多跨大空間地鐵車站暗挖施工方案比選研究*

杜 欣

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司， 100018， 北京∥高級(jí)工程師)

在繁華市中心修建地鐵線路，越來(lái)越多地出現(xiàn)上跨、下穿既有地鐵或管廊結(jié)構(gòu)現(xiàn)象，尤其是與既有地鐵車站銜接的換乘車站的施工，具有空間規(guī)模大、結(jié)構(gòu)跨度大、深埋、圍護(hù)支護(hù)復(fù)雜且對(duì)周邊環(huán)境影響大的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)和施工難度很大。本文以北京地鐵16號(hào)線二里溝站這個(gè)新建地鐵的換乘車站為例，闡述大空間地鐵車站暗挖施工方案的有關(guān)比選。

1 北京地鐵16號(hào)線二里溝站工程概況

1.1 工程設(shè)計(jì)情況

北京地鐵16號(hào)線二里溝站位于三里河路和車公莊大街交叉口，與既有6號(hào)線二里溝站成“十”字換乘(見(jiàn)圖1)。6號(hào)線二里溝站為單層暗挖分離側(cè)式站臺(tái)車站，車站埋深 27.93 m，車站覆土17.56 m。16號(hào)線二里溝站車站兩端采用兩層三柱四跨暗挖結(jié)構(gòu)，車站中部上跨6號(hào)線車站段采用單層雙跨暗挖結(jié)構(gòu)，如圖2所示。16號(hào)線二里溝站車站全長(zhǎng)303 m，車站兩端主體雙層三柱四跨暗挖段斷面高18.36 m，寬 29.40 m，覆土深度 8.90 m，采用小導(dǎo)管超前注漿加固和洞樁(PBA)法施工。

該車站設(shè)置了4個(gè)施工豎井，總建筑面積約為3.9萬(wàn)m2,目前是全國(guó)在建的最大暗挖車站。車站主體采用單層導(dǎo)洞PBA法施工。設(shè)置了5個(gè)出入口、4組風(fēng)亭,2座冷卻塔。其中東南象限風(fēng)道及出入口與百萬(wàn)莊棚戶區(qū)改造一體化建設(shè)。

1.2 地質(zhì)條件

16號(hào)線二里溝站主要處于⑤層卵石，⑥層粉質(zhì)黏土，⑦層卵石和⑧層粉質(zhì)黏土。其中最大粒徑不小于300 mm ，一般粒徑為20～60 mm。土層中粒徑大于20 mm的顆粒占總質(zhì)量的60%，以亞圓形，中粗砂填充。車站頂部以上為粉細(xì)砂層。含水層主要為⑨層卵石。2011年7月勘察到的水位標(biāo)高為19.60 m，水位埋深為32.18 m。其地質(zhì)情況見(jiàn)圖3。

1.3 施工特點(diǎn)分析

由于工程項(xiàng)目周邊環(huán)境復(fù)雜，制約施工因素多，加上地質(zhì)條件特殊、車站結(jié)構(gòu)寬度大、主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)距離近，故施工工序復(fù)雜、施工風(fēng)險(xiǎn)高，給項(xiàng)目施工籌劃帶來(lái)了很大的困難。如：① 道路下方淺埋、多跨、大空間地鐵車站暗挖施工的開(kāi)挖步序復(fù)雜。工程施工面積大，采用暗挖技術(shù)挖掘的土方和占用的地下空間相較于一般車站要大。② 幾乎是零間距距離上跨既有線，下穿熱力管溝，變形控制難度大。③ 砂卵石地層洞內(nèi)狹小空間大直徑機(jī)械快速成樁技術(shù)難度大。④ 換乘車站需要新建的附屬結(jié)構(gòu)多，體量大，施工接口多，施工難度大。

圖1 北京地鐵16號(hào)線二里溝站平面圖

注：地面標(biāo)高為51.400 m; T為熱力管溝。圖2 北京地鐵16號(hào)線二里溝站橫斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of lateral section of Beijing Metro Line 16 Erligou Station

注：圖中數(shù)字皆為標(biāo)高，單位為m。圖3 北京地鐵16號(hào)線二里溝站中間段地質(zhì)剖面圖Fig.3 Geological section of the middle section of Beijing Metro Line 16 Erligou Station

2 主體結(jié)構(gòu)施工方案選擇

2.1 明挖+暗挖方案

原施工方案中車站主體采用兩端明挖，中間暗挖的方案[1-2]。圍護(hù)采用φ1 000 mm @ 1 500 mm的鉆孔灌注樁，內(nèi)支撐采用φ609 mm，厚14 mm的鋼管支撐[3]，豎向設(shè)4道。北京地鐵16號(hào)線二里溝站原設(shè)計(jì)剖面示意圖如圖4所示。

2.2 優(yōu)化后的全暗挖方案

在深入細(xì)致做好調(diào)查、研究的基礎(chǔ)上，超前對(duì)各種施工方案進(jìn)行比較、優(yōu)化，對(duì)各附屬結(jié)構(gòu)統(tǒng)一優(yōu)化規(guī)劃，具體如表1所示。

2.3 PBA法比選

在確定選用暗施工挖工藝后，對(duì)單層導(dǎo)洞PBA法和雙層導(dǎo)洞PBA法施工進(jìn)行比選。兩種施工方法的施工工況對(duì)比如表2所示。

由表2可知，相較于原設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化后的方案采用單層導(dǎo)洞PBA法，主體結(jié)構(gòu)全部采用暗挖能節(jié)省成本、縮短工期。

該車站兩端兩層三柱四跨暗挖段的開(kāi)挖斷面為18.36 m×29.40 m(寬×高)，采用PBA法施工。

注：標(biāo)高以m計(jì)，其它尺寸以mm計(jì)。圖4 北京地鐵16號(hào)線二里溝站原設(shè)計(jì)剖面示意圖Fig.4 Schematic diagram of original design section of Beijing Metro Line 16 Erligou Station

表1 附屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案Tab.1 Optimization scheme of ancillary structure

表2 單層導(dǎo)洞PBA法與雙層導(dǎo)洞PBA法施工工況對(duì)比Tab.2 Construction conditions comparison between single-layer and double-layer pilot tunnel PBA methods

一般地層采用φ42 mm、長(zhǎng)3 250 mm的小導(dǎo)管超前預(yù)注漿加固，卵石地層采用φ25 mm、長(zhǎng)275 mm的小導(dǎo)管超前預(yù)注漿加固，局部采用雙排小導(dǎo)管注漿加固[6]。

注漿漿液在中砂、粉細(xì)砂地層采用改性水玻璃，其余情況采用水泥-水玻璃漿液注漿[7]。邊樁采用φ1 000 mm～φ1 600 mm機(jī)械成孔樁，中樁采用人工挖孔+機(jī)械成孔φ1 000鋼管柱。

3 PBA法單層導(dǎo)洞施工開(kāi)挖順序研究

3.1 導(dǎo)洞可行開(kāi)挖方案

PBA法施工步序在橫通道內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)洞施工，導(dǎo)洞采用臺(tái)階法施工[8]，小導(dǎo)管超前注漿加固土體，C20噴射混凝土支護(hù)。從西往東小導(dǎo)洞依次編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#導(dǎo)洞(見(jiàn)圖5)。為規(guī)避5#導(dǎo)洞周邊待遷改的大直徑給排水管線風(fēng)險(xiǎn)，盡量安排5#導(dǎo)洞滯后開(kāi)挖。

3.2 不同導(dǎo)洞開(kāi)挖方案對(duì)地表變形影響分析

相鄰導(dǎo)洞縱向開(kāi)挖間隔為15 m，非相鄰導(dǎo)洞縱向開(kāi)挖間隔為6 m。通過(guò)使用MIDAS-GTS數(shù)值分析軟件對(duì)導(dǎo)洞的3種先后開(kāi)挖順序進(jìn)行模擬分析，重點(diǎn)分析導(dǎo)洞開(kāi)挖順序?qū)Φ乇沓两档挠绊?。按車站?dǎo)洞開(kāi)挖后對(duì)地表沉降的影響來(lái)選擇最合理的開(kāi)挖順序[9]。

圖5 小導(dǎo)洞開(kāi)挖圖Fig.5 Diagram of small pilot tunnel excavation

不同導(dǎo)洞開(kāi)挖方案對(duì)地表變形影響的仿真計(jì)算結(jié)果提取見(jiàn)表3。

表3 不同導(dǎo)洞開(kāi)挖方案對(duì)地表變形影響的仿真計(jì)算結(jié)果Tab.3 Simulation calculation results of various pilot tunnel excavation schemes influencing ground surface deformation

通過(guò)對(duì)3種不同導(dǎo)洞開(kāi)挖順序的數(shù)值模擬對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)是否及時(shí)支護(hù)對(duì)掌子面的穩(wěn)定性影響較大。當(dāng)使用超前預(yù)注漿加固時(shí)，施工引起的拱頂沉降和地表沉降明顯減小。通過(guò)3種不同導(dǎo)洞開(kāi)挖順序過(guò)程比較，對(duì)于軟弱地層，通過(guò)小導(dǎo)管超前注漿，可以加固地層，控制施工沉降，對(duì)維護(hù)掌子面穩(wěn)定和保障施工安全具有重要意義。導(dǎo)洞從中間開(kāi)挖，然后間隔開(kāi)挖導(dǎo)洞可以使其對(duì)地表的沉降影響最小，因此，應(yīng)選擇方案C的開(kāi)挖方式。

4 初期支護(hù)扣拱順序變化對(duì)地層變形影響

4.1 初期支護(hù)扣拱順序可行方案

在導(dǎo)洞背后回填完成后，沿初期支護(hù)扣拱輪廓上方，在橫通道墻壁進(jìn)行超前預(yù)注漿加固地層施工。超前預(yù)注漿加固地層施工完成后進(jìn)行初期支護(hù)扣拱的開(kāi)挖支護(hù)。施工步序?yàn)椋菏┳鞒靶?dǎo)管→馬頭門開(kāi)口→開(kāi)挖土方→架立拱部格柵→預(yù)埋背后注漿管→噴射混凝土→拱頂初期支護(hù)回填注漿[10]。

初期支護(hù)扣拱開(kāi)挖順序如圖6所示，可分為2個(gè)方案：方案①按照先兩邊后中間的原則扣拱，扣拱順序?yàn)棰瘛簟颉?；方案②按照先中間后兩邊的原則扣拱，扣拱順序?yàn)棰颉簟瘛蟆?/p>

圖6 初期支護(hù)扣拱開(kāi)挖順序示意圖

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

PBA法施工過(guò)程中，初期支護(hù)扣拱是影響地表沉降的1個(gè)重要因素[11]。通過(guò)MIDAS數(shù)值模擬軟件對(duì)三柱四跨五導(dǎo)洞的4個(gè)扣拱進(jìn)行模擬，比較兩種不同的扣拱順序方案對(duì)地表沉降的影響(見(jiàn)表4、圖7)，得出扣拱從外到內(nèi)對(duì)地表的沉降影響為最小，因此，應(yīng)選擇方案①。

表4 兩種扣拱順序方案的最大沉降對(duì)比表Tab.4 Comparison of maximum settlement between two buckle arch sequence schemes

圖7 初期支護(hù)扣拱開(kāi)挖地表沉降圖Fig.7 Ground surface settlement diagram of initial support buckle arch excavation

5 結(jié)論

1) 地鐵車站采用非PBA法施工時(shí)，開(kāi)挖邊導(dǎo)洞和中導(dǎo)洞時(shí)，最大地表沉降均發(fā)生在導(dǎo)洞中線處。中導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)，下導(dǎo)洞拱頂沉降較大；導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)，初期支護(hù)應(yīng)盡快封閉成環(huán)，以減少地層沉降。在拱扣施工階段，最大地表沉降發(fā)生在拱扣中心線處。

2) 最大地表沉降位置隨3個(gè)階段的施工順序不斷變化。施工中地表沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)按上述規(guī)律在地表布設(shè)測(cè)點(diǎn)。

3) 3個(gè)階段中，扣拱施工階段拱扣處的地表沉降值最大，PBA法施工對(duì)地表沉降起到了控制作用。

4) 跨越既有地鐵車站施工時(shí)，應(yīng)對(duì)既有地鐵車站結(jié)構(gòu)及軌道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)受影響區(qū)段范圍內(nèi)地鐵結(jié)構(gòu)寬度大于0.3 mm的裂縫及相關(guān)病害應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。