道連接2號線站臺層和1號線站廳層，此設(shè)計形式換乘十分便捷。具體見圖1。

(1.3象限方向為2號線車站主體，

本車站擬建廠區(qū)附近多為人工填土和粉質(zhì)粘土。大部分填土為近百年內(nèi)形成，厚度不均，土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，容易發(fā)生失穩(wěn)坍塌造成事故或延誤工期。車站結(jié)構(gòu)頂部覆土為8.8~9.8 m，依次為路面結(jié)構(gòu)層(厚約0.8 m)、雜填土層(厚約2.5~3.0 m)及粉質(zhì)粘土層(厚約4.0~6.5 m)，其中粉質(zhì)粘土呈可偏軟塑狀態(tài)，局部呈軟塑狀態(tài)，施工時的震動可能會使尚未密實的土體發(fā)生塌方，對洞室和鄰近建(構(gòu))筑物產(chǎn)生影響。此外，廠區(qū)內(nèi)人防通道范圍較大，且地下消防水柜深埋、區(qū)域不明，對擬建車站出入口具有一定影響。

2施工方案和模型建立

2.1施工方案

根據(jù)車站主體結(jié)構(gòu)和工程實際情況設(shè)計出4套施工方案，計算范圍僅考慮2號線主體和1號線單層段，具體如下：

方案1：先施工2號線，待2號線施工完成后施工連接1、2號線的單層結(jié)構(gòu)，單層結(jié)構(gòu)從2號線破除襯砌進(jìn)洞施工。

方案2：先施工2號線，待2號線施工完成后施工連接1、2號線的單層結(jié)構(gòu)，單層結(jié)構(gòu)從1號線破除襯砌進(jìn)洞施工。

方案3：先施工2號線，待2號線初期初支完成，施工單層結(jié)構(gòu)，單層結(jié)構(gòu)從2號線破除初支進(jìn)洞施工，單層結(jié)構(gòu)完成后繼續(xù)施工2號線。

方案4：先施工2號線，待2號線初期初支完成，施工單層結(jié)構(gòu)，單層結(jié)構(gòu)從1號線端部開始貫穿2號線，單層結(jié)構(gòu)完成后繼續(xù)施工2號線。

2.2模型建立

由于工程地質(zhì)情況比較復(fù)雜，所以模型簡化為三個土層，假定地表和各土層均勻水平分布，土體材料采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，混凝土材料采用彈性模型模擬。導(dǎo)洞超前支護管棚和小導(dǎo)管注漿簡化為2米厚的注漿加固層。地層和材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化，地應(yīng)力場由自重應(yīng)力自動生成。由于計算中主要考慮交叉節(jié)點處受力轉(zhuǎn)換和位移等指標(biāo)的變化，建模范圍取寬60 m，高40 m，縱向52 m，從最終計算結(jié)果看受邊界條件的影響很小，可忽略，模型共174 227個節(jié)點，165 593個單元[8]。具體模型如圖2、圖3，各土層及加固材料的力學(xué)參數(shù)選取如表1所示，各材料參數(shù)是根據(jù)試驗結(jié)果、現(xiàn)場原位測試并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗綜合確定的。

表1　材料的力學(xué)性能參數(shù)

圖2　地鐵1、2號線交叉節(jié)點模型圖

圖3　解放大路換乘站模型細(xì)節(jié)圖

3結(jié)果分析

首先對以上四種方案進(jìn)行FLAC 3D模擬施工，合理的開挖順序能夠有效的控制主體的沉降，有助于提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本章以沉降量大小、關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)力分布和土體塑性區(qū)變化為主要因素詳細(xì)分析四個方案的優(yōu)劣。

3.1沉降量對比

沉降是地下隧道工程施工方案優(yōu)劣性最明顯的表現(xiàn)之一，F(xiàn)LAC 3D數(shù)值模擬分析后，四種方案的豎向位移沉降如圖4、圖5、圖6及圖7所示。

圖4　方案1最終沉降云圖

由圖4可以看出，方案1最終的豎向沉降為12.669 cm，沉降主要集中在2號線主體和單層結(jié)構(gòu)的拱頂，主體底部土體由于發(fā)生水平方向擠壓而變形為向上隆起；最大沉降在主體交叉處，符合工程實際情況，施工時注意時時監(jiān)測，保證施工順利安全進(jìn)行。

圖5　方案2最終沉降云圖

由圖5可以看出，方案2最終的豎向沉降為12.776 cm，沉降主要集中在2號線主體和單層結(jié)構(gòu)的拱頂，主體底部土體向上隆起，最大沉降在主體交叉處。

由圖6可以看出，方案3最終的豎向沉降為13.064 cm，沉降主要集中在2號線主體和單層結(jié)構(gòu)的拱頂，主體底部土體向上隆起，最大沉降在主體交叉處。

圖6　方案3最終沉降云圖

圖7　方案4最終沉降云圖

由圖7可以看出，方案4最終的豎向沉降為13.732 cm，沉降主要集中在2號線主體和單層結(jié)構(gòu)的拱頂，主體底部土體向上隆起，最大沉降在主體交叉處。綜上所述，完成2號線施工后，再破除襯砌進(jìn)洞施工連接1、2號線的單層結(jié)構(gòu)所引起的沉降要明顯小于先施工單層結(jié)構(gòu)后完成2號線施工的沉降。方案3、4的平均沉降量要比方案1、2的多5.31%。方案1的最終沉降最小，沉降值為12.667 cm，方案2總沉降比方案1多0.84%?？芍绕瞥?號線襯砌，由2號線向1號線方向施工單層結(jié)構(gòu)對控制沉降更加有利。

模型地表沉降監(jiān)測點布置如圖8所示，監(jiān)測1線分析單層結(jié)構(gòu)地表沉降規(guī)律(見圖9)，監(jiān)測2線分析2號線地表沉降規(guī)律(見圖10)，監(jiān)測3線分析單層結(jié)構(gòu)與2號線交叉位置即共同作用最大處的沉降規(guī)律(見圖11)。

圖8　模型地沉降表監(jiān)測點布置圖

圖9　監(jiān)測1線地表沉降對比

圖10　監(jiān)測2線地表沉降對比

圖11　監(jiān)測3線地表沉降對比

單層結(jié)構(gòu)受2號線開挖的影響，整體沉降較大，四種方案地表沉降對比可知方案1最優(yōu)。

3.2應(yīng)力分布對比

應(yīng)力分布是施工方案比選的另一項重要參考依據(jù)，直接顯示出結(jié)構(gòu)是否安全。合理的施工步序?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)的安全有著非常大的影響。方案1整體施工完成后z方向上的應(yīng)力如圖12所示。

圖12　方案1完成后z方向上的應(yīng)力分布圖

方案1導(dǎo)洞開挖完成后，應(yīng)力集中變形為最大壓應(yīng)力在導(dǎo)洞中間初支，其值為1.71 MPa，拱頂最大拉應(yīng)力5.15 MPa。施作頂中二襯后，最大壓應(yīng)力1.54 MPa還是集中在導(dǎo)洞中間初支和拱腳，拱頂最大拉應(yīng)力0.6 MPa，應(yīng)力減小說明二襯起到了很好的支撐作用。施作中板后，應(yīng)力集中變形在中柱上，最大壓應(yīng)力為2.26 MPa。底板完成后，最大壓應(yīng)力轉(zhuǎn)移到底板中柱，其值為2.25 MPa。二襯開口施作單層結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中變形在交叉節(jié)點處，最大壓應(yīng)力4.45 MPa；中柱壓應(yīng)力增大為3.5 MPa。壓應(yīng)力明顯增大，說明施作單層結(jié)構(gòu)對2號線車站影響較大，實際施工時注意實時監(jiān)測。整體結(jié)構(gòu)完成，從圖12中可以看到,在2號線主體中柱及拱頂有較大的壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在2號線與單層結(jié)構(gòu)的交叉節(jié)點，最大應(yīng)力為4.26 MPa，說明在車站支護上施作單層結(jié)構(gòu)處會產(chǎn)生應(yīng)力集中。在實際施工過程中需要加強對開口處的監(jiān)測監(jiān)控，確保施工的安全進(jìn)行。

方案2中所有施工步序中的應(yīng)力都要比方案1大，而方案4的應(yīng)力集中表現(xiàn)最明顯，最大壓應(yīng)力為5.51 MPa，比方案1的應(yīng)力多出29.34%；方案2最大壓應(yīng)力也明顯小于方案3。由此可以分析出二襯結(jié)構(gòu)完成后再進(jìn)行單層結(jié)構(gòu)施工，對控制土體沉降更為有利。

3.3塑性區(qū)分布對比

比較四種方案主體結(jié)構(gòu)周圍土體的塑性區(qū)分布情況，模擬結(jié)果如圖13至16所示。

圖13　方案1土體塑性區(qū)分布

圖14　方案2土體塑性區(qū)分布

圖15　方案3土體塑性區(qū)分布

圖16　方案4土體塑性區(qū)分布

從圖13中可知，土壓力區(qū)的土體向洞內(nèi)有水平位移，使背后土體水平應(yīng)力減小，剪力增大，出現(xiàn)塑性區(qū)；而在導(dǎo)洞開挖面以下被動土壓力區(qū)的土體向洞內(nèi)有水平位移，使坑底土體水平方向應(yīng)力加大，以至洞底土體的剪應(yīng)力增大而發(fā)生水平方向擠壓和向上隆起，在主體底處形成局部塑性區(qū)。從圖中可看出，隨著開挖深度的增加，導(dǎo)洞內(nèi)外土體塑性區(qū)呈逐漸擴大的趨勢。由開挖到二襯支撐完成后的土體塑性區(qū)主要集中在2號線拱頂附近和單層結(jié)構(gòu)邊墻周圍。2號線主體開挖完成后，主體拱頂與地表下部3~5 m深土體已連通成一個局部范圍較大的塑性區(qū)，但并未與隧道主體周圍土體形成全部連通的塑性區(qū)，單層結(jié)構(gòu)周邊塑性區(qū)范圍較小。

分別比較圖13和圖14、圖15和圖16，可看出與方案1相比，方案2整體結(jié)構(gòu)完成后主體周圍土體塑性區(qū)分布要大一些；與方案3相比，方案4整體結(jié)構(gòu)完成后主體周圍土體塑性區(qū)分布要大一些。

認(rèn)識塑性區(qū)的規(guī)律，可以合理組織施工方案，有效地控制變形。塑性區(qū)的產(chǎn)生是由于土體的流變性,其發(fā)展與時間有直接的關(guān)系，因此應(yīng)制訂及時有效的施工方案，在土體的塑性區(qū)發(fā)展到危險階段前完成挖土、架設(shè)支撐或澆筑混凝土底板，這樣可以大大減少深基坑施工對周圍環(huán)境的影響。

4實際應(yīng)用

長春地鐵解放大路站實際施工中，選擇方案1，即先施工2號線，待2號線施工完成后施工連接1、2號線的單層結(jié)構(gòu)，單層結(jié)構(gòu)從2號線破除襯砌進(jìn)洞施工。相關(guān)測線現(xiàn)場實際沉降曲線如圖17所示：

圖17　 實際地表沉降曲線

由圖17可知，雖然實際地表沉降槽曲線線型與模擬方案中的線型存在一定出入，但總體來說最終結(jié)果滿足現(xiàn)場要求，由此說明方案1是可行的。

5結(jié)論與討論

以長春地鐵解放大路站十字交叉換乘站為工程背景，采用FLAC 3D數(shù)值模擬的方法，對四種不同的施工順序進(jìn)行比較分析，得出以下結(jié)論：

導(dǎo)洞開挖順序應(yīng)優(yōu)先選擇方案1。方案1與其他三種施工方案相比，施工后的土體塑性區(qū)最小。通過對塑性區(qū)土壓力的分析，可以找到一些有益施工組織的規(guī)律。塑性區(qū)土壓力的變化不是一成不變的，施工組織中可充分利用土壓力的變化規(guī)律，以利于合理組織施工，加快施工進(jìn)程。

由開挖到二襯支撐完成后的土體塑性區(qū)主要集中在2號線拱頂附近和單層結(jié)構(gòu)邊墻周圍。主體開挖完成后，主體拱頂與地表下部3~5 m深土體已連通成一個局部范圍較大的塑性區(qū)，但并未與隧道主體周圍土體形成全部連通的塑性區(qū)。通過以上因素分析，結(jié)合長春地層地質(zhì)條件及本站所處特殊的環(huán)境條件，通過數(shù)值模擬分析車站施工全過程得出，2號線主體二襯結(jié)構(gòu)完成后再由2號線方向進(jìn)行單層結(jié)構(gòu)施工，對控制土體沉降更為有利。

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Research on Construction Technology for Cross Node of

Cross Interchange Subway Stations

——Taking Metro Line 1 Liberation Road Station in Changchun as an Example

TIAN Mao-guo

(The Third Engineering Company of China Railway 18 Bureau Group Co. Ltd, Zhuozhou, Hebei, 072750, China)

Abstract:With the rapid development of Metro Rail Transit, more and more inevitable transfer station project will appear and with lots of problems of the construction technology of transfer hub station. There are lots of schemes to choose about the cross nodes construction of cross interchange metro station by shallow excavation. In order to control the settlement and make sure the safety of pedestrians and driving, the paper takes Metro Line 1 Liberation Road Station in Changchun as the example, analyzes the settlement, the stress distribution of key nodes, the variety of plastic zone of soil and other factors, and gets the optimal solution of constructing connection segment by breaking the horsehead from the lining, which provides the technology and experience for the following construction on interchange stations and the key nodes and guides the similar projects, promoting the development of the railway traffic technology.

Key words:cross interchange metro station by shallow excavation; cross node; construction technology; construction scheme; numerical simulation

基金項目：楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金(A2015047)

中圖分類號：U231+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-9131(2015)04-0025-05

作者簡介：田茂國(1981-)，男，山東省汶上縣人，工程師。研究方向：公路、房建、鐵路、地鐵等領(lǐng)域。

收稿日期：2015-09-06 2015-09-21