暗挖下穿既有隧道的地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計

焦健

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京100037）

暗挖下穿既有隧道的地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計

焦健

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京100037）

受限于周邊場地條件，某地鐵車站下穿既有城市隧道設(shè)置。車站采取了平頂密貼既有隧道底板的結(jié)構(gòu)方案；同時，采用PBA工法施工地鐵車站，先后借助車站主體結(jié)構(gòu)上導洞、車站樁柱體系，與四周土體共同作為既有隧道的臨時支撐體系，保證地鐵施工和運營期間既有隧道的正常運營使用。

地鐵；PBA工法；下穿建筑物

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.005

1 引言

隨著北京市軌道交通線網(wǎng)日益密集，新建地鐵車站所處的環(huán)境也變得越來越復雜。北京地鐵15號線奧林匹克公園站下穿既有的城市隧道設(shè)置。復雜的場地條件給車站結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了困難。

2 工程概況

2.1 站址周邊環(huán)境

奧林匹克公園站位于奧運中心區(qū)，北京市中軸路西側(cè)，大屯路隧道正下方，與大屯路隧道同呈東西向平行布置。

車站東北側(cè)及東南側(cè)為銀杏樹陣；東側(cè)臨近公交換乘節(jié)點、奧運下沉廣場以及南北走向的奧林匹克公園景觀大道；西南側(cè)為國家會議中心，西北側(cè)為綠地。站址周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 站址周邊環(huán)境

2.2 大屯路隧道概況

大屯路隧道位于奧林匹克中區(qū)內(nèi)，西至北辰西路，東至北辰東路，全長約1.84km，隧道結(jié)構(gòu)采用明開挖施工。車站施工影響范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)主要為雙孔閉合框架，隧道的頂、底板均為1.0m，側(cè)墻為0.9m，兩端墻厚0.7m，中隔墻厚0.8m。隧道結(jié)構(gòu)單跨凈寬15.9m，結(jié)構(gòu)凈高7.4m。如圖2所示。

2.3 工程地質(zhì)水文概況

本工程場地勘探范圍內(nèi)的土層劃分為人工堆積層（Qml）、第四紀全新世沖洪積層（Q4al+pl）、第四紀晚更新世沖洪積層（Q3al+pl）三大類，由上至下分別為①粉土填土、①1雜填土、③粉土、③1粉質(zhì)黏土、③2黏土、④粉質(zhì)黏土、⑥粉質(zhì)黏土；車站底板位于⑥粉質(zhì)黏土層。

場地范圍內(nèi)存在4層地下水，地下水類型分別為：上層滯水（一）、潛水（二）、層間水（三）、承壓水（四）。其中，潛水（二）水位位于車站中樓板位置，承壓水（四）水頭位于車站底板以下1m。

3 車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

由于本站位于既有隧道結(jié)構(gòu)下方，地鐵車站常用的3種施工法中，明挖法、蓋挖法在此不具備可實施性，因此只能采用礦山法施工。

下穿既有隧道施工，控制地層沉降，保證既有隧道的結(jié)構(gòu)安全及正常運營，是本站設(shè)計施工的關(guān)鍵所在。在礦山法中，交叉中隔壁法（CRD法）開挖斷面過大，引起地層沉降大，用于本站施工顯然不具備優(yōu)勢；新興的一次扣拱法同樣存在導洞開挖斷面大的問題。較之上述2種工法，PBA工法用于本站則有著獨到的優(yōu)勢：（1）導洞開挖斷面小，對大屯路隧道地基削弱范圍小；（2）若采用平頂車站結(jié)構(gòu)，車站頂板密貼大屯路隧道底板，那么樁柱體系形成后，能夠形成對大屯路隧道的有效支頂。因此，本站選擇采用PBA工法施工。

目前，北京地區(qū)的暗挖車站普遍采取管井降水的方式，而降水作業(yè)也會引起地層及大屯路隧道的沉降，因此盡可能縮短降水周期也是控制大屯路隧道沉降的有效措施之一。

3.2 二襯結(jié)構(gòu)方案

如果按照PBA工法常規(guī)做法，將本站設(shè)計成拱頂車站，為了控制大屯路隧道沉降，車站與大屯路隧道之間必須留有足夠的安全距離。大屯路隧道的底板埋深已經(jīng)達到約12.5m，假定預留5m的安全距離，車站的頂板埋深將達到17.5m。如此大的埋深，會導致車站樁基礎(chǔ)的壓力變得過大，在基底持力層地基承載力fa增長有限的情況下，過大的樁基頂部荷載將增加基礎(chǔ)的設(shè)計難度和工程風險。何況5m的安全距離也很難保證車站施工過程中大屯隧道結(jié)構(gòu)的沉降控制在評估單位限定的允許變形范圍內(nèi)（大屯路隧道評估單位提出隧道的絕對沉降不得大于50mm，隧道中墻與邊墻的差異沉降不得大于8mm）。

因此，考慮將車站設(shè)計成平頂直墻斷面，令車站頂板密貼大屯路隧道底板。不但能夠因為埋深減小而降低設(shè)計荷載，減小車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸；更重要的是，車站頂板密貼大屯路隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠在車站施工過程和運營過程中形成對大屯路隧道的支頂，減小大屯路隧道因地基削弱而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)沉降。

車站主體結(jié)構(gòu)與大屯路隧道的剖面關(guān)系如圖3所示。

圖3 車站主體結(jié)構(gòu)與大屯路隧道橫剖面圖

3.3 臨時支頂結(jié)構(gòu)體系

3.3.1 主體結(jié)構(gòu)導洞

導洞是車站施工的先導結(jié)構(gòu)，在導洞內(nèi)需要完成邊樁、中樁的機械化成孔施工，鋼管混凝土柱的安裝以及冠梁和頂縱梁的澆筑施工；同時，在永久支頂體系形成之前，導洞結(jié)構(gòu)又是上方既有隧道的第一套臨時支頂構(gòu)件。

根據(jù)樁下和柱下是否設(shè)置條基，PBA工法車站可采用8導洞、6導洞、4導洞的結(jié)構(gòu)形式[1]，表1對這3種結(jié)構(gòu)形式做了比選。

表1 導洞方案比選表

從表1比選可以看出，選擇4導洞施工方案對控制大屯路隧道結(jié)構(gòu)變形更為有利。

4個導洞的開挖順序，一般是兩兩一組進行開挖?？梢韵乳_挖1、3號導洞，滯后一個柱距開挖2、4號導洞（導洞編號由一側(cè)邊導洞向另一側(cè)邊導洞依次增加）；也可以先開挖1、4號導洞，滯后一個柱距開挖2號導洞，再滯后一個柱距開挖3號導洞。一般PBA車站對導洞開挖步序沒有特別要求，上述2種方式都可以選擇。而對密貼大屯路隧道施工的本站來說，盡快形成對隧道的支頂體系是至關(guān)重要的。若能在邊導洞貫通后，馬上打設(shè)邊樁、澆筑冠梁，則能初步形成對大屯路隧道的支頂。為了驗證這一思路，采用數(shù)值模擬程序FLAC3D對上述兩種施工步序進行了仿真模擬計算，對計算結(jié)果進行了對比。

根據(jù)場區(qū)的工程地質(zhì)剖面圖，對地層分布進行簡化；根據(jù)地質(zhì)勘察報告中所給的土層相關(guān)參數(shù)，并參考北京地區(qū)其他相關(guān)工程的地質(zhì)資料，確定各個數(shù)值計算模型中地層的厚度和物理力學參數(shù)。

計算模型如圖4所示，其中，車站結(jié)構(gòu)及大屯路隧道結(jié)構(gòu)放大后如圖5所示。

圖4 整體計算模型

模擬施工時主要分為導洞開挖、樁柱體系形成、車站上層開挖、車站下層開挖幾個施工步序。大屯路隧道結(jié)構(gòu)底板在各施工步序產(chǎn)生的沉降如表2、表3所示。

圖5 模型局部

表2 大屯路隧道底板沉降——施工步序一

表3 大屯路隧道底板沉降——施工步序二

由表2、表3對比可見，按照步序一施工比按照步序二施工產(chǎn)生的大屯路隧道沉降略小，因此本站采取如下施工步序：施工1、4號導洞→施工邊樁、冠梁→施工2、3號導洞→施工中樁、結(jié)構(gòu)柱→施工車站其余結(jié)構(gòu)。

為了彌補主體結(jié)構(gòu)導洞開挖對大屯路隧道地基的削弱，需要做好導洞間土體的注漿加固。對導洞間土體的注漿采取從導洞掌子面斜向打設(shè)袖閥管進行后退式注漿，每10m為一

圖6 主體結(jié)構(gòu)導洞間注漿加固范圍

3.3.2 鉆孔灌注樁（邊樁、中樁）

由于邊樁及中樁的豎向剛度遠大于導洞結(jié)構(gòu)，且二者均與上方既有結(jié)構(gòu)密貼，因此樁柱體系形成后，上方既有結(jié)構(gòu)的荷載便經(jīng)由鉆孔灌注樁傳至深層地層中，邊樁與中樁（包括中柱）因此成為第二套臨時支頂構(gòu)件。

中樁采用一柱一樁布置，為軸心受壓構(gòu)件。中樁承受的荷載略大于邊樁所受荷載，且樁距遠大于邊樁樁距，因此中樁選擇大直徑樁。

單樁豎向承載力標準值采取經(jīng)驗公式與現(xiàn)場樁基靜載試驗相結(jié)合的方式獲得。經(jīng)驗公式參照《北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范》（DBJ11—501—2009）式9.2.4，經(jīng)計算，圍護邊樁樁長為13m，柱下中樁樁長依據(jù)地層變化分為30m長和22m長2種規(guī)格。

現(xiàn)場樁基靜載試驗在車站主體結(jié)構(gòu)導洞內(nèi)進行。進行一定數(shù)量的靜載試驗結(jié)果表明，設(shè)計樁長能夠滿足設(shè)計荷載要求。

由于邊樁與中樁所受荷載條件及自身樁徑、樁長均有明顯差別，因此樁頂處的沉降值亦有差別[2]。為了減小車站頂板結(jié)構(gòu)因邊樁與中樁的不均勻沉降而產(chǎn)生過大的彎矩，需控制好邊樁與中樁的不均勻沉降。樁基沉降按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94—2008）中的沉降計算公式計算圍護邊樁及柱下中樁的沉降值。該法采用Mindlin解考慮樁徑影響，計算樁端平面以下的豎向附加應(yīng)力，按單向壓縮分層總和法計算樁端的最終沉降量。邊樁、中樁的沉降計算值分別為10.9mm和22.6mm。

現(xiàn)場樁基靜載試驗中的邊樁和中樁的沉降值分別為3.5mm和5.2mm。

樁基沉降的計算值偏大，認為是由于樁頂豎向荷載在沿樁向下傳遞過程中出現(xiàn)了向周圍土層擴散的現(xiàn)象，導致樁端處的實際荷載遠小于計算荷載。

3.3.3 鋼管混凝土柱

鋼管混凝土柱是第二套臨時支頂構(gòu)件的一部分，但同時也是永久結(jié)構(gòu)柱，是施工和使用過程中的豎向受力構(gòu)件。設(shè)計應(yīng)結(jié)合本工法實際施工過程和受力特點，滿足施工和使用期間各階段的強度、剛度及穩(wěn)定性要求，重點注意以下幾方面。

1）鋼管混凝土柱的定位是施工的一大難點，施工中應(yīng)嚴格控制其定位精度?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，允許定位偏差不大于20 mm，垂直度偏差不宜大于1/500，在柱的承載力計算中應(yīng)考慮施工允許偏差的影響，另外還應(yīng)計及地下車站結(jié)構(gòu)跨度不均衡或施工偏載產(chǎn)生的柱頂彎矩的影響。

2）上下柱腳、中間節(jié)點連接及作用特性。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與其他構(gòu)件之間的連接應(yīng)按剛接結(jié)點進行設(shè)計，對于本工法，鋼管混凝土柱需插入鉆孔灌注樁基礎(chǔ)內(nèi)一定深度，并采取一定的構(gòu)造措施將鋼管柱予以錨固，柱與樁基礎(chǔ)之間的約束作用可視為剛接。鋼管柱與現(xiàn)澆中樓板梁的連接節(jié)點設(shè)計，應(yīng)滿足梁端的剪力傳遞和彎矩傳遞，考慮到地鐵車站箱型框架結(jié)構(gòu)的受力特性，建議采用環(huán)形牛腿+雙梁的結(jié)構(gòu)形式，此形式構(gòu)造簡單、受力明確、施工質(zhì)量易于控制，較適用于地下工程。

4 結(jié)論

1）目前車站已經(jīng)建成通車，從施工的情況來看，大屯路隧道底板沉降基本控制在評估允許值以內(nèi)，局部沉降超過了50mm，位于橫通道進主體結(jié)構(gòu)導洞處的上方。經(jīng)分析是由于橫通道開洞處，洞門處的臨時支頂構(gòu)件（型鋼）未能起到應(yīng)有作用。

2）4導洞的PBA車站在沉降控制方面具有一定的優(yōu)勢，但方案可行與否還受到地層條件與成樁設(shè)備的限制。圍護邊樁與柱下中樁均采用在導洞內(nèi)成樁的工藝，且柱下中樁的尺寸一般較大（本工程中樁直徑為1800mm），若地層中卵石層厚度大，那么在凈空有限的導洞內(nèi)施工如此大的鉆孔灌注樁，對成樁設(shè)備的改造也是一件難度不小的事。在本工程中，樁基穿越地層主要為粉土、粉質(zhì)黏土，采用反循環(huán)鉆機鉆進成孔，樁基施工質(zhì)量還是比較理想的。

【1】楊秀仁.淺埋暗挖洞樁（柱）逆作法設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析[J].都市快軌交通，2012，25（2）:64-68.

【2】王元湘.蓋挖挖逆作法在我國地鐵工程中的應(yīng)用[J].土木工程學報，1996，29（1）:3-14.

The Design of a Metro StationUndercrossing an Existing Tunnel

JIAO Jian
（BeijingUrbanConstructionDesign&DevelopmentGroupCo.Ltd.,Beijing 100037，China）

Limited bythesurroundingsitecondition,ametrostationislocatedunder an existingcitytunnel.To support the above tunnel structure,theflatroofofthestationisintightcontactwiththetunnelfloor.Otherwisethestationisconstructedbypile-beam-archmethod,and duringtheconstructionprocedureofthestation,upperpilotheading,pileandcolumnserveastemporarysupportcomponentssuccessivelyto keepthecitytunnelinnormalcondition.

metro;pile-beam-archmethod;crossunderneathstructure

TU921

B

1007-9467（2016）06-0038-04

2016-02-16

焦?。?981～），男，河北唐山人，工程師，從事地鐵結(jié)構(gòu)工程設(shè)計與研究，（電子信箱）29751153@qq.com。