復(fù)雜環(huán)境條件下富水卵石地層暗挖地鐵車站建造方案研究

李 賀，盧常亙，張仲宇，張興昕，李明皓

(1.北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100176； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

引言

北京地鐵16號線紅蓮南里車站位于蓮花河?xùn)|岸與紅蓮南路交叉路口下，為地下雙層三跨島式站臺車站。由于車站鄰近城市河道布置，車站周邊建筑物均在開挖影響范圍內(nèi)，車站上方地下管線密集，車站穿越的地層為低含砂率的卵石地層，膠結(jié)性能差，自穩(wěn)能力差。因此車站建造方案必須確?！班徑鞘泻拥?、周邊建筑物、周邊地下管線和結(jié)構(gòu)自身”的安全。

車站主體結(jié)構(gòu)原設(shè)計采用8導(dǎo)洞(上下各4個導(dǎo)洞)的暗挖洞樁法(PBA工法)施工[1-6]。PBA工法是北京地鐵暗挖車站一種最重要的施工方法，該方法在北京地鐵車站施工中得到了廣泛的應(yīng)用[7-11]。在對車站賦存環(huán)境條件、圍巖穩(wěn)定性和地下水特征進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，針對原設(shè)計方案存在的問題，提出了單層4導(dǎo)洞PBA工法，并對兩種工法的施工力學(xué)機理進(jìn)行對比分析。

1 車站賦存環(huán)境條件及地質(zhì)特征分析

(1)車站主體密貼城市河道布置，車站出入口暗挖垂直下穿河道，為北京首例。

紅蓮南里車站西側(cè)為蓮花河，車站平行旁穿蓮花河。蓮花河現(xiàn)狀河寬約20 m，水深約0.5 m，車站邊墻距離蓮花河約6.3 m，距離蓮花河底約6 m。車站邊墻結(jié)構(gòu)侵入規(guī)劃河道藍(lán)線約3.25 m。

結(jié)構(gòu)周圍地層的變形會波及到河床位置，很容易在河床底部的地層中產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙，危及河道的安全和結(jié)構(gòu)自身的安全。

(2)車站鄰近建筑物布置，并下穿多條市政管線和工業(yè)管線。

鄰近的建構(gòu)(筑)物主要有車站東側(cè)的小紅廟4號樓、5號樓，西城區(qū)廣安門大隊和紅蓮南路6號院7號樓。

沿車站方向控制性管線主要有：D1050污水管，D406燃?xì)夤?，?00與φ273重油管線兩條，DN400上水管等；沿紅蓮南路方向(垂直于車站方向)控制性管線主要有3 400 mm×2 350 mm污水管溝、DN400上水管等；沿紅蓮南路方向控制性管線主要有：2 000 mm×2 350 mm電力管溝，2 600 mm×1 000 mm雨水方溝，D1050污水管，DN600上水管及新建DN500熱力管線等。

(3)車站圍巖整體穩(wěn)定性差，且進(jìn)入含水層。

車站拱頂位于卵石⑤層，基底位于卵石⑦層和卵石⑨層；由于暗挖施工位于大粒徑卵石層，在大粒徑卵石、隨機分布有漂石的含潛水的敏感地層中，圍巖整體穩(wěn)定性差，成拱困難，容易坍塌。

車站位置主要分布地下水類型為潛水(二)，地下水位高程為21.46～19.43 m，含水層巖性主要為卵石⑦層和卵石⑨層。含水量豐富。主體結(jié)構(gòu)底板高程14.96 m，基底進(jìn)入潛水(二)層6.5 m。車站整個負(fù)二層的開挖都需要考慮如何有效控制地下水的影響。詳見圖1。

圖1 車站地質(zhì)特征縱剖面

綜上所述，車站建造方案的確定應(yīng)考慮到車站圍巖特征和地下水狀況，確?！班徑鞘泻拥?、周邊建筑物、地下管線”的安全和車站施工安全。

2 車站原設(shè)計方案存在問題的分析

車站原設(shè)計方案為8導(dǎo)洞暗挖洞樁法施工，上下各4個導(dǎo)洞(圖2)。該方案存在的主要問題如下。

(1)導(dǎo)洞數(shù)量多，開挖群洞效應(yīng)顯著，疊加沉降大，環(huán)境風(fēng)險大。

8個導(dǎo)洞開挖疊加沉降產(chǎn)生的沉降槽寬度大，沉降值大，由于車站賦存的地層為低含砂率的卵石層，自穩(wěn)能力很差，開挖產(chǎn)生的地層變形會波及到河床、管線和建筑物位置，很容易在河床底部的地層中產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙，危及河道的安全，也容易造成管線破裂，進(jìn)而產(chǎn)生次生災(zāi)害，危及城市道路和周邊建筑物的安全。

(2)卵石地層中導(dǎo)洞開挖與支護(hù)施工效率低，支護(hù)效果差。

車站主體結(jié)構(gòu)拱頂主要位于卵石⑤層，基底主要位于卵石⑦層和卵石⑨層，夾雜著飄石，含砂率低，地層膠結(jié)性能差，圍巖自穩(wěn)性較差，在低含砂卵石地層中施工超前小導(dǎo)管，由于成孔難度大，施工速度慢，同時對地層擾動很大，開挖與支護(hù)施工效率低，支護(hù)效果差。

(3)下層導(dǎo)洞開挖階段地下水控制難度大。

下層4個導(dǎo)洞位于含水地層中，更增加了導(dǎo)洞開挖支護(hù)的難度。

圖2 原設(shè)計的8導(dǎo)洞PBA工法車站結(jié)構(gòu)示意

3 實際采用的單層4導(dǎo)洞的PBA工法建造方案

考慮到8導(dǎo)洞方案的下層4個導(dǎo)洞周圍地層為富水卵石地層，超前支護(hù)難度大，導(dǎo)洞開挖前需要采取降水或注漿堵水措施。紅蓮南里車站初步設(shè)計提出的8導(dǎo)洞的洞樁法不適合本工程情況。經(jīng)過對方案的多次討論比選，提出了由8導(dǎo)洞PBA工法改為單層4導(dǎo)洞PBA工法，結(jié)合上層4導(dǎo)洞和中導(dǎo)洞內(nèi)樁基礎(chǔ)建造地鐵車站的結(jié)構(gòu)方案(圖3)。

圖3 優(yōu)化后的單層4導(dǎo)洞PBA工法車站結(jié)構(gòu)

這種基于單層4導(dǎo)洞和中導(dǎo)洞內(nèi)樁基礎(chǔ)的地鐵車站結(jié)構(gòu)，主要包括：在車站上層設(shè)置4個導(dǎo)洞，在兩側(cè)邊導(dǎo)洞內(nèi)施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊樁，在兩個中導(dǎo)洞內(nèi)施工大直徑樁基礎(chǔ)、車站內(nèi)部的鋼管柱(鋼管柱內(nèi)灌入C50混凝土)及頂縱梁。然后進(jìn)行車站拱部的開挖支護(hù)和二襯施作，在頂拱、邊樁的保護(hù)下，采用逆作法向下逐層開挖土方，施工頂拱二襯、側(cè)墻、中板結(jié)構(gòu)、底縱梁、底板結(jié)構(gòu)，一起組成樁、梁、拱、柱和板的框架支撐體系，承受外部荷載。地鐵車站結(jié)構(gòu)由外邊樁、拱頂初支、拱頂二襯、內(nèi)層二次襯砌、鋼管柱、底縱梁和頂縱梁組成永久的承載受力體系。

這種單層4導(dǎo)洞+導(dǎo)洞內(nèi)大直徑樁基礎(chǔ)PBA工法優(yōu)勢如下。

(1)只需要開挖上層4個導(dǎo)洞，可減少導(dǎo)洞開挖數(shù)量，從而降低暗挖施工對地面沉降的影響。

(2)可實現(xiàn)邊樁對周圍建(構(gòu))筑物的保護(hù)，起到隔離作用。同時又實現(xiàn)暗挖車站的上層導(dǎo)洞、中導(dǎo)洞內(nèi)樁基礎(chǔ)、拱部開挖、拱部二襯施作等大部分工序僅在上層導(dǎo)洞內(nèi)作業(yè)，顯著縮短了降水周期。

(3)可利用上層導(dǎo)洞未進(jìn)入地下水的有利條件，在向下開挖過程中逐步實施地下水處理。

4 兩種PBA工法的施工力學(xué)機理分析

4.1 模型建立

(1)模型尺寸

本文的研究對象為北京地鐵16號線的紅蓮南里站，車站全長262.7 m，主體結(jié)構(gòu)寬22.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段覆土深度13 m。車站主體結(jié)構(gòu)的左上方密貼蓮花河，為確定安全合理的施工方案，采用FLAC3D有限差分軟件，對4導(dǎo)洞和8導(dǎo)洞兩種不同PBA工法的施工力學(xué)機理進(jìn)行比較分析。基于車站的實際規(guī)模，同時為避免計算模型的邊界效應(yīng)，兩個計算模型的尺寸均為：長120 m，寬64 m，高75 m。8導(dǎo)洞模型共劃分226 330個實體單元，233 025個網(wǎng)格節(jié)點；4導(dǎo)洞模型共劃分252 732個實體單元，255 905個網(wǎng)格節(jié)點，數(shù)值計算模型分別如圖4和圖5所示。

(2)模型參數(shù)選取

車站結(jié)構(gòu)和周圍土體均采用實體單元模擬。車站混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，土體材料采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，超前小導(dǎo)管注漿采用提高土體參數(shù)的方式模擬。為了便于建模計算，結(jié)合實際地勘資料和工程狀況，將地層簡化為6層，土體彈性模量按照工程經(jīng)驗，選為壓縮模量的3～5倍[12-16]。地層物理力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)見表1、表2。

圖4 8導(dǎo)洞PBA工法暗挖車站計算模型

圖5 4導(dǎo)洞PBA工法暗挖車站計算模型

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

(3)邊界條件

模型初始地應(yīng)力場僅由土體自重產(chǎn)生，且土層為各向同性的連續(xù)介質(zhì)，計算時不考慮地下水的影響。數(shù)值模型的上表面(地表)為自由邊界，下表面為固定約束，左右和前后表面均為法向約束。

(4)控制點布置

以數(shù)值計算模型的中間截面(y=32 m)為監(jiān)測斷面，分別選取上方地表沉降控制點和車站主體拱頂位置的應(yīng)力計算控制點，如圖6所示。

圖6 地表沉降及拱頂應(yīng)力控制點

4.2 兩種不同PBA工法的施工力學(xué)機理分析

(1)圍巖破壞特征分析

圍巖破壞特征可以通過土體塑性區(qū)分布來表示。土體塑性區(qū)是指土體由于荷載產(chǎn)生壓力超過土體極限承載力，使局部土體產(chǎn)生不可恢復(fù)變形的屈服區(qū)域。8導(dǎo)洞施工方案和4導(dǎo)洞施工方案地層塑性區(qū)分布如圖7和圖8所示。

圖7 8導(dǎo)洞方案塑性區(qū)分布

圖8 4導(dǎo)洞方案塑性區(qū)分布

從圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，塑性區(qū)主要集中在車站開挖斷面周圍土體，且沿開挖輪廓呈不規(guī)則分布。車站四周土體處于剪切塑性狀態(tài)，主要是受車站大范圍土體卸荷而引起的土體剪切破壞所致；遠(yuǎn)離車站的模型邊緣部分基本上處于彈性狀；小導(dǎo)洞周圍以及拱部上方塑性區(qū)較為集中。

對比8導(dǎo)洞和4導(dǎo)洞兩種施工方案的塑性區(qū)分布，可以發(fā)現(xiàn)：8導(dǎo)洞的塑性區(qū)比例明顯大于4導(dǎo)洞，因此8導(dǎo)洞施工方案較4導(dǎo)洞方案對土體的擾動影響更大。由于車站主體結(jié)構(gòu)旁穿蓮花河，從圖中可以看出，8導(dǎo)洞施工方案土體的塑性區(qū)與河道底部貫通，而4導(dǎo)洞方案塑性區(qū)未貫通到河道底部，顯然采用4導(dǎo)洞方案風(fēng)險性更小一些。因此在塑性區(qū)分布方面，4導(dǎo)洞PBA工法要優(yōu)于8導(dǎo)洞PBA工法。

(2)結(jié)構(gòu)應(yīng)力特征分析

PBA工法8導(dǎo)洞方案和4導(dǎo)洞方案的車站結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力云圖如圖9和圖10所示。

圖9 8導(dǎo)洞方案豎向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖10 4導(dǎo)洞方案豎向應(yīng)力云圖(單位：Pa)

兩種方案在拱腳、鋼管柱等部位產(chǎn)生較大壓應(yīng)力。8導(dǎo)洞方案壓應(yīng)力峰值在拱腳部位為2.44 MPa，鋼管柱的最大壓應(yīng)力為15.64 MPa；4導(dǎo)洞方案壓應(yīng)力峰值在拱腳部位為2.24 MPa，鋼管柱的最大壓應(yīng)力為15.62 MPa，均在混凝土和鋼管柱的允許強度范圍內(nèi)。

表3給出了兩種施工方案拱頂豎向應(yīng)力值。從表3可以看出，兩種方案拱頂都受壓應(yīng)力且都小于允許應(yīng)力，兩邊拱所受豎向壓應(yīng)力較大，均大于中間拱頂部位，8導(dǎo)洞方案拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力均大于4導(dǎo)洞方案。

表3 兩種方案拱頂豎向應(yīng)力 MPa

注：負(fù)值代表壓應(yīng)力，正值代表拉應(yīng)力。

(3)地層變形特征分析

兩種方案地表沉降槽曲線對比及地表歷時沉降曲線分別如圖11、圖12所示。計算結(jié)果表明：從導(dǎo)洞開挖到扣拱完成，地表沉降一直持續(xù)發(fā)展，8導(dǎo)洞方案施工各階段沉降量均比4導(dǎo)洞方案要大，且8導(dǎo)洞方案的地表最終沉降值要明顯大于4導(dǎo)洞方案。

圖11 兩種方案的各施工階段地表沉降槽曲線對比

圖12 兩種方案的地表歷時沉降曲線

4.3 兩種不同PBA工法的方案比選結(jié)果分析

(1)從8導(dǎo)洞和4導(dǎo)洞施工方案的塑性區(qū)分布來看，二者塑性區(qū)分布都是沿著車站向外擴散。8導(dǎo)洞方案的塑性區(qū)范圍大于4導(dǎo)洞施工方案，且8導(dǎo)洞方案的塑性區(qū)分布與河道底部貫通，在施工過程中容易引起河水滲漏，從而增加施工的風(fēng)險。

(2)從應(yīng)力云圖分析可以看出，兩種施工方案在扣拱拱腳、側(cè)墻底部、鋼管柱等部位均產(chǎn)生較大壓應(yīng)力，但8導(dǎo)洞方案的結(jié)構(gòu)受力比4導(dǎo)洞方案的結(jié)構(gòu)受力要大。

(3)從地層變形特性來看，兩種施工方案的地層沉降均隨著開挖的進(jìn)行而逐漸增大，地層沉降趨勢大致保持一致。但是8導(dǎo)洞方案的地表沉降值和沉降槽范圍都比4導(dǎo)洞方案的大。

綜上所述，從圍巖塑性區(qū)分布、車站結(jié)構(gòu)受力以及地層變形來看，4導(dǎo)洞施工方案均優(yōu)于8導(dǎo)洞的施工方案。

5 結(jié)論

(1)由于車站賦存的環(huán)境條件復(fù)雜，地層為低含砂率的富水卵石地層，圍巖自穩(wěn)能力差，車站建造方案、圍巖加固方案以及地下水控制措施這三者必須統(tǒng)籌考慮，確保“鄰近城市河道、周邊建筑物、上覆地下管線和結(jié)構(gòu)自身”的安全。

(2)分析了原設(shè)計的8導(dǎo)洞PBA工法缺陷，提出了適合本車站特點的單層4導(dǎo)洞+導(dǎo)洞內(nèi)大直徑樁基礎(chǔ)的PBA工法，并成功實施。該方案采用大直徑樁基取代下層兩個中導(dǎo)洞內(nèi)的條基，最后形成由導(dǎo)洞內(nèi)的邊樁、中樁基礎(chǔ)、鋼管柱、頂拱、頂縱梁和底縱梁構(gòu)成的承載受力體系。

(3)從圍巖塑性區(qū)分布、車站結(jié)構(gòu)受力以及地層變形來看，4導(dǎo)洞施工方案均優(yōu)于8導(dǎo)洞的施工方案。

(4)施工實踐表明：基于本工程地質(zhì)條件及環(huán)境條件所提出的車站施工優(yōu)化方案是可行的。