地鐵車站預(yù)留遠(yuǎn)期線路下穿條件設(shè)計

張 鑫 犇

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

我國城市軌道交通建設(shè)已處于快速發(fā)展期。除了北京、上海、天津、廣州、深圳等大型城市已具有較為成熟的軌道交通網(wǎng)絡(luò)外，不少中小城市也正在進(jìn)行軌道交通規(guī)劃、籌建或建設(shè)。由于地鐵土建工程的特點，前期已實施的線路會對遠(yuǎn)期線路建設(shè)產(chǎn)生諸多限制因素，這就要求在地鐵建設(shè)規(guī)劃上具有一定的前瞻性，在設(shè)計和施工中對遠(yuǎn)期線路的實施有所預(yù)留，否則在遠(yuǎn)期線路的實施過程中可能會面臨較大的投資和較高的風(fēng)險。

新建線路隧道下穿已有車站工程是其中一種情形。在車站建設(shè)時，根據(jù)遠(yuǎn)期規(guī)劃的指導(dǎo)，對遠(yuǎn)期線路穿越條件進(jìn)行預(yù)留，可以減小遠(yuǎn)期線路實施時的風(fēng)險，減少投資，同時也可以將遠(yuǎn)期線路實施時對本線路運營的影響控制在允許范圍以內(nèi)。本文以某市新建地鐵1號線車站為例，介紹針對預(yù)留條件的相關(guān)設(shè)計方案。

1 工程概況

本案例為地下二層車站，沿城市主干道下方南北向敷設(shè)，車站主體規(guī)模291.5 m×18.3 m(標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)凈)，標(biāo)準(zhǔn)段埋深約16.8 m。基坑采用地下連續(xù)墻+支撐的圍護形式。標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻厚800 mm，插入深度30.90 m。

車站基坑圍護結(jié)構(gòu)于2018年2月開工；2018年4月按照線網(wǎng)規(guī)劃，相關(guān)管理部門要求設(shè)計考慮預(yù)留遠(yuǎn)期線路下穿條件并對設(shè)計方案作相應(yīng)調(diào)整，此時已有部分處于預(yù)留范圍內(nèi)的地下連續(xù)墻按原施工圖施工完畢，這增加了本站設(shè)計預(yù)留方案的復(fù)雜性。

2 工程地質(zhì)及水文條件

在本站勘察深度65.45 m埋深范圍內(nèi)分布的地層分別為第四系全新統(tǒng)(Q4)地層、第四系上更新統(tǒng)(Q3)地層，自上而下可分為5個工程地質(zhì)單元層，6個亞層。具體情況如下：

1)擬建場地地基土分布自上而下如下：①填土、①a淤泥、③1粉砂夾粉質(zhì)粘土、③2粉砂、④1粉質(zhì)粘土、④2粉質(zhì)粘土、⑤1粉砂夾粉質(zhì)粘土、⑤1t粉質(zhì)粘土夾粉砂。

2)車站坑底位于第③2粉砂層，圍護墻底位于第④1粉質(zhì)粘土層中。

潛水主要埋藏于①層填土、③1層粉砂夾粘質(zhì)粉土、③2層粉砂層中，穩(wěn)定水位埋深為1.00 m～2.20 m。本工點勘察深度范圍內(nèi)揭示的承壓水層為第Ⅰ層承壓水層，第Ⅰ層承壓水主要埋藏于第⑤1層粉砂夾粉質(zhì)粘土中。經(jīng)計算，本站坑底抗突涌安全系數(shù)滿足要求，不需要降承壓水。

3 預(yù)留下穿條件方案設(shè)計

3.1 概況

根據(jù)當(dāng)?shù)鼐€網(wǎng)規(guī)劃，遠(yuǎn)期線路將在本站站臺中心線附近位置下穿，相對關(guān)系圖如圖1所示。因此需要在此處做相應(yīng)預(yù)留措施。

遠(yuǎn)期線路隧道距離本期實施車站底板下約2 m，穿過車站東西兩側(cè)各5幅地墻。由于線網(wǎng)規(guī)劃出臺的滯后性，車站西側(cè)5幅地墻已按原施工圖設(shè)計施工，未預(yù)留玻璃纖維筋，且地墻接頭采用的是H型鋼。這增加了本次設(shè)計方案調(diào)整和遠(yuǎn)期施工的復(fù)雜性,見圖2。

根據(jù)本站的特點以及目前的施工狀況，設(shè)計方案從以下幾個方面進(jìn)行考慮遠(yuǎn)期線路下穿預(yù)留條件。

3.2 遠(yuǎn)期線路盾構(gòu)穿越地下連續(xù)墻

遠(yuǎn)期線路的高度處于坑底以下地墻范圍內(nèi)，需要穿過本期實施車站的東西兩側(cè)各5幅地下墻。由于國內(nèi)外目前尚無盾構(gòu)直接穿越鋼筋混凝土地下連續(xù)墻的工程案例，該范圍內(nèi)地墻預(yù)留范圍內(nèi)地墻需要采用玻璃纖維筋代替普通鋼筋，地墻接頭采用鎖口管。由于本工程所處的土層以砂性土為主，為了保證地墻接頭處的止水效果，在地墻接縫位置設(shè)置旋噴樁止水。

在遠(yuǎn)期線網(wǎng)規(guī)劃確定前，設(shè)計方案還未及時調(diào)整時，已有一側(cè)地下墻按原施工圖施工，未預(yù)留玻璃纖維筋和柔性接頭。這對于遠(yuǎn)期線路穿越地下墻的施工造成了困難。因此設(shè)計對此進(jìn)行了相應(yīng)的研究，并提出以下兩套方案進(jìn)行比選：

方案一：遠(yuǎn)期車站端頭井緊挨本站，盾構(gòu)工籌按接收考慮以減小實施風(fēng)險。在盾構(gòu)接收前從遠(yuǎn)期車站內(nèi)側(cè)將洞門鑿除。洞門外側(cè)即本期車站坑底一側(cè)的土體需要在本期實施車站基坑圍護結(jié)構(gòu)實施時進(jìn)行旋噴加固，加固的深度需要覆蓋洞圈，以確保洞門打開時土體的穩(wěn)定，以控制車站結(jié)構(gòu)變形，避免施工風(fēng)險。

該方案的優(yōu)點是對現(xiàn)有車站設(shè)計方案、施工工期、造價影響較小，但是會較大程度上限制遠(yuǎn)期車站的布置。

方案二：由于目前為止本站基坑尚未開挖，有條件在現(xiàn)有的已施工的鋼筋混凝土地下墻外側(cè)重新布置預(yù)留玻璃纖維筋和柔性接頭的地下墻，然后采用回旋鉆機將已施工的鋼筋混凝土地下墻清除。該方法對遠(yuǎn)期車站的布置影響小，未來實施的代價也較小，但是會增加現(xiàn)有車站施工工期、費用、施工難度。

經(jīng)過以上分析，權(quán)衡方案一和方案二對現(xiàn)有車站和未來實施車站的利弊后，最終選擇方案一來解決遠(yuǎn)期隧道穿越已實施的鋼筋混凝土地下墻的問題。

3.3 坑底土體加固

由于洞口從外向里鑿除時，背后一側(cè)車站坑底下方土體有失穩(wěn)的風(fēng)險；在掘進(jìn)過程中，既有車站底板以下的土體會產(chǎn)生變形，影響車站的安全運營?；谝陨峡紤]，需要對預(yù)留范圍內(nèi)坑底以下土體進(jìn)行加固。

通過對國內(nèi)外不同土體加固方法的調(diào)研，決定采用旋噴樁對坑底以下土體進(jìn)行加固。此處需要對洞門鑿除工況土體穩(wěn)定和強度進(jìn)行計算[1,2]。

3.3.1滑移穩(wěn)定計算

在地墻洞圈鑿除工況，墻后的土體在其自重作用下，可能沿某滑動面向洞內(nèi)產(chǎn)生滑動。將產(chǎn)生滑動的各力對滑動中心取矩，得到滑動力矩Ms的計算公式為：

Ms=Ms1+Ms2

(1)

其中，Ms1為上覆土體自重引起的下滑力矩，計算公式如下：

(2)

Ms2為圓弧滑動面內(nèi)土體自重引起的下滑力矩，計算公式如下：

(3)

式中：γ——土體重度；

H——上方土體高度；

D——洞圈直徑。

抵抗土體滑動的力由滑動面上土體的抗剪強度和加固體的抗剪強度組成。抵抗力矩簡化計算公式如下：

(4)

式中：γ——土體重度；

c——未加固土體的粘聚力;

Cu——加固土體的粘聚力；

θ——加固區(qū)厚度對應(yīng)的角度。

考慮一定安全系數(shù)的滑移穩(wěn)定條件為：

Mr≥K0·Ms

(5)

將式(1)，式(3)代入式(5)，求出加固區(qū)厚度對應(yīng)的角度θ后，可以按式(6)求得加固區(qū)厚度t：

t=D·sinθ

(6)

根據(jù)滑移穩(wěn)定計算要求，墻后加固土體厚度至少需要2.1 m。

3.3.2強度計算

對于加固土體的受彎，一般是采用彈性力學(xué)薄板模型，將加固土體看作是周邊簡支的彈性薄板，受土壓和水壓作用。板中心的最大彎曲應(yīng)力驗算：

式中：μ——泊松比；

po——土壓和水壓作用;

Cu——加固土體的粘聚力；

θ——加固區(qū)厚度對應(yīng)的角度；

σt——加固土體的極限抗拉度。

板邊緣最大剪應(yīng)力驗算：

其中，τt為加固土體的極限抗剪強度。

根據(jù)驗算結(jié)果，滿足抗彎強度的加固區(qū)厚度至少為3.01 m，滿足抗剪強度的加固區(qū)厚度至少為1.10 m。

根據(jù)該計算結(jié)果，坑底加固方案如下：坑底采用旋噴樁加固，28 d齡期無側(cè)限抗壓強度不小于1.0 MPa。離地墻3.5 m范圍以內(nèi)土體加固深度為10.5 m(范圍覆蓋洞圈四周3 m的土體)，坑底預(yù)留范圍內(nèi)其余部分加固深度為4 m。

3.4 底板設(shè)置工程樁

由于遠(yuǎn)期線路盾構(gòu)區(qū)間在坑底掘進(jìn)時，坑底土體承載力有一定的損失，為了確保結(jié)構(gòu)安全，滿足運營所需的沉降控制要求，需要增加工程樁來承受車站主體荷載作用，因此在坑底增設(shè)鉆孔灌注樁。灌注樁的承載力需要能承受隧道范圍內(nèi)的車站荷載。

根據(jù)上述原則進(jìn)行抗壓承載力驗算，確定增設(shè)工程樁具體方案如下：在底板下預(yù)留隧道兩側(cè)各設(shè)置一排鉆孔灌注樁共計12根，樁徑1 000 mm，樁長37 m，樁端進(jìn)入⑤1粉砂夾粉質(zhì)粘土3 m。灌注樁距離預(yù)留隧道凈距2.3 m,見圖3。

4 結(jié)論和建議

根據(jù)線網(wǎng)規(guī)劃，本站從以下幾個方面對遠(yuǎn)期盾構(gòu)下穿條件進(jìn)行了預(yù)留：1)為了確保遠(yuǎn)期線路施工期間本車站的結(jié)構(gòu)安全，滿足運營所需的沉降控制要求，充分考慮遠(yuǎn)期線路在坑底盾構(gòu)施工期間，坑底土體承載力的減弱帶來的影響，在底板以下設(shè)置工程樁，通過工程樁承受穿越范圍內(nèi)車站局部的荷載；并對坑底土體進(jìn)行了加固，通過坑底土體加固控制變形。2)在下穿范圍內(nèi)的地下墻中預(yù)留玻璃纖維筋，采用柔性接頭，以便于遠(yuǎn)期盾構(gòu)穿越。對于由于設(shè)計方案調(diào)整的滯后，現(xiàn)場未及時預(yù)留的鋼筋混凝土地下墻，設(shè)計提供了相應(yīng)的解決方案，對遠(yuǎn)期車站的布置提出了相應(yīng)的要求。

參考文獻(xiàn)：

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