新建道路近距離平行上穿地鐵車站方案研究

趙　斌， 朱　愷， 阮　松

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司, 北京 100055)

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新建道路近距離平行上穿地鐵車站方案研究

趙斌， 朱愷， 阮松

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司, 北京 100055)

【摘要】新建城市道路近距離上穿地鐵車站，將引起地鐵車站所在土體的隆起，尤其是地下水位較高時(shí)，此時(shí)既要保證下方地鐵的正常運(yùn)營，又要保證上方道路工程的正常施工與經(jīng)濟(jì)性，制定合適的施工方案尤為重要。文章基于成都市西3線道路工程近距離平行上穿地鐵1號(hào)線南延線工程華陽站，通過midas civil 軟件，建立三維模型，并考慮地下水位影響，計(jì)算表明：隨著施工進(jìn)尺(單次開挖長度)的增加，底板隆起值及其縱向影響范圍呈增加趨勢(shì)；在相同施工進(jìn)尺情況下，跨柱開挖引起的隆起值更大，且隨著施工進(jìn)尺的增加，這一現(xiàn)象趨于不明顯；地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段，施工進(jìn)尺按15 m(1.5倍柱距)控制；地鐵車站擴(kuò)大段，施工進(jìn)尺按10 m(1倍柱距)控制。

【關(guān)鍵詞】近距離；平行上穿；地鐵車站；高地下水位

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，城市新建市政工程與地鐵工程產(chǎn)生交叉、上穿等[1]相互影響日益增多。此時(shí)既要保證下方地鐵的正常運(yùn)營，又要保證上方工程的正常施工與經(jīng)濟(jì)合理。關(guān)于這一點(diǎn)，溫鎖林[2]結(jié)合上海東西通道跨越地鐵二號(hào)線工程，提出了采用SMW工法施工基坑圍護(hù)墻和分隔墻將基坑分為若干小基坑，小基坑采用跳倉和分層方式開挖；盧光杰[3]通過數(shù)值模擬，提出對(duì)于上穿工程，夾層土體理論上存在合理的厚度H，使得上穿工程對(duì)既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜荷載綜合影響達(dá)到最優(yōu)；劉歡[4]通過數(shù)值模擬，得出了上穿施工引起地鐵隧道變形規(guī)律，即隨著間距的增加，既有結(jié)構(gòu)變形較??；戴文彬[5]基于西安地鐵，數(shù)值模擬了抽水引起的地鐵隧道變形，并與解析解進(jìn)行對(duì)比，指出抽水對(duì)地鐵隧道變形影響明顯?？梢?，人們對(duì)于上穿地鐵隧道已有了不少研究成果，而對(duì)于上穿地鐵車站的研究并不多見。對(duì)于地鐵車站，其覆土往往較地鐵隧道淺很多，對(duì)于地下水位較高的城市，如成都的地鐵車站常設(shè)置抗浮腳趾、抗拔樁及壓頂梁等抗浮措施，若是在雨季施工，地鐵車站可能產(chǎn)生較大的隆起變形，嚴(yán)重威脅地鐵的正常運(yùn)營。該文基于成都市西3線道路工程近距離平行上穿地鐵1號(hào)線南延線工程華陽站，針對(duì)車站的不同段，提出相應(yīng)的施工方案，既可以保證對(duì)于地鐵車站的安全運(yùn)營，又保證了上方工程的施工與經(jīng)濟(jì)性。

1工程概況與計(jì)算模型

1.1工程概況

西3線道路工程位于成都市高新區(qū)中和片區(qū)，地勢(shì)較平坦，場(chǎng)地較為開闊，有網(wǎng)狀的鄉(xiāng)村公路，交通相對(duì)較便利。該道路工程規(guī)劃紅線寬度30 m，設(shè)計(jì)全長1 214.16 m，類別為城市次干路，路面等級(jí)為高級(jí)路面，交通等級(jí)為重交通。道路工程橫斷面組成為：人行道3.5 m+車道23.0 m+人行道3.5 m，沿規(guī)劃中線對(duì)稱布置。

西3線道路工程在K0+000—K0+240段，與已建的地鐵1號(hào)線南延線華陽站主體平面位置重合。該段西3線道路路面平均高程為479.874 m，道路結(jié)構(gòu)層厚為1.66 m(設(shè)計(jì)土路基以上結(jié)構(gòu)為80 cm厚連砂石加強(qiáng)層+20 cm厚級(jí)配碎石墊層+50 cm厚水泥穩(wěn)定碎石層+16 cm厚瀝青面層)，成型后的路面與車站主體頂面高差約為2.5 m，該范圍內(nèi)車站頂板平均高程為477.339 m(表1)。道路與車站平面及剖面關(guān)系如圖1～圖3所示。

表1　西3線道路與地鐵結(jié)構(gòu)物頂面高程關(guān)系　m

從表1可以看出，路面施工期間，車站上方覆土沿車站主體縱向變化較大，最小處約為0.2 m，最大處約為1.1 m，平均覆土僅為0.79 m。

根據(jù)西3線工程地勘報(bào)告及地鐵工程地勘報(bào)告，車站抗浮水位取地下2.5 m，每1 m水頭浮力按10 kPa考慮。對(duì)主體結(jié)構(gòu)取縱向1 m長度進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。道路施工時(shí)，上部覆土厚按0.79 m考慮，車站標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面抗浮安全系數(shù)為：K=(結(jié)構(gòu)自重+覆土)/水浮力=(2 237.2+374.46)/2 705.29=0.96<1.05，不滿足抗浮要求。

圖1　道路與車站平面關(guān)系

圖2　標(biāo)準(zhǔn)段剖面關(guān)系

圖3　擴(kuò)大段剖面關(guān)系

1.2計(jì)算模型

車站標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面尺寸如圖2所示，模型中頂、中、底板采用板單元模擬，中柱、頂縱梁、中縱梁、底縱梁采用梁單元模擬，地層采用受壓彈簧模擬模型如圖4、圖5所示。

圖4　車站模型圖1

1.3計(jì)算參數(shù)

車站主要環(huán)境信息、結(jié)構(gòu)見表2、表3。

表2　結(jié)構(gòu)尺寸　mm

表3　車站環(huán)境信息

1.4計(jì)算荷載

地鐵結(jié)構(gòu)按鋼筋混凝土，容重取25 kN/m3，由程序自動(dòng)加載。結(jié)構(gòu)頂板、側(cè)墻及底板外荷載見表4、表5。

表4　標(biāo)準(zhǔn)段荷載　kN/m2

表5　擴(kuò)大段荷載　kN/m2

(a)標(biāo)準(zhǔn)段

(b)擴(kuò)大段圖5　車站模型圖2

2安全控制指標(biāo)

根據(jù)CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[7]附錄B表B.0.2城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值，隧道豎向位移預(yù)警值為10 mm，控制值為20 mm，隧道變形曲率半徑控制值為15 000 m。

同時(shí)文獻(xiàn)[6]指出意大利國家鐵路規(guī)范對(duì)軌道控制值要求如下：縱向410 m長度內(nèi)絕對(duì)沉降20 mm，10 m縱向長度內(nèi)差異沉降1‰。

本文計(jì)算時(shí)，與華陽站軌道專業(yè)負(fù)責(zé)人溝通協(xié)調(diào)，考慮到軌道的可調(diào)整空間，認(rèn)為10 mm及縱向變形曲率半徑R≥15 000 m作為安全控制指標(biāo)是合理的。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1標(biāo)準(zhǔn)段

(1)工況一：施工進(jìn)尺10 m時(shí)荷載示意見圖6、圖7。

圖6　柱間開挖

圖7　跨柱開挖

(2)工況二：施工進(jìn)尺15 m時(shí)荷載示意見圖8。

圖8　開挖15 m荷載示意

(3)工況三：施工進(jìn)尺20 m時(shí)荷載示意見圖9、圖10。

表6為標(biāo)準(zhǔn)段施工進(jìn)尺與底板隆起值的關(guān)系表?？梢姡弘S著施工進(jìn)尺的增加，底板隆起值及其縱向影響范圍呈增加趨勢(shì)；在相同施工進(jìn)尺情況下，跨柱開挖引起的隆起值更大，

圖9　柱間開挖

圖10　跨柱開挖

且隨著施工進(jìn)尺的增加，這一現(xiàn)象趨于不明顯；當(dāng)施工進(jìn)尺為20 m時(shí)，隆起值已達(dá)10.17 mm，超過控制值；而施工進(jìn)尺為10 m，隆起值為6.40 mm，距離控制值較大；同時(shí)三種施工進(jìn)尺情況的縱向變形值都小于相應(yīng)的縱向變形允許值。

表6　標(biāo)準(zhǔn)段施工進(jìn)尺與隆起值關(guān)系

注：表中縱向變形允許值是以R=15 000 m作為計(jì)算依據(jù)，按各工況下實(shí)際影響范圍作為計(jì)算條件計(jì)算得到的。

表7為標(biāo)準(zhǔn)段施工進(jìn)尺與頂板、中板、底板裂縫寬度關(guān)系表。可見：隨著施工進(jìn)尺的增加，頂板、中板、底板上的彎矩呈增加趨勢(shì)，且底板上彎矩增加最為明顯；在相同施工進(jìn)尺的情況下，跨柱開挖引起的板彎矩增加更大；同時(shí)在三種施工進(jìn)尺條件下，結(jié)構(gòu)頂板、中板、底板的裂縫均能達(dá)到要求。

綜上，對(duì)于車站標(biāo)準(zhǔn)段，縱向開挖施工進(jìn)尺可取為15 m。

3.2擴(kuò)大段

表8為擴(kuò)大段施工進(jìn)尺與底板隆起值的關(guān)系表?？梢姡弘S著施工進(jìn)尺的增加，底板隆起值及其縱向影響范圍呈增加趨勢(shì)；在相同施工進(jìn)尺情況下，跨柱開挖引起的隆起值更大；當(dāng)施工進(jìn)尺為15 m時(shí)，隆起值已達(dá)10.17 mm，超過控制值；同時(shí)三種施工進(jìn)尺情況的縱向變形值都小于相應(yīng)的縱向變形允許值。

表9為擴(kuò)大段施工進(jìn)尺與頂板、中板、底板裂縫寬度關(guān)系表。可見：隨著施工進(jìn)尺的增加，頂板、中板、底板上的彎矩呈增加趨勢(shì)；同時(shí)在三種施工進(jìn)尺條件下，結(jié)構(gòu)頂板、中板、底板的裂縫均能達(dá)到要求。

綜上，對(duì)于車站擴(kuò)大段，縱向開挖施工進(jìn)尺可取為10 m。

3.3討論

對(duì)于地鐵車站而言，因其覆土一般很淺，當(dāng)?shù)叵滤惠^

表7　標(biāo)準(zhǔn)段施工進(jìn)尺與板裂縫寬度關(guān)系

表8　擴(kuò)大段施工進(jìn)尺與隆起值關(guān)系

注：表中縱向變形允許值是以R=15 000 m作為計(jì)算依據(jù)，按各工況下實(shí)際影響范圍作為計(jì)算條件計(jì)算得到的。

表9　擴(kuò)大段施工進(jìn)尺與板裂縫寬度關(guān)系

高時(shí)，去掉車站頂部的覆土對(duì)車站是有明顯影響的，尤其是對(duì)于運(yùn)營中的車站。但車站結(jié)構(gòu)較之地鐵區(qū)間而言，其剛度明顯更大，因此采用合理的施工方案與步序，可以保證車站的安全運(yùn)營。

同時(shí)對(duì)于該類型的工程，應(yīng)當(dāng)盡量安排工期在枯水期進(jìn)行。必要時(shí)，在施工期間采取降水措施，以保證地鐵車站的安全運(yùn)營。

4結(jié)論

西3線道路工程近距離平行上穿既有地鐵車站，目前該工程已順利實(shí)施?；诔啥际懈叩叵滤坏奶攸c(diǎn)，提出了合理的施工方案，并得到以下結(jié)論：隨著施工進(jìn)尺的增加，底板隆起值及其縱向影響范圍呈增加趨勢(shì)；在相同施工進(jìn)尺情況下，跨柱開挖引起的隆起值更大，且隨著施工進(jìn)尺的增加，這一現(xiàn)象趨于不明顯；地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段，施工進(jìn)尺可按15 m(1.5倍柱距)控制；地鐵車站擴(kuò)大段，施工進(jìn)尺可按10 m(1倍柱距)控制。

參考文獻(xiàn)

[1]李兆平,汪挺,鄭昊,等. 盾構(gòu)隧道近距離小角度上穿已建暗挖隧道方案[J]. 都市快軌交通,2008(6):64-68.

[2]溫鎖林. 近距離上穿運(yùn)營地鐵隧道的基坑明挖施工控制技術(shù)[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2010(S2):451-454.

[3]盧光杰. 上穿工程對(duì)既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形影響及控制研究[D].北京交通大學(xué),2008.

[4]劉歡. 地下街上穿施工與既有地鐵隧道相互影響的數(shù)值模擬分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[5]戴文彬. 抽水地面沉降對(duì)地鐵隧道變形的影響研究[D].長安大學(xué),2013.

[6]北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,北京交通大學(xué),中鐵隧道集團(tuán)有限公司.淺埋暗挖法近距離穿越既有地鐵構(gòu)筑物(區(qū)間與車站)關(guān)鍵技術(shù)研究鑒定材料[R].2005.

[7]CJJ/T 202-2013城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[作者簡介]趙斌(1988～)，男，碩士研究生，助理工程師，從事地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

【中圖分類號(hào)】U416.1

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-09-23