凍結法暗挖北京地鐵28號線核心區(qū)站設計探討

梁智鵬 ,景懼斌 ,王 磊

(1.北京市交通基礎設施建設項目管理中心,北京 100053;2.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013)

1 擬建核心區(qū)站工程概況

北京地鐵28號線核心區(qū)站位于北京市朝陽區(qū)針織路上,在景輝街與景輝南街之間,南側為景輝南街與針織路交叉口,西側為CBD 核心區(qū)Z-11、Z-13地塊,東側是萬達廣場(高層建筑),位置見圖1。車站中心里程K2+413.000,車站主體長121.6 m,寬約21.5 m,結構頂板埋深約為9.4 m,結構底板埋深為23 m。

圖1 北京地鐵28號線核心區(qū)站位置示意

核心區(qū)站土層自上而下為中粗砂④4層、卵石圓礫⑤層、粘土⑥1層(局部粉質粘土⑥層)、粘土⑥1層。結構頂板土層為中粗砂④4層,車站底板土層為粘土⑥1層,卵石圓礫⑤層為潛水的含水層,地下水位距離結構底板8 m,含水量較大。核心區(qū)站附近建筑物密集,人流量大,地面交通繁忙,不具備明挖車站的條件,只能采用暗挖法施工。開挖的下部站臺層主要位于卵石圓礫⑤層,地層含水量豐富。卵石圓礫層是一種不穩(wěn)定地層,卵石在地層中起骨架作用,其間充填各種砂層、礫石層,結構松散、無黏聚力,開挖中極容易出現(xiàn)涌水、涌砂,引起土體塌方、地表下陷等事故[1-3],因此如何在富水卵石圓礫地層中進行地層加固是關系到工程成敗的關鍵所在。

常規(guī)地鐵車站加固方法主要有三軸攪拌、地面旋噴等,三軸攪拌適用于處理正常固結的淤泥與淤泥質土、粉土、飽和黃土、素填土、黏性土以及無流動地下水的飽和松散砂土等,對砂層加固效果差[4-5]。在含水量較大、滲透系數(shù)較大的砂層中采用旋噴樁施工,漿液易被水流帶走,加固效果差,不適合卵礫石地層[6-7]。地面加固受到場地條件及周邊環(huán)境條件限制,核心區(qū)站西側為北京CBD 核心區(qū)大廈,東側為萬達廣場,此區(qū)域堪稱北京地面交通最繁忙的地區(qū)之一,無法占用地面進行加固,故無法使用三軸攪拌和地面旋噴進行加固。若采用洞內水平注漿輔以地表降水方法,因核心區(qū)站暗挖長度大、含水量大,降水影響范圍過大,且大規(guī)模降水會導致上部地表產生沉降,威脅地表構筑物安全,亦不可行。開挖核心區(qū)站需找到一種適合該工程實際情況、安全可靠的工法,這種工法既對上部環(huán)境影響小又適用于富水地層。

近年來,隨著城市軌道交通建設的發(fā)展,越來越多的地下工程采用水平凍結法預加固地層,并取得了一定的成效,凍結法施工也作為一種成熟工法在地鐵工程中得到廣泛使用。周曉敏等[8]在北京地鐵熱—八線大北窯車站南隧道實現(xiàn)了我國首例水平凍結法施工,順利通過了粉細砂困難地段,證明水平凍結法是暗挖隧道軟弱含水地層中封水的有效方法。北京地鐵6 號線玉帶河大街站—郝家府站區(qū)間1號聯(lián)絡通道、2號聯(lián)絡通道,埋深20.6 m,穿越地層為粉細砂⑤1層、粉細砂⑤層、粉細砂⑤層,采用凍結法暗挖順利穿越不利地層[9]。北京地鐵8號線在天橋站—永定門外站區(qū)間2號聯(lián)絡通道頂部埋深30 m,處于卵石粉質黏土復合地層中,距離永定門橋樁基僅20.73 m,水位線在聯(lián)絡通道以上9 m,采用凍結法加固方案順利完成構筑[10]。凍結法加固土體在其他城市也具有大規(guī)模的成熟應用[11-14]。

筆者基于北京地鐵28號線核心區(qū)站工程,對核心區(qū)車站進行凍結法加固可行性進行分析,對凍結方案進行預設計,為北京地鐵車站在富水條件下的暗挖方案選擇提供參考。

2 凍結法暗挖車站設計

北京地鐵28 號線盾構隧道為大直徑隧道(?8 300 mm),可利用大直徑盾構隧道作為工作面,采用跟管鉆進、保壓鉆進方法施工凍結管,穿越卵石地層進行凍結暗挖施工,隔絕地下水、開挖土體并構筑車站,擬開挖構筑的車站剖面見圖2。

圖2 規(guī)劃設計核心區(qū)站斷面

大直徑(?8 300 mm)盾構隧道推進完成后,利用大隧道作為工作面,向車站內側打鉆,設計形成上部、下部弧形凍結壁,有效隔絕水位,每段中間部分凍結開孔位置如圖3所示,端頭部分凍結開孔如圖4所示。在車站橫向方向上,設計分為A、B、C三段凍結,每段長度為33 m,見圖5。凍結管橫向方向間距為1 200 mm,每段設計凍結時間55 d,三段區(qū)域中部設置3 m 厚度凍土墻,減小長距離凍結壁滲漏風險,且凍土墻可承載上部土體重量,三塊區(qū)域分段凍結、分段開挖,既可以加快施工進度,又可以節(jié)約冷量,設計凍結壁厚度為3 m,并對此凍結壁厚度進行驗算。

圖5 核心區(qū)站凍結分段設計

開挖順序需適合車站暗挖實際情況,謹慎拆除管片,增加臨時支護,減小控頂距,及時施加永久支護。核心區(qū)站開挖順序為先開挖大直徑隧道兩側土體,并進行初期支護,中間預留2 m 凍土墻,后長度方向每掘進3 m 鑿掉凍土墻,進行車站內部混凝土澆筑,順序見圖6。

圖6 核心區(qū)站開挖順序

3 凍結法帷幕強度驗算

需對設計凍結壁強度進行計算,取每段中部最不利截面進行計算,計算采用有限差分軟件FLAC3d進行,計算建模嚴格按照設計圖紙進行,網格劃分遵循重點部位重點分析的原則,重點部位加密網格,非重點部分增大網格以節(jié)省計算資源。網格建模如圖7所示:計算模型左右水平計算范圍(X 邊界)均取隧道跨度的5 倍以上,為140 m;垂直計算范圍向上取至自由地表,向下取隧道高度的5倍以上,為60 m,充分考慮了邊界條件對隧道開挖的影響。現(xiàn)有方案網格劃分數(shù)量為19.42萬單元。

建立站廳層及隧道凍結壁、隧道管片、臨時支護、永久支護模型,凍結壁厚度為3 m,中部凍土墻厚度為2 m,細部網格見圖8。建立23萬個網格單元。開挖順序按照設計要求,見圖6。土力學參數(shù)選取根據(jù)地勘報告對土力學參數(shù)進行取值,選用彈性準則進行計算,參數(shù)見表1。

表1 網格參數(shù)表

計算步驟按照隧道開挖順序進行。計算程序首先計算原始地應力,土體的開挖是在應力重分布的基礎上進行的,按實際開挖方法釋放荷載,求解開挖后的應力場。模型底面邊界固定;模型上、下、左、右邊界面固定,上覆土體自重按實際重量計算。

計算結果如下:凍結壁承載力驗算采用許用應力法,依據(jù)凍結法技術規(guī)范[15],強度檢驗安全系數(shù)按Ⅲ類凍結壁選取:安全系數(shù)為抗壓強度2.0,抗折強度3.0,抗剪強度2.0。強度檢驗計算結果見圖9和表2。最大主應力為0.66 MPa,最小主應力為1.2 MPa,剪應力為0.37 MPa。

圖9 強度檢驗計算云圖

表2 計算結果統(tǒng)計表

經計算可得:凍結壁平均溫度-10 ℃、厚度3 m 時,凍土帷幕的總體承載能力足夠,凍土帷幕兩側及底部有應力集中,但應力值小于強度值,且各項安全系數(shù)滿足要求。

4 總結

北京地鐵28 號線核心區(qū)站盾構隧道推進完成后,利用大隧道作為工作面,向車站內側打鉆,在車站橫向方向上,設計分為A、B、C 三段凍結,每段長度約為33 m,凍結管橫向方向間距為1 200 mm,每段設計凍結時間55 d,三段區(qū)域中部設置3 m 厚度凍土墻。計算得出凍結壁平均溫度-10 ℃、厚度3 m 時,凍土帷幕的總體承載能力足夠,凍土帷幕兩側及底部有應力集中,但應力值小于強度值,且各項安全系數(shù)滿足要求,表明凍結法暗挖地鐵車站方案是可行的。

隨著北京城市軌道交通建設的快速發(fā)展,將有越來越多的地鐵車站采用暗挖法施工,如北京地鐵12號線、17號線等規(guī)劃了多個暗挖車站,凍結法加固土體作為一種環(huán)保型成熟工法已在地鐵工程中廣泛使用,該設計首次將凍結法引入暗挖長距離地鐵車站,將為北京地鐵車站在富水條件下的暗挖方案選擇提供有益的參考。