鐵路高架站房下地鐵車站擴建實施方案研究

蔡建鵬

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鐵路高架站房下地鐵車站擴建實施方案研究

蔡建鵬

廈門地鐵4號線廈門北站站位于高鐵廈門北站高架站房下，為實施 4 號線列車擴編，需對4 號線廈門北站站進行擴建。該站位于高鐵高架站房下承臺樁基之間，結(jié)構(gòu)距離樁基非常近，工程實施條件困難，施工風(fēng)險大。文章對雙層明挖和單層暗挖 2 種方案的可實施性和適用性進行了深入研究，對 2 種方案施工對開挖基坑、鄰近樁基和隧道周邊土體的影響進行模擬分析，提出了相應(yīng)的工程設(shè)計與施工措施。

鐵路高架站房；地鐵車站擴建；實施方案；研究

對于地鐵車站與鐵路站房合建的大型交通樞紐，地鐵車站一般位于鐵路站房下面，并與鐵路站房同期實施，以避免分期實施困難及相互影響過大。對位于鐵路站房下需改擴建的地鐵車站，由于鐵路站房下結(jié)構(gòu)復(fù)雜、墩柱、承臺和樁基礎(chǔ)分布較密，施工凈高有限及施工場地狹窄，地鐵車站擴建會面臨更復(fù)雜的環(huán)境和更不樞紐。4 號線廈門北站站為地下 2 層島式車站，位于高鐵高架站房落客平臺之下，先期已與高鐵高架站房同步建成車站主體結(jié)構(gòu)為單柱雙跨框架結(jié)構(gòu)。 4 號線廈門北站站擴建部分結(jié)構(gòu)位于已建高鐵高架站房落客平臺下方的樁基承臺之間，墩柱、承臺及樁基礎(chǔ)對稱分布于車站結(jié)構(gòu)兩側(cè)，承臺底埋深約 6.8 m，兩側(cè)承臺間最小凈距為 22.3 m。4 號線線路中心與承臺間的最小凈距為 3.65 m，與樁基間的最小凈距為 4.1 m（圖1）。

廈門北站場地原始地貌類型為坡殘積臺地與山前沖洪積谷地，地層自上而下依次有<1-2>素填土層、<8-3>中粗砂層、<11-1>殘積砂質(zhì)粘性土層、<17-1>全風(fēng)化花崗巖層、<17-2>散體狀強風(fēng)化花崗巖層。場地內(nèi)含水巖組主要為風(fēng)化殘積孔隙裂隙含水巖組，一般由砂質(zhì)黏性土組成，弱透水及弱含水層，富水性差，水位埋深一般為 2～8 m，年水位變化幅度約 2～3 m。

1　工程概況

廈門北站為集高鐵站房、地鐵 1、4 號線為一體的大型綜合交通間相互影響明顯，車站結(jié)構(gòu)實施條件困難、風(fēng)險大。為保證工程順利進行，最大程度地減小擴建車站施工對承臺和樁基的影響，本文主要從以下方面進行研究分析：

（1）選擇合理的施工工法。施工工法不同，工期進度、施工難度、風(fēng)險及對周邊環(huán)境的影響也不同。結(jié)合此工程，在保證車站功能的前提下，本文重點研究分析雙層明挖法與單層暗挖法方案的可實施性和適用性；

（2）采取可靠的工程設(shè)計方案和措施。擴建車站與鄰近承臺樁基強相關(guān)，擴建車站開挖施工引起地層損失，對承臺樁基的水平和豎向變形、樁側(cè)摩阻力損失影響較大。根據(jù)不同的工法，提出相應(yīng)的設(shè)計方案與施工措施。

2　研究思路

4號線廈門北站站結(jié)構(gòu)距離高鐵高架站房落客平臺承臺和樁基非常近，且落客平臺下施工凈高有限，工程易控制的施工風(fēng)險。廈門地鐵 4 號線列車由 4輛編組改為6輛編組，先期實施的高鐵廈門北站站主體已無法滿足地鐵功能需求，需對 4號線廈門北站站結(jié)構(gòu)進行改造和擴建。

圖1　擴建地鐵車站與高架落客平臺平面關(guān)系圖

3　雙層明挖擴建方案

高鐵高架站房落客平臺下 4 號線車站為地下 2 層結(jié)構(gòu)，車站結(jié)構(gòu)外輪廓寬約為 21.3 m。4 號線車站擴建采用雙層明挖方案，開挖基坑深度約 20.7 m，寬度約 21.3 m，基坑邊距離承臺最近約 0.468 m，距離樁基礎(chǔ)最近約 0.918 m，樁基為直徑 900 mm的鉆孔灌注樁（圖2）。

3.1技術(shù)方案與措施

雙層明挖擴建4號線車站基坑開挖深度深，地下水位較高，且距離高鐵高架站房落客平臺承臺樁基很近，周邊環(huán)境復(fù)雜，施工場地及空間狹窄，基坑開挖實施困難且施工風(fēng)險高。此方案應(yīng)重點解決基坑圍護結(jié)構(gòu)選型、基坑止水及基坑開挖對鄰近高鐵高架站房落客平臺承臺樁基水平變形影響等問題。

3.1.1圍護結(jié)構(gòu)方案及措施

結(jié)合場地水文地質(zhì)條件、施工凈高及類似工程經(jīng)驗，基坑圍護結(jié)構(gòu)采用直徑 1 000 mm 間距 1 200 mm 的鉆孔樁+樁間旋噴止水+多道內(nèi)支撐的支護型式，與 4 號線既有車站的圍護結(jié)構(gòu)形成封閉基坑，圍護結(jié)構(gòu)施工時需避讓承臺間的橫向基礎(chǔ)梁。

CT-2、CT-3承臺距離基坑邊不足 500 mm，此范圍內(nèi)的基坑無法施作剛度大的鉆孔樁和旋噴樁止水帷幕，采用 DN200 鋼管樁支護。為彌補因支護結(jié)構(gòu)剛度薄弱引起基坑側(cè)壁及土體和承臺樁基水平位移過大、樁側(cè)摩阻力損失、基坑止水封閉性差等問題，降低施工風(fēng)險，鋼管樁外側(cè)及承臺下采用注漿加固地層以提高坑外土體的穩(wěn)定性，減小主動區(qū)土壓力及基坑側(cè)壁水平變形，并增強基坑止水效果和封閉性（圖3）。

圖2　明挖車站與承臺樁基關(guān)系（單位：mm）

3.1.2鄰近承臺樁基保護方案及措施

為降低基坑開挖對鄰近承臺和樁基的影響，采取以下設(shè)計與施工技術(shù)措施（圖4）：

（1）將現(xiàn)狀地面開挖至承臺頂面，開挖深度約4.116 m；

（2）對承臺下、承臺間及周邊土體進行地面注漿加固，減小承臺和樁基受影響范圍內(nèi)主動區(qū)土壓力，降低基坑開挖對樁側(cè)土體的擾動及因樁側(cè)土體位移造成的樁側(cè)摩阻力損失；

（3）相鄰承臺周邊新建鉆孔樁基、承臺，鑿毛原承臺植筋與其澆注為一體，彌補開挖期間原樁基摩阻力及承載力損失，并限制承臺位移；

圖3　圍護結(jié)構(gòu)及樁基平面布置圖

圖4　圍護結(jié)構(gòu)與樁基加固剖面（單位：mm）

（4）開挖期間按特級基坑控制基坑變形及沉降，提高現(xiàn)場施工管理水平，加強基坑水平位移、承臺樁基水平位移、地下水位及地表沉降的監(jiān)測，提高監(jiān)測頻率和監(jiān)測精度，信息化施工。

3.2雙層明挖擴建施工模擬分析

雙層明挖擴建方案基坑開挖施工對鄰近樁基將產(chǎn)生影響，本文采用有限元分析軟件 MIDAS GTS 對基坑開挖及對鄰近樁基變形進行模擬分析。假定基坑開挖卸載加載為二維平面應(yīng)變問題，有限元模型尺寸為60 m×80 m，網(wǎng)格尺寸為 1 m×1 m。對于初始應(yīng)力場，水平土層條件的初始應(yīng)力場采用 K0系數(shù)法，非水平土層情況下需要采用施加重力場法確定初始應(yīng)力。采用 Mohr-Coulomb 模型作為土體本構(gòu)模型，有限元模型見圖 5。圖 6、7 給出了基坑和樁基水平位移計算云圖，由圖 6、7 位移云圖可見：

（1）基坑開挖至第 2 道支撐時水平變形為5.57 mm，位于開挖面；開挖至第 3 道支撐時水平變形為 9.74 mm；開挖至基底時水平變形為 10.2 mm，位于第 3 道支撐附近。圍護結(jié)構(gòu)變形呈“大肚子”狀，相對于基坑中心線對稱分布；

（2）基坑開挖至基底時，第1排樁基最大水平變形為 8.4 mm，第 2 排樁基最大水平變形為 6.98 mm，第 3 排樁基最大水平變形為 6.3 mm，第 4 排樁基最大水平變形為 5.7 mm，均位于基底附近，變形趨勢與基坑變形趨勢一致，且滿足變形要求。

圖5　模型網(wǎng)格圖

圖6　基坑水平變形云圖

圖7　樁基水平變形云圖

圖8　暗挖隧道與樁基關(guān)系（單位：mm）

4　單層暗挖擴建方案

根據(jù)廈門北站周邊客流流向及商業(yè)規(guī)劃，4 號線車站地下 1 層空間利用及商業(yè)開發(fā)價值低，因此考慮把 4 號線車站折返線部分移至高鐵高架站房落客平臺之外，車站擴建采取 2 個單洞單線的單層暗挖方案與既有車站連接，如圖 8 所示。

4.1技術(shù)方案與措施

暗挖隧道施工工藝復(fù)雜，施工難度較大，施工技術(shù)要求高，此方案應(yīng)重點解決暗挖隧道施工期間周邊土體的變形，以及隧道開挖對鄰近樁基變形影響的問題。

為減小暗挖隧道施工對周邊土體的擾動及對鄰近樁基的影響，施工前從地面預(yù)注漿加固暗挖隧道及樁側(cè)周邊土體?？紤]到暗挖隧道與樁基礎(chǔ)最小的凈距為 1.056 m，特采取以下設(shè)計與施工技術(shù)措施：

（1）施工前應(yīng)進一步對高架站房落客平臺的基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)型式及現(xiàn)狀進行調(diào)查，并根據(jù)隧道與樁基的距離等條件，預(yù)先制訂可靠的分級應(yīng)急預(yù)案和加固方案，當(dāng)監(jiān)測結(jié)果達(dá)到不同預(yù)警值時，及時采取相應(yīng)措施以保安全；

（2）施工時嚴(yán)格遵守“十八字方針”開挖，洞內(nèi)加強初期支護、進行拱部地層注漿加固，減小拱部應(yīng)力釋放；

（3）隧道開挖時，施做大剛度超前支護，同時加強襯砌剛度，增設(shè)臨時支撐、控制拱腳沉降；

（4）及時進行襯砌與地層之間的填充注漿；（5）必要時對樁基礎(chǔ)進行補強加固等措施；（6）施工時加強監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工參數(shù)和加固措施。

4.2單層暗挖擴建施工模擬分析

采用有限元分析軟件 MIDAS GTS 對單層暗挖方案施工對隧道周邊土體及鄰近樁基變形影響進行模擬分析。假定隧道開挖為二維平面應(yīng)變問題，有限元模型尺寸為 600 m×100 m，網(wǎng)格尺寸為 1.5 m×1.5 m，隧道附近網(wǎng)格加密。對于初始應(yīng)力場，水平土層條件的初始應(yīng)力場采用 K0系數(shù)法，非水平土層情況下需要采用施加重力場法確定初始應(yīng)力。采用 Mohr-Coulomb 模型作為土體本構(gòu)模型，有限元模型見圖 9。圖 10、圖 11 給出了隧道周邊土體和樁基位移計算云圖，由圖 10、圖 11 位移云圖可見：

圖9　模型網(wǎng)格圖

圖10　隧道周邊土體位移云圖

圖11　樁基水平位移云圖

（1）暗挖隧道周邊土體最大水平位移位于隧道頂部和底部，且均為為 1.65 mm；地表最大豎向位移位于隧道正上方附近，為 3.4 mm，且豎向位移曲線呈拋物線狀。

（2）第1排樁基最大水平變形為 1.66 mm，第 2 排樁基最大水平變形為 1.17 mm，第 3 排樁基最大水平變形為 0.98 mm，均位于隧道底以下約 2.0 m處，滿足變形要求。

5　方案比較

根據(jù)2種擴建施工方案的技術(shù)措施及計算分析，高架落客平臺下采用雙層明挖和單層暗挖實施方案擴建4號線車站均具有一定可實施性。雙層明挖基坑穩(wěn)定性差，設(shè)計與施工措施復(fù)雜，施工工藝與技術(shù)要求高，工期長，施工風(fēng)險高，對鄰近樁基影響較大，但車站使用功能更完整、空間利用率更高；單層暗挖法施工措施簡單，工期短，施工風(fēng)險較低，對鄰近樁基影響較小，但車站空間利用不便。

本文綜合考慮本工程工期、設(shè)計、施工技術(shù)措施、風(fēng)險，對周邊結(jié)構(gòu)的影響模擬分析，以及車站功能和周邊規(guī)劃， 建議4號線廈門北站站擴建實施方案采用單層暗挖方案。

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Implementation Scheme for Extension of Metro Stations under Elevated Railway Station Building

Cai Jianpeng

Xiamen North station on Metro line 4 is located under the elevated station building structure of Xiamen North high speed railway station, for the implementation of the line 4 train longer consist, prolong and extension of Xiamen North station on line 4. The station is located between pile foundations of the high speed railway elevated station buildings and the distance of structure is very close to the pile foundation, the conditions for implementation of the project are very difficult, and the construction is at high risks. The paper makes in-depth study on the 2 different implementation schemes and applicability of double open cut and monolayer underground excavation, a simulated analysis is made on the influence of foundation pit excavation, adjacent pile and surrounding soil by the 2 different construction schemes, the paper also puts forward the corresponding engineering design and construction measures.

elevated railway station building, metro station extension, implementation scheme, study

U231

蔡建鵬：中鐵四院勘察設(shè)計院有限公司，工程師，湖北武漢 430065

2015-09-23責(zé)任編輯 朱開明